高抗滑路表磨光行為與關(guān)鍵性能評價研究*

杜杰貴，陳先華，何嘉晨

(1.昭通市宜昭高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 昭通 657000； 2.東南大學(xué)，江蘇 南京 211189；3.上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海 200434)

0 引言

路表抗滑能力對行車安全的影響較大，尤其是對于駕駛員需頻繁剎車減速的路段，該類路段雖在整個道路網(wǎng)中的占比較小，但在其上發(fā)生交通事故的占比較高。據(jù)報道，25%以上的交通事故是由路面濕滑導(dǎo)致的，因路面磨光等原因引起的抗滑能力不足是造成道路交通事故最直接的原因之一[1-3]。在此背景下，高抗滑路表處理技術(shù)應(yīng)運而生。采用該技術(shù)時，首先將高耐磨碎石料通過樹脂類黏結(jié)劑固定在路表，通過增加路表宏、微觀粗糙度和摩擦系數(shù)，提高路表抗滑能力。高抗滑路表處理技術(shù)起源于歐洲，作為當(dāng)時的新興技術(shù)，美國將其應(yīng)用于公路工程中。根據(jù)美國的工程實踐，高抗滑路表處理技術(shù)可顯著提高路表抗滑性能，降低行車事故率[1]。當(dāng)前，隨著我國公路交通設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，研究并推廣高抗滑路表處理技術(shù)的應(yīng)用對提高公路交通安全具有重要意義。

已有研究成果與工程實踐表明，抗滑路表服役期間可能會出現(xiàn)脫層、滑移、松散或過度磨光等結(jié)構(gòu)性與功能性病害[4-7]。脫層與滑移主要是由抗滑層與原路表之間黏結(jié)失效導(dǎo)致的強度不足引起的。松散主要是由集料與膠凝材料界面黏附失效及黏結(jié)劑老化等因素導(dǎo)致的。過度磨光主要是由凸起的粗顆粒集料耐磨性差導(dǎo)致的，集料顆粒剝落也是影響因素之一。因此，提高抗滑層關(guān)鍵性能(如抗滑性能、耐久性能)是需關(guān)注的重點。

本文針對我國高等級公路面層多采用AC-13型瀝青混凝土的實際情況，參考已有研究成果[8-11]，在室內(nèi)設(shè)計縮尺加速磨光與老化試驗等，研究高抗滑路表抗滑性能與磨光行為，并與未鋪設(shè)抗滑薄層的普通AC-13型瀝青混合料路表進行對比，同時通過拉拔試驗評估高抗滑路表處理層與密級配瀝青混凝土的黏結(jié)性能，以期為高抗滑路表的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料

1.1.1膠凝材料

高抗滑路表試件膠凝材料由環(huán)氧樹脂及固化劑與70號基質(zhì)瀝青復(fù)配而成，普通路表試件膠凝材料由高黏改性劑與70號基質(zhì)瀝青復(fù)配而成。基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)與技術(shù)要求如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)與技術(shù)要求

1.1.2集料

集料由優(yōu)質(zhì)玄武巖經(jīng)反擊破碎加工而成，其中細(xì)集料包括粒徑0～3，3～5mm碎石，粗集料包括粒徑5～10，10～15mm碎石。集料基本性能與技術(shù)要求如表2所示。

表2 集料基本性能與技術(shù)要求

1.2 試驗方案

1.2.1磨光行為評估

對試件磨光行為進行評估，具體流程如下：①采集試件表面的紋理，并測試初始構(gòu)造深度、摩擦擺值、動摩擦系數(shù)等指標(biāo)，取3次測試值的平均值作為代表值；②采用自主設(shè)計加工的三輪加速磨光儀對試件進行加速磨光試驗，待磨光至預(yù)定時間后測試試件磨光表面的摩擦擺值和動摩擦系數(shù)，分別在試驗進行0.5，1，2，3，4，6，8，10，12h時測試，測試過程中同步記錄試驗溫度，以對結(jié)果進行修正；③待所有指標(biāo)采集完成后，對試件進行新一輪磨光。磨光前、后試件表面情況如圖1所示。

圖1 試件表面情況

1.2.2老化影響評估

在瀝青路面使用過程中，瀝青混合料老化現(xiàn)象不斷發(fā)生。對于高抗滑路表，膠凝材料的老化可能導(dǎo)致混合料發(fā)生松散、剝落等病害，從而影響混合料抗滑性能。因此，評估混合料老化對抗滑性能的影響較重要。本文采用延時供箱加熱的方式模擬瀝青混合料短、長期老化情況，即將成型較好的瀝青混合料試件置于85℃的鼓風(fēng)烘箱中，分別老化2，5，8d，模擬實際情況，然后采用動摩擦系數(shù)儀對試件抗滑性能進行測試，評估老化對試件抗滑性能的影響。

1.2.3層間黏結(jié)性能評估

采用拉拔試驗評價高抗滑路表與瀝青混合料基面的界面黏結(jié)強度。拉拔試驗對溫度的敏感性較大，確定溫度時應(yīng)考慮路面大部分時間所處的溫度區(qū)間，本研究以25℃為參考溫度?？紤]到單個試驗的精確性，采用平行試驗，每次試驗以3個試樣為1組。拉拔試驗裝置如圖2所示。

圖2 拉拔試驗裝置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 磨光過程中試件抗滑性能變化規(guī)律

2.1.1動摩擦系數(shù)

不同速度及磨光時間下高抗滑路表和普通路表試件動摩擦系數(shù)變化情況如圖3所示。由圖3可知，2種路表試件的動摩擦系數(shù)均隨著速度的增加呈波動式減小趨勢，逐漸趨于穩(wěn)定，在速度<40km/h的中低速域，動摩擦系數(shù)存在一定波動；不同磨光過程中，高抗滑路表試件動摩擦系數(shù)基本高于普通路表試件，這表明高抗滑路表不僅具有較好的初始抗滑性能，且具有優(yōu)良的抗磨光能力，在服役期間可為高速行車提供更安全的服務(wù)。

圖3 試件動摩擦系數(shù)變化曲線

2.1.2構(gòu)造深度與摩擦擺值

2種路表試件表面構(gòu)造深度和潮濕狀態(tài)摩擦擺值在磨光過程中的變化情況如圖4所示。由圖4可知，隨著磨光的進行，2種路表試件構(gòu)造深度與摩擦擺值均呈先迅速衰減后緩慢趨于穩(wěn)定的趨勢；普通路表構(gòu)造深度與摩擦擺值均在磨光3h左右進入穩(wěn)態(tài)；高抗滑路表構(gòu)造深度與摩擦擺值均在磨光6h左右進入穩(wěn)態(tài)，且進入穩(wěn)態(tài)后的摩擦擺值與普通路表相當(dāng)，這表明高抗滑路表抗早期磨光能力優(yōu)于普通路表，且在服役期間可維持較好的宏觀紋理構(gòu)造；在磨光過程中，高抗滑路表構(gòu)造深度與摩擦擺值均高于普通路表，進入穩(wěn)態(tài)時間均晚于普通路表。

圖4 試件構(gòu)造深度與摩擦擺值變化曲線

2.1.3抗滑性能衰減擬合分析

考慮到國際摩阻指數(shù)中以60km/h作為標(biāo)準(zhǔn)速度，本文選取不同磨光過程中速度為60km/h的動摩擦系數(shù)、宏觀構(gòu)造深度與摩擦擺值作為指標(biāo)進行擬合分析，擬合關(guān)系式為y=AeBx+C，結(jié)果如表3所示。由表3可知，y=AeBx+C指數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)較高。

表3 抗滑性能衰減擬合分析結(jié)果

對于高抗滑路表，因混合料中存在較強的粗顆粒骨架，而固化后的環(huán)氧樹脂改性瀝青力學(xué)性能與耐磨耗性能均優(yōu)于熱塑性改性瀝青，在磨光作用下，宏觀紋理構(gòu)造得以較好地保持，因此，在有一定水膜厚度的摩擦系數(shù)測試中，其動摩擦系數(shù)相對較高。

2.2 老化對路表動摩擦系數(shù)的影響

老化過程中2種路表試件動摩擦系數(shù)變化曲線如圖5所示。由圖5可知，老化對2種路表試件動摩擦系數(shù)的影響較大，隨著老化時間的增加，2種路表試件動摩擦系數(shù)差異逐漸縮小，但總體上高抗滑路表試件動摩擦系數(shù)大于普通路表試件；不同老化時間下，低速域下2種路表試件動摩擦系數(shù)衰減幅度相對較大。結(jié)合國內(nèi)外工程實踐[6-11]，高抗滑路表抗滑性能預(yù)計可保持6年以上，之后的抗滑性能與普通路表差別較小。

圖5 老化對路表動摩擦系數(shù)的影響

2.3 高抗滑路表與混合料基面的層間黏結(jié)性能

對高抗滑路表與混合料基面的層間黏結(jié)性能進行測試，結(jié)果表明，高抗滑路表抗拉強度平均值為3.5MPa，最小值為3.3MPa，高于普通路表抗拉強度。從試件破壞形態(tài)來看，大部分?jǐn)嗔寻l(fā)生在普通路表瀝青混合料基面，小部分?jǐn)嗔寻l(fā)生在高抗滑路表層間黏結(jié)界面或高抗滑混合料淺表層。由此可知，高抗滑路表與混合料基面的層間黏結(jié)性能較好，服役期間不易發(fā)生滑移與脫層等層間黏結(jié)失效的破壞現(xiàn)象。

3 結(jié)語

本文采用室內(nèi)加速磨光和模擬老化試驗，對高抗滑路表與普通路表磨光行為進行對比分析，并評估高抗滑路表與混合料基面的層間黏結(jié)性能，得到以下結(jié)論。

1)高抗滑路表抗早期磨光能力優(yōu)于普通路表，在磨光過程中，始終維持較好的宏觀紋理構(gòu)造、摩擦擺值和動摩擦系數(shù)，且抗滑性能衰變進入穩(wěn)態(tài)時間較晚。

2)高抗滑路表在老化過程中的抗滑性能優(yōu)于普通路表，但低速域衰減速度較大。

3)高抗滑路表具有較高的抗拉強度，與混合料基面黏結(jié)牢固，服役期間不易發(fā)生滑移與脫層等層間黏結(jié)失效的破壞現(xiàn)象。