濕度-尾氣共同作用對瀝青混合料抗滑性能的影響

吳建濤，馬鑫源，曹云剛，曹鵬飛，陳 俊，陳 捷

（1. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210024；2. 南京雨花建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇南京 210012；3. 華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇南京 210007）

隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展和建設(shè)技術(shù)的不斷進步，公路隧道的數(shù)量及通車總里程不斷上升。城市內(nèi)隧道尤其是越江隧道的建設(shè)顯著提高了城市交通設(shè)施水平，為居民的出行提供了極大的便利。但隧道內(nèi)行車事故的發(fā)生率卻遠(yuǎn)高于普通路段，其中，隧道路面抗滑性能不足是導(dǎo)致事故高發(fā)的重要因素［1-3］。

研究發(fā)現(xiàn)，由于隧道內(nèi)相對密封且濕度較高，隧道內(nèi)瀝青路面抗滑性能的衰減明顯快于隧道外［4-5］。江蘇某過江隧道在完成瀝青路面施工運行3年后進行路面復(fù)檢，在全線構(gòu)造深度檢測基本合格的情況下，瀝青路面摩擦系數(shù)出現(xiàn)了大范圍的明顯降低。已有許多研究表明，濕度是影響瀝青路面抗滑性能的一個重要環(huán)境因素［6-8］。除此之外，隧道內(nèi)較差的通風(fēng)環(huán)境容易導(dǎo)致汽車排放的污染物在瀝青路表形成一層薄膜（以下簡稱尾氣油膜），對輪胎-路面間的摩擦產(chǎn)生潤滑作用，進而顯著影響隧道瀝青路面的抗滑性能。目前，針對汽車尾氣油污對瀝青路面抗滑性能影響的研究還相對較少。肖鵬飛和韓森［9］對路面油污染情況下抗滑性能的衰減規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明油污厚度的增加會導(dǎo)致瀝青路面抗滑性能下降。此外，他們還分析了油膜與路面的結(jié)合形式及其對摩擦行為的影響機理。曹平［10］和曹曉峰等［11］的研究均表明油污染將導(dǎo)致瀝青路面抗滑性能顯著下降，且該影響是持續(xù)的，難以自然恢復(fù)的。上述研究所關(guān)注的均是瀝青路面長期服役后路表較為嚴(yán)重的油污染，研究結(jié)果無法解釋隧道瀝青路面投入使用初期未見明顯油污情況下路面抗滑性能出現(xiàn)快速衰減的現(xiàn)象。

綜上所述，濕度及汽車尾氣排放都是導(dǎo)致隧道內(nèi)瀝青路面抗滑性能異常衰減的重要因素，但目前針對濕度-尾氣共同作用條件下薄層尾氣油膜對瀝青路面抗滑性能影響的研究相對較少，尾氣油膜的形成機理也尚不清晰。因此，本研究采用室內(nèi)試驗手段模擬不同的濕度-尾氣共同作用組合，以期探求濕度-尾氣共同作用條件下瀝青路面抗滑性能的衰減規(guī)律。同時采用分子動力學(xué)模擬手段揭示尾氣油膜形成的微觀機理，為隧道內(nèi)尾氣油膜的防治提供參考依據(jù)。

1 原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料

1.1.1 瀝青和集料

根據(jù)實際隧道路面鋪裝使用的材料，選擇70#SBS 改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，其基本性能見表1，所用集料為玄武巖，礦粉為石灰?guī)r。

1.1.2 瀝青混合料配合比

使用AC-13C、SMA-13、OGFC-13 三種類型的瀝青混合料，三種瀝青混合料的油石比分別為AC-13C（4.8%）、SMA-13（6.0%）、OGFC-13（5.2%），配合比如表2所示。

表2 瀝青混合料配合比Tab.2 Mix proportion of asphalt concrete

采用上述材料及配合比制備瀝青混合料，使用輪碾成型機成型AC-13C、SMA-13、OGFC-13 車轍板試件各5塊，用于室內(nèi)模擬試驗。

1.2 試驗方案

恒溫恒濕養(yǎng)護箱用于控制試驗過程中的溫、濕度條件，所有試驗均在20℃溫度下進行。采用自制的尾氣處理系統(tǒng)在特定濕度條件下對試件進行不同時長的尾氣處理，實現(xiàn)不同濕度-尾氣共同作用組合的模擬。為了探究試件擺值的靜置自然恢復(fù)情況，對上述濕度-尾氣處理后的試件在室溫條件下進行24h靜置。對試件循環(huán)進行濕度-尾氣作用模擬和靜置恢復(fù)處理，用以模擬實際隧道中交通量隨時間的變化。在上述各項處理完成后均會對試件進行擺值測試，用以表征試件的抗滑性能。除此之外，構(gòu)建了有水、無水尾氣與瀝青分子的界面模型，并在25℃、60℃下分別進行分子動力學(xué)模擬，用于探究隧道內(nèi)瀝青路表尾氣油膜形成的微觀機理。

1.2.1 濕度-尾氣組合作用模擬

共模擬了相對干燥（相對濕度30%）、完全潮濕（相對濕度100%，有水露凝結(jié)在車轍板表面形成薄層水膜）2種濕度條件，后文中出現(xiàn)的相對干燥和完全潮濕條件均代表上述兩種條件。在兩種濕度條件下，分別進行5 個不同時長（0min，15min，30min，45min，60min）的尾氣處理，也即共模擬10種濕度-尾氣時長組合作用。實際操作過程中，首先對車轍板試件進行1h 溫、濕度養(yǎng)護達(dá)到設(shè)定的溫、濕度環(huán)境，后在此環(huán)境中使用尾氣處理系統(tǒng)對試件進行尾氣處理，從t=0時刻開始，每隔15min測量一次試件擺值。車轍板溫、濕度條件控制及擺值測量如圖1所示，尾氣處理系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 車轍板溫、濕度條件控制及擺值測量Fig.1 Humidity maintenance and BPN measurement of rut plates

尾氣處理系統(tǒng)示意圖如圖2a 所示。在對車轍板試件進行尾氣處理時控制發(fā)動機運轉(zhuǎn)檔位不變，保證尾氣均勻排出。此外，因為發(fā)動機直接排出尾氣的溫度可達(dá)100℃以上，為了使尾氣溫度與實際情況更加接近同時防止高溫對車轍板試件擺值的影響，把尾氣導(dǎo)管放入冷卻裝置（圖2）中進行降溫處理，發(fā)動機運行達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)時尾氣處理系統(tǒng)排出尾氣的溫度在50℃左右，該溫度位于現(xiàn)實中輕型汽油車排出尾氣的常規(guī)溫度區(qū)間內(nèi)，采用該溫度的尾氣對車轍板試件進行處理是合理的。試驗所用發(fā)動機為小型汽油發(fā)動機，添加92#汽油使用，實物如圖2b 所示。發(fā)動機具體參數(shù)如下：采用晶體管磁電機點火，最大功率為6.2kw，最大扭矩為24.5/2 600，轉(zhuǎn)速為3 600r·min-1。根據(jù)中國汽油車尾氣源譜，92#汽油產(chǎn)生的尾氣成分主要包括烷烴、芳香烴、烯烴、炔烴四類，尾氣中的CH 化合物主要包括乙烷、異戊烷、乙烯、丙烯、乙炔、苯、甲苯、1，2，4-三甲基苯等16種［12］。

圖2 尾氣處理系統(tǒng)Fig.2 Tail gas treatment system

1.2.2 靜置恢復(fù)作用模擬

為了探究濕度或尾氣對瀝青路面抗滑性能的影響是否能夠自然恢復(fù)，選擇完全潮濕條件，將三種混合料中僅進行濕度處理和進行濕度加60min尾氣處理的試件分別放置在室內(nèi)環(huán)境靜置24h，并測量靜置后的擺值。

1.2.3 “濕度-尾氣處理+靜置恢復(fù)”循環(huán)作用模擬

由于隧道內(nèi)交通量具有明顯的時間分布特征，即交通量時變圖通常呈馬鞍形，上下午存在高峰［13］?？偟膩碚f，日間（8：00-20：00）交通量大，夜間（20：00-8：00）交通流量小，為了研究該特征下濕度?-尾氣作用對瀝青混合料抗滑性能的影響，對三種瀝青混合料試件進行了“濕度?-尾氣處理+靜置恢復(fù)”循環(huán)作用模擬。一個完整的循環(huán)時長為1d，在0d時，首先在20℃，完全潮濕條件下對車轍板試件進行1h養(yǎng)護，養(yǎng)護完成后在該濕度環(huán)境下使用尾氣處理系統(tǒng)對試件進行1h尾氣處理，處理完成后測定其擺值，記為B，隨后將上述處理完成后的車轍板試件在室內(nèi)環(huán)境下靜置24h并測試其擺值，記為A。上述過程記作一個循環(huán)，對三種瀝青混合料試件分別進行了4個循環(huán)處理。

1.2.4 尾氣-瀝青分子界面模型的分子動力學(xué)模擬

Materials Studio 軟件用于構(gòu)建有水（無水）尾氣-瀝青分子界面模型。瀝青分子模型為Li&Greenfield提出的AAA-1瀝青12分子模型［14］。根據(jù)高爽等［15］對于輕型汽油車VOCs 排放特征的研究，采用異戊烷、乙烯、乙炔及甲苯分別代表尾氣中的烷烴、烯烴、炔烴和芳香烴，用于構(gòu)建尾氣分子模型。根據(jù)我國汽油車尾氣源譜中各類烴分子所占比例，確定四種小分子數(shù)量比為異戊烷：乙烯：乙炔：甲苯=21：30：15：6，質(zhì)量比為38.92%：21.58%：35.50%：4.01%［12］。有水尾氣模型與無水尾氣模型質(zhì)量相同，其中水分子質(zhì)量占模型總質(zhì)量的1/3，各小分子的數(shù)量比為異戊烷：乙烯：乙炔：甲苯：水=14：20：10：4：72。將尾氣模型置于瀝青分子模型上方并添加50 ?真空層，所有模型的平面尺寸均為40×40 ?2。構(gòu)建完成的無水尾氣-瀝青界面模型及有水尾氣-瀝青界面模型如圖3所示。

圖3 有水（無水）尾氣-瀝青界面模型Fig.3 Interface model of water (anhydrous) tail gas and asphalt

將上述有水（無水）尾氣-瀝青界面模型分別在25℃、60℃條件下進行分子動力學(xué)模擬，采用COMPASS Ⅱ力場，NVT 系綜，模擬時長500ps，模型最終均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。60℃代表尾氣從排氣管排出時的溫度，25℃為常溫條件。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同濕度-尾氣組合對瀝青混合料試件抗滑性能的影響

三種瀝青混合料試件在不同濕度-尾氣組合作用下的擺值如表3所示。表3中的結(jié)果表示，在任何濕度-尾氣組合作用條件下，三種瀝青混合料試件的抗滑性能總是符合OGFC-13＞SMA-13＞AC-13C，這表明，在濕度-尾氣共同作用條件下，OGFC瀝青混合料具有更好的抗滑性能。從圖4 可以看出，同一濕度條件下，三種瀝青混合料試件的擺值均隨著尾氣處理時間的增加而下降，這表明在瀝青路面開放運行初期路面未經(jīng)嚴(yán)重磨損的情況下，車輛尾氣會導(dǎo)致瀝青路面抗滑性能衰減。對于AC-13、SMA-13 兩種瀝青混合料，完全潮濕條件下尾氣處理1h 導(dǎo)致的試件擺值下降幅度（15.05%，15.02%）明顯高于相對干燥條件下試件擺值的下降幅度（7.75%，8.73%），而OGFC在不同濕度條件下尾氣處理1h 導(dǎo)致的試件抗滑性能衰減幅度大致相同（9.25%，10.64%），這同樣表明OGFC 混合料具有更強的抗?jié)穸?尾氣共同作用能力。圖5所示照片在統(tǒng)一、固定的光源條件與拍攝距離下獲得，圖5表明，在尾氣處理過程中，車轍板試件尾氣處理區(qū)域會產(chǎn)生一層黑色黏性物質(zhì)附著在試件表面，并且隨著處理時間的增長，尾氣處理區(qū)域的顏色逐漸加深，黑色黏性物質(zhì)的附著面積也不斷擴大。上述現(xiàn)象表明，在隧道潮濕、通風(fēng)不暢的環(huán)境條件下，車輛排放的大量尾氣會在路面表面形成尾氣油膜，盡管從宏觀的角度這層油膜非常薄，但其直接影響輪胎與地面之間的摩擦，進而導(dǎo)致隧道內(nèi)瀝青路面抗滑性能不足。

圖4 不同濕度-尾氣組合下三種試件的擺值變化Fig.4 Variation of BPN of three kinds of specimens under different combinations of humidity-tail gas combined action

圖5 尾氣處理不同時間后的車轍板試件Fig.5 The rut plate specimen after different time long tail gas treatment

表3 濕度-尾氣組合作用下車轍板試件擺值Tab.3 BPN of rut plate specimens under combined action of humidity and tail gas

2.2 瀝青混合料試件抗滑性能靜置恢復(fù)情況

各試件擺值的靜置恢復(fù)情況如圖6所示。由圖6可得，單純濕度導(dǎo)致的瀝青路面擺值衰減可以通過靜置處理恢復(fù)，恢復(fù)效果（恢復(fù)的擺值占下降擺值的百分比）達(dá)到78%及以上，這表明潮濕環(huán)境導(dǎo)致的瀝青路面抗滑性能下降通過干燥措施即可恢復(fù)。而進行濕度-尾氣處理后的試件，其擺值通過靜置的恢復(fù)效果較差，三種試件經(jīng)過濕度-尾氣處理后的靜置恢復(fù)效果分別為68%（AC-13C）、31%（SMA-13）和42%（OGFC-13），由于濕度的影響可以通過靜置恢復(fù)，因此對于SMA-13和OGFC-13混合料來說，尾氣是導(dǎo)致其抗滑性能衰減的主要因素，并且該因素造成的影響難以自然恢復(fù)。對于AC-13C 試件，盡管濕度導(dǎo)致的抗滑性能下降占比較高，但尾氣對其抗滑性能的影響也是顯著的。上述現(xiàn)象表明尾氣導(dǎo)致的瀝青混合料試件抗滑性能衰減不可自然恢復(fù)，因此，尾氣導(dǎo)致的瀝青路面抗滑性能衰減可能存在累積效應(yīng)。

圖6 一次循環(huán)后各試件擺值的恢復(fù)效果Fig.6 Recovery of BPN of each specimen after one cycle treatment

2.3 “濕度-尾氣處理+靜置恢復(fù)”循環(huán)作用對瀝青混合料試件抗滑性能的影響

為了更直觀地表征多次循環(huán)作用后靜置恢復(fù)的作用效果，定義恢復(fù)效果指標(biāo)Rn用來表示進行n次循環(huán)時，靜置處理24h 對于瀝青混合料抗滑性能恢復(fù)的作用效果，具體定義為第n次“濕度-尾氣處理+靜置恢復(fù)”循環(huán)作用靜置恢復(fù)24h 后與靜置恢復(fù)前的擺值差與初始擺值和進行n次“濕度+尾氣”處理后試件擺值的差的比值，如式（1）所示。

式中：Rn表示進行n次循環(huán)后，靜置處理24 h對于試件抗滑性能恢復(fù)的作用效果；A0表示各試件的初始擺值；Bn表示第n次循環(huán)時，“濕度+尾氣”處理后試件的擺值；An表示第n次循環(huán)后，靜置恢復(fù)24 h后試件的擺值。

三種瀝青混合料試件4個循環(huán)過程中的擺值測定結(jié)果及靜置恢復(fù)效果如表4 和圖7 所示。圖7 直觀地表明，對于任何一種瀝青混合料，擺值B和擺值A(chǔ)都隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出線性減小趨勢。已經(jīng)得到，“濕度+尾氣”共同作用下尾氣對于瀝青混合料抗滑性能的影響是不易消散的。因此，擺值A(chǔ)隨著循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)明顯下降充分表明尾氣導(dǎo)致的瀝青混合料抗滑性能衰減具有累積效應(yīng)。圖7中三種瀝青混合料的擺值B和擺值A(chǔ)曲線都接近平行，這表明每一個循環(huán)過程中，濕度對于抗滑性能衰減的貢獻(xiàn)相對固定。在第一個循環(huán)中，濕度造成的抗滑性能衰減較為明顯，這體現(xiàn)在AC-13C、SMA-13、OGFC-13 三種瀝青混合料的R1值分別為67.74%、31.43%、41.94%，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，尾氣對于瀝青混合料抗滑性能衰減的累積效應(yīng)逐漸擴大，三種瀝青混合料試件的R值不斷減小，在4 次循環(huán)結(jié)束后，三種瀝青混合料的R4值分別為11.32%、4.76%和17.65%。綜上所述，短期“濕度+尾氣”作用時，濕度對瀝青路面抗滑性能的影響更加顯著，但該影響可以通過干燥路面、增加隧道通風(fēng)等措施有效消除。由于尾氣導(dǎo)致的瀝青混合料抗滑性能衰減具有累積效應(yīng)，在“濕度+尾氣”長時間作用的情況下，瀝青路表積累的尾氣油膜將是導(dǎo)致瀝青路面抗滑性能下降的主要因素，并且該影響難以自然恢復(fù)。為了提出具有針對性的解決方案，研究瀝青路表尾氣油膜的形成機理是十分必要的。

表4 三種瀝青混合料不同情況下的擺值及恢復(fù)情況Tab.4 BPN and its recovery of three kinds of asphalt mixture under different conditions

圖7 循環(huán)作用后三種車轍板的抗滑性能Fig.7 Skid-resistance performance of three kinds of rut plates after cyclic treatment

2.4 水-尾氣與瀝青相互作用的微觀機理分析

2.4.1 濕度、溫度對于尾氣-瀝青相互作用的影響

Materials Studio 軟件Forcite模塊用于計算模擬完成后模型的能量，力場仍選用COMPASS Ⅱ力場，范德華能和靜電能的求和法均采用Atom based方法，截至距離20?。首先計算尾氣-瀝青分子界面模型總能量，然后通過分別刪除尾氣分子與瀝青分子的方式計算得到單獨瀝青分子或尾氣分子模型的能量，最后按照公式（2）計算各模型中尾氣與瀝青分子間的結(jié)合能用于評價尾氣與瀝青分子間的相互作用。不同條件下尾氣與瀝青分子間結(jié)合能計算結(jié)果如表5和圖8所示。

圖8 不同條件下尾氣與瀝青分子間的結(jié)合能Fig.8 Binding energy between tail gas and asphalt under different conditions

式中，Etotal為尾氣-瀝青分子系統(tǒng)的總勢能；Ea為瀝青分子的勢能；Ee為尾氣分子的勢能；Einteraction為尾氣與瀝青分子間的相互作用能，定義為二者組成系統(tǒng)的總勢能與二者勢能之和的差值；Ebinding為尾氣與瀝青分子間的結(jié)合能。

根據(jù)表5中的結(jié)果，在所設(shè)置的四種條件下，尾氣模型與瀝青分子間的結(jié)合能均為正值，這表明尾氣中有機氣體分子可以吸附在瀝青分子表面。當(dāng)尾氣模型中不含水分子時，尾氣模型與瀝青分子間的結(jié)合能較弱，隨著溫度的升高，無水尾氣模型與瀝青分子間結(jié)合能略有增長。60℃時尾氣模型與瀝青分子間的結(jié)合能相比25℃時提高了僅1.45%，結(jié)合能的提高主要由范德華能貢獻(xiàn)。而當(dāng)尾氣模型中含有水分子時，有水尾氣模型與瀝青分子間的結(jié)合能比無水情況下尾氣與瀝青分子的結(jié)合能高40%以上，這主要歸因于靜電能的大幅提高，范德華能反而明顯下降。此外，有水條件下，尾氣模型與瀝青分子間的結(jié)合能隨著溫度的升高大幅下降，60℃時兩者的結(jié)合能相較于25℃時下降了15.93%。而結(jié)合能下降的主要原因是有水尾氣模型與瀝青分子間靜電相互作用的大幅降低。

表5 不同條件下尾氣與瀝青分子間的結(jié)合能Tab.5 Binding energy between tail gas and asphalt under different conditions

綜上所述，在所設(shè)置的溫度條件下，無水尾氣模型與瀝青分子間的相互作用對溫度變化并不敏感，但溫度對有水尾氣模型與瀝青分子間相互作用的影響較大。水的存在增大了尾氣模型整體與瀝青分子間的結(jié)合能，但具體作用機理尚不清晰。

2.4.2 濕度對于尾氣-瀝青相互作用的影響機理

為了進一步探究水分子對于尾氣-瀝青相互作用的影響機理，分別計算了有水尾氣-瀝青界面模型中水分子、尾氣氣體分子、瀝青分子兩兩間的結(jié)合能，結(jié)果如表6 和圖9 所示。由圖9 不難看出，有水存在時尾氣中的有機氣體分子與瀝青分子間的相互作用較弱且隨溫度變化不明顯，有水尾氣模型與瀝青分子間的相互作用主要由水分子與瀝青分子間的強靜電相互作用貢獻(xiàn)。水分子與瀝青分子間的結(jié)合能占有水尾氣模型整體與瀝青分子間結(jié)合能的80%以上，并且隨著溫度的升高，水分子與瀝青分子間的結(jié)合能顯著降低。這表明有水尾氣模型與瀝青分子間相互作用對溫度的敏感性也是由水分子導(dǎo)致的。由圖9 可得，水分子與尾氣中有機氣體分子之間也存在較強的相互吸引作用，這表明水分子能夠吸引尾氣中的有機氣體分子并與之共同吸附在瀝青分子表面。又由于有水尾氣模型整體與瀝青分子間的結(jié)合能明顯高于無水情況下尾氣與瀝青分子的結(jié)合能，因此，水分子的存在對于尾氣在瀝青分子表面的吸附是十分有利的。上述現(xiàn)象同樣表明，隧道內(nèi)較高的空氣濕度以及較差的空氣流通環(huán)境有助于瀝青路表尾氣油膜的形成。

表6 有水尾氣-瀝青界面模型中各組分間的結(jié)合能Tab.6 Binding energy of components in the model of water tail gas -asphalt interface

圖9 有水尾氣-瀝青界面模型中各組分間的結(jié)合能Fig.9 Binding energy of components in the model of water tail gas-asphalt interface

為進一步探究水分子對于尾氣分子的吸引作用，分別計算了無水尾氣模型中尾氣分子、有水尾氣模型中尾氣分子以及有水尾氣模型中水分子與尾氣分子間的徑向分布函數(shù)，用于描述各分子在空間中的分布狀態(tài)，結(jié)果如圖10a 所示。由圖10a 所得，有水和無水時尾氣分子的徑向分布函數(shù)曲線高度重合，這表明兩種情況下尾氣分子在空間中的分布非常相似，水分子的加入并沒有改變尾氣分子在空間中的分布狀態(tài)。而有水尾氣模型中水分子與尾氣分子間徑向分布函數(shù)的圖像在0～5?內(nèi)高于其余兩條曲線，這表明對于有水尾氣模型中的大多數(shù)尾氣分子，其附近0～5? 范圍內(nèi)存在水分子的概率要高于存在其他尾氣分子的概率，這也就意味著各尾氣分子離水分子的距離較近，而距離其他尾氣分子較遠(yuǎn)。圖10b和c更直觀地表明有水和無水情況下，尾氣分子在空間中的分布是非常相似的，而水分子主要分布在尾氣分子間的空隙中。綜上所述，水分子與尾氣分子間強相互吸引作用形成的過程如下：在高濕度環(huán)境下，水分子能夠填充尾氣分子間的空隙，并借助自身較強的極性在自身與尾氣分子間構(gòu)建強有力的連接，從而與尾氣分子構(gòu)成一個穩(wěn)定的整體。

圖10 各分子間的徑向分布函數(shù)及分布情況Fig.10 Radial distribution function and distribution among molecules

2.4.3 溫度對于尾氣-瀝青相互作用的影響機理

如前所述，隨著溫度的升高，有水尾氣模型與瀝青分子間的結(jié)合能顯著降低，為了探明該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，計算了25℃、60℃時瀝青分子表面有水尾氣模型在Z方向上的濃度分布，如圖11所示。

圖11 有水尾氣模型在瀝青分子表面Z方向上的濃度分布Fig.11 Concentration distribution of water tail gas model in Z direction of asphalt molecular surface

可以明顯地看出，25℃時有水尾氣模型整體更加靠近瀝青分子，主要分布在5～15? 之間；60℃時有水尾氣模型整體離瀝青分子表面更遠(yuǎn)，主要分布在7.5～17.5?之間。這表明在溫度較高的情況下，有水尾氣模型中小分子的熱運動更加劇烈，有遠(yuǎn)離瀝青分子的趨勢，因此溫度較高時有水尾氣模型與瀝青分子間的結(jié)合能較低。由于尾氣在剛剛排出時溫度較高，此時尾氣有向上擴散的趨勢，并不容易吸附在瀝青表面。但由于隧道內(nèi)通風(fēng)環(huán)境較差且濕度較高，在尾氣降溫的過程中，尾氣分子會逐漸被水分子吸引并吸附在瀝青路面表面形成尾氣油膜。因此，改善隧道內(nèi)通風(fēng)環(huán)境使尾氣及時排出隧道能夠有效防止瀝青路表尾氣油膜的形成。

3 結(jié)論

基于某過江隧道瀝青路面摩擦系數(shù)出現(xiàn)異常衰減的工程背景，本研究采用試驗室模擬手段對不同濕度-尾氣組合作用下瀝青混合料摩擦系數(shù)的衰減規(guī)律進行了研究。此外，采用分子動力學(xué)模擬技術(shù)進一步探究了尾氣油膜在瀝青混合料表面形成的微觀機理?；诒狙芯克O(shè)置的試驗、模擬條件，得到主要結(jié)論如下：

（1）三種瀝青混合料中，OGFC 混合料抗滑性能最優(yōu)，并且對于濕度-尾氣共同作用導(dǎo)致的試件抗滑性能衰減具有更強的抵抗能力。完全潮濕條件下尾氣處理1h后，OGFC 混合料試件抗滑性能衰減幅度比其余兩種混合料低29%以上。

（2）在相對干燥和完全潮濕條件下，尾氣處理時間的增長都會導(dǎo)致瀝青混合料摩擦系數(shù)線性下降，完全潮濕條件導(dǎo)致的試件摩擦系數(shù)下降在路面干燥后恢復(fù)效果能夠達(dá)到78%及以上，而尾氣處理導(dǎo)致的試件摩擦系數(shù)下降難以自然恢復(fù)，并且隨著處理時間的增長會出現(xiàn)累積效應(yīng)，循環(huán)處理4 次后靜置恢復(fù)的作用效果不足18%。

（3）水分子主要分布于各尾氣分子0～5? 范圍內(nèi)填充尾氣分子間空隙，通過自身較強的極性吸引尾氣分子并與之構(gòu)成穩(wěn)定整體，進而借助其與瀝青分子間強靜電相互作用有效促進尾氣分子吸附在瀝青分子表面。

（4）上述研究結(jié)論均為在僅考慮濕度、尾氣作用條件下獲得，無法完全表征實際瀝青路面所處環(huán)境條件，因此后續(xù)將針對復(fù)雜環(huán)境條件下瀝青路面抗滑性能的衰減規(guī)律進行深入研究。

作者貢獻(xiàn)聲明：

吳建濤：負(fù)責(zé)論文的整體思路與試驗研究方法的指導(dǎo)，以及論文的審核。

馬鑫源：負(fù)責(zé)部分試驗方案的制訂與實施，數(shù)據(jù)處理，論文的撰寫與修改。

曹云剛：負(fù)責(zé)指導(dǎo)試驗方案的制定以及論文的審核。

曹鵬飛：負(fù)責(zé)指導(dǎo)論文的撰寫和修改。

陳?。贺?fù)責(zé)指導(dǎo)試驗結(jié)果分析以及論文修改。

陳捷：負(fù)責(zé)實驗設(shè)計和實施，參與數(shù)據(jù)處理。