施工溫度對(duì)SMA-13瀝青路面抗滑性能的影響

曾雙強(qiáng)

（廣州新粵交通技術(shù)有限公司，廣東廣州 510663）

1 工程概況

廣東省內(nèi)高速公路自然區(qū)劃多屬于東南濕熱區(qū)，氣候溫度較高，周期溫度變化較大，省內(nèi)公路的太陽輻射總量大于4 300MJ/m2，6～8月氣候溫度最高，達(dá)到了33℃以上，年平均氣溫大于20℃。本文以新建仁博高速公路銜接線BK300+000—BK305+200為實(shí)驗(yàn)路段進(jìn)行溫度對(duì)路面摩擦性能的分析，該公路路段車流量較多，且路線分布跨越了較多的山地丘陵，地質(zhì)、地形、水文環(huán)境較為復(fù)雜，道路設(shè)計(jì)寬度為33m，設(shè)計(jì)速度為80km/h，雙向四車道，路基設(shè)計(jì)平均高度為5m，路基填筑材料為軟土，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取SMA—13瀝青瑪蹄脂碎石混合料，級(jí)配中粗集料含量較多，細(xì)集料比例占據(jù)較少，且礦粉摻入量較多，油量高，摻入適量纖維來優(yōu)化整體強(qiáng)度，混合料結(jié)構(gòu)為骨架密實(shí)型。經(jīng)過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，公路銜接線超車道存在數(shù)量較多的車轍、縱橫向裂縫、車輛劃痕等病害，且夏季病害數(shù)量呈不斷增多的趨勢，路段交通事故數(shù)量較多，項(xiàng)目以BK300+000—BK305+200左幅主1、主2車道為摩擦性能研究對(duì)象，開展實(shí)驗(yàn)室原材料級(jí)配設(shè)計(jì)及瀝青混凝土試件摩擦性能分析。

2 原材料級(jí)配設(shè)計(jì)

2.1 集料特性

2.1.1 礦物特性

瀝青混合料主要由85%以上比例的集料構(gòu)成，集料的理化性質(zhì)對(duì)于瀝青混合料的整體使用性能具有重要影響，集料的礦物性質(zhì)由其內(nèi)部的礦物成分所決定，不同礦物成分表現(xiàn)出的集料特性差異極大。開展瀝青混合料性能分析需要對(duì)集料礦物含量及成分進(jìn)行分析，本文路段采取瀝青混合料安山巖集料作為路面原材料，實(shí)驗(yàn)室利用XRF（X射線熒光光譜分析）結(jié)合XRD（X射線粉末衍射儀）技術(shù)對(duì)集料的礦物成分進(jìn)行測定，如表1所示。

表1 集料成分

2.1.2 力學(xué)特性

所用集料的力學(xué)性能需要滿足瀝青路面的使用要求，且達(dá)到一定的技術(shù)指標(biāo)?；旌狭现写旨系牧W(xué)性質(zhì)主要為壓碎值、洛杉磯磨耗值，為達(dá)到路面抗滑性能指標(biāo)要求，路面集料的力學(xué)性質(zhì)還包括磨光值、沖擊值、道瑞磨耗值。其中，粗集料壓碎值主要是對(duì)基層及瀝青混凝土面層集料的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，壓碎值以碎屑?jí)核橘|(zhì)量占總質(zhì)量的百分比來表征；磨耗值則主要是對(duì)瀝青混凝土面層承受行駛車輛沖擊及磨損的能力的評(píng)價(jià)，磨耗值越大，則集料具備較大的耐磨損性能；磨光值則對(duì)表層集料的抗滑能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，車輛長期行駛造成表層集料的不斷磨光，磨光值的計(jì)算需要采取磨光設(shè)備進(jìn)行輪胎磨光的模擬，并且添加磨光介質(zhì)，以摩擦系數(shù)來表征。依據(jù)集料技術(shù)實(shí)驗(yàn)規(guī)范開展集料磨光值、壓碎值、磨耗值的實(shí)驗(yàn)計(jì)算，獲取如表2所示結(jié)果。

表2 集料力學(xué)指標(biāo)

2.2 其他材料性質(zhì)

本文制備的瀝青混合料采取SBS改性瀝青，該類型瀝青具備較多的應(yīng)用優(yōu)勢，尤其在低溫和高溫差距較大的區(qū)域具備優(yōu)秀的路面使用性能，其抗高低溫水平優(yōu)于其他瀝青材料。對(duì)于超重載車輛路段，改性瀝青能夠有效避免車轍病害，且改性瀝青混凝土路面具備較強(qiáng)的黏結(jié)性能，水穩(wěn)性較好，整體路面具備較高的承載強(qiáng)度、抗滑水平、抗外界環(huán)境老化能力；混合料中礦粉的摻入則能夠有效提升混合料的密實(shí)度、承載強(qiáng)度，混合料的流動(dòng)性和礦粉的比表面積、質(zhì)量密切相關(guān)，細(xì)度較小的礦粉能夠優(yōu)化瀝青黏度；混合料摻入纖維則能夠有效提升混合料強(qiáng)度，保持混合料的整體性，避免產(chǎn)生瀝青滴漏情況[1]。

2.3 瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

本文采取的級(jí)配類型為SMA—13，該級(jí)配類型屬于間斷級(jí)配，層檔間斷，SMA混合料內(nèi)部摩阻力、黏聚力較高，具備良好的使用耐久性，一般比普通瀝青混凝土路面的使用周期要長30%以上，且在低溫下具備抗開裂，高溫下抗車轍特點(diǎn)，路面抗滑性和耐疲勞性良好。但是在施工前期，SMA級(jí)配混合料的使用量要比普通瀝青混凝土多25%左右。在交叉路口、高速路口、橋梁路面鋪裝等車輛通行密集處，SMA級(jí)配混合料得到了大量應(yīng)用。本文SMA—13采取級(jí)配中值，通過百分率如表3所示。

表3 SMA—13級(jí)配通過率

3 設(shè)備簡介

3.1 可控溫輪式磨光機(jī)

根據(jù)SMA—13級(jí)配混合料不同施工溫度下的抗滑性能，實(shí)驗(yàn)研究采取可控溫輪式加速磨光機(jī)設(shè)備，由控溫系統(tǒng)及磨光系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。其中輪式加速磨光機(jī)由磨光機(jī)、控制臺(tái)組成，控制臺(tái)包含旋轉(zhuǎn)鈕、儀表盤，旋轉(zhuǎn)鈕能夠?qū)崿F(xiàn)砂流量的控制、粗細(xì)砂的選取、輪胎旋轉(zhuǎn)及小車行進(jìn)速度的調(diào)控；儀表盤則具備計(jì)數(shù)顯現(xiàn)、壓力顯現(xiàn)、時(shí)間顯現(xiàn)的功能，且混合料磨光次數(shù)及磨光時(shí)間可以通過關(guān)聯(lián)紅外計(jì)數(shù)設(shè)備控制處理。為有效縮短混合料的磨光時(shí)間，技術(shù)人員可以在磨光階段進(jìn)行介質(zhì)的添加，磨光介質(zhì)添加設(shè)備需要和儀器外部旋轉(zhuǎn)按鈕銜接，以便對(duì)介質(zhì)添加的流速進(jìn)行把控。本工程儀器中設(shè)置了兩個(gè)裝置，分別添加細(xì)砂、粗砂，并且輔助噴水裝置，以流量計(jì)調(diào)節(jié)灑水?dāng)?shù)量，實(shí)現(xiàn)輪胎降溫效果及降雨情況下的混合料磨光模擬。在經(jīng)過設(shè)備磨光一段時(shí)間之后，需要取出混合料，清除表面雜質(zhì)，采取擺式摩擦儀、激光紋理構(gòu)造設(shè)備對(duì)混合料的摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度進(jìn)行有效測定。

控溫系統(tǒng)則需要先打開總開關(guān)，在控制面板上設(shè)定預(yù)期溫度，經(jīng)過3～4h的運(yùn)行后需要將溫度調(diào)整為設(shè)定溫度，溫度控制表頭能夠顯示出箱內(nèi)實(shí)際溫度，可以通過控制面板的設(shè)定按鈕進(jìn)行必要調(diào)控，如果設(shè)定溫度大于箱內(nèi)實(shí)際溫度，則需要將控溫模式調(diào)整為升溫；設(shè)定溫度小于箱內(nèi)溫度時(shí)，則要調(diào)整為降溫。在降溫過程中需要將關(guān)聯(lián)制冷機(jī)打開，提升降溫效率[2]。

3.2 瀝青混合料摩擦特性檢測設(shè)備

實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)的測定則需要采取擺式摩擦儀，擺式摩擦儀操作簡單，室內(nèi)外能夠靈活使用，調(diào)試方便，對(duì)交通運(yùn)行要求較低，被廣泛應(yīng)用于多工況摩擦性能評(píng)價(jià)中。瀝青混合料試件表面構(gòu)造深度的測定則采取激光紋理儀，鋪砂法是相對(duì)傳統(tǒng)的瀝青混凝土路面構(gòu)造深度測定技術(shù)，可分為電動(dòng)鋪砂法、手動(dòng)鋪砂法，極容易由于人工誤差造成構(gòu)造深度測定不準(zhǔn)確。激光紋理儀測量誤差較小，其主要由激光探頭軌道艙、升降檢測平臺(tái)兩部分組成[2]。

4 溫度對(duì)抗滑性能影響分析

4.1 抗滑擺值、溫度關(guān)系

實(shí)驗(yàn)考慮不同磨光階段、不同施工溫度環(huán)境下SMA—13級(jí)配瀝青混合料抗滑性能表現(xiàn)，以便分析抗滑擺值、溫度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)選取集料為安山巖石料，其礦物成分及力學(xué)特性如表1、2所示，實(shí)驗(yàn)選取黏結(jié)料為SBS改性瀝青。

4.1.1 磨光初期擺值、溫度關(guān)系

在瀝青混合料磨光初始階段，開展不同溫度情況下的混合料擺值測定，混合料擺值、溫度之間的關(guān)系，如表4所示。根據(jù)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，最終得到溫度修正數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表5所示。由表5數(shù)據(jù)結(jié)果可知，隨著測試溫度和基準(zhǔn)溫度差距的不斷提升，擺值溫度修正值逐漸增大，溫度敏感性差異較大，且在溫度在控制溫度20℃左右呈正負(fù)對(duì)稱關(guān)系。

4.1.2 磨光穩(wěn)定期擺值、溫度關(guān)系

SMA—13瀝青混合料通過輪式磨光機(jī)3～4h穩(wěn)定磨光之后，擺值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)開展不同溫度情況下的瀝青混合料擺值測定，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表6所示，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合得到溫度修正數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表4 磨光初期擺值、溫度關(guān)系

表5 磨光初期擺值溫度修正數(shù)據(jù)

表6 磨光穩(wěn)定期擺值、溫度關(guān)系

表7 磨光初期擺值溫度修正數(shù)據(jù)

相對(duì)于磨光初期，磨光穩(wěn)定期的溫度修正數(shù)據(jù)要偏小，表明磨光穩(wěn)定器SMA—13瀝青混合料的溫度敏感性相較于磨光初期要小，主要?dú)w因于磨光初期瀝青混合料表面膜厚度較大，造成擺值的變化幅度較大；瀝青混合料經(jīng)過3～4h的磨光處理后，混合料表面膜被磨光耗盡，整體對(duì)溫度敏感性降低。

4.2 黏附、遲滯分量和溫度變化關(guān)系

考慮到瀝青路面和輪胎橡膠都是由黏彈性材料構(gòu)成，溫度對(duì)該材料的阻尼、彈性特性具備較大影響，路面、橡膠輪胎之間的摩擦系數(shù)受溫度影響程度較大，摩擦系數(shù)為黏附分量、遲滯分量的數(shù)值相加，本文將摩擦系數(shù)分為遲滯分量、黏附分量兩個(gè)部分。黏附分量主要是輪胎和路面集料之間接觸所產(chǎn)生的切向力，黏附分量受到路面微觀結(jié)構(gòu)、車輛滑動(dòng)速度、接觸位置水黏度的影響；遲滯分量則主要是車輛輪胎行駛造成的變形能量損失，受到路面表觀紋理構(gòu)造、路面密度的影響。遲滯分量容易測定，本文主要對(duì)遲滯分量進(jìn)行分析[3]。為有效獲取遲滯分量、黏附分量的數(shù)據(jù)，本文在進(jìn)行擺值測定時(shí)采取潤滑液介質(zhì)來消除黏附分量的影響，此時(shí)可以獲取單一遲滯分量，繼而通過總摩擦系數(shù)的比較來獲取黏附分量。室內(nèi)SMA—13級(jí)配混合料車轍試件在不同溫度情況下的遲滯分量、黏附分量變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 摩擦系數(shù)、遲滯分量和黏附分量和溫度變化情況

由圖1結(jié)果可知，遲滯分量和摩擦系數(shù)整體隨著溫度的增大而下降，黏附分量隨著溫度的提升而有微小的增加，SMA混合料中遲滯分量占據(jù)了摩擦系數(shù)中的較大比例，且變化趨勢和摩擦系數(shù)保持一致，表現(xiàn)出良好的關(guān)聯(lián)性；黏附分量整體分布較為平緩。不同溫度下黏附分量、遲滯分量占摩擦系數(shù)比例關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同摩擦分量占比關(guān)系

圖2結(jié)果表明，SMA—13混合料中黏附分量占比始終小于遲滯分量，遲滯分量占比達(dá)到了70%～85%，且隨著溫度的提升，遲滯分量占比逐漸減小，減小幅度在15℃～30℃較為明顯，達(dá)到了10%左右，減小速率為0.7BPN/℃，在30℃之后，遲滯分量減小較為平緩；黏附分量在5℃～15℃控制在8BPN，在15℃以上時(shí)則呈現(xiàn)較大的提升，保持在12BPN。遲滯分量代表了輪胎變形能量損失，隨溫度的提升，瀝青和輪胎橡膠的剛度會(huì)降低，輪胎變形量隨著溫度提升而不斷減小，遲滯分量則會(huì)適當(dāng)降低；且遲滯分量整體上受到宏觀構(gòu)造深度的限制，該級(jí)配混合料的遲滯分量較大，級(jí)配較大的空隙率導(dǎo)致溫度影響程度減小，所以遲滯分量減小速度偏小。SMA—13級(jí)配構(gòu)造深度較大，遲滯分量是高低溫情況下摩擦系數(shù)的主要構(gòu)成[4]。

5 結(jié)語

瀝青路面是當(dāng)前常見的高速公路路面結(jié)構(gòu)形式，其表層抗滑性能決定了行車穩(wěn)定安全，抗滑性能欠缺的路面極容易導(dǎo)致車輛難以在短時(shí)間內(nèi)有效制動(dòng)，造成滑動(dòng)距離的擴(kuò)大，引起交通安全事故。因此，開展溫度對(duì)瀝青路面的抗滑性能影響研究極其有必要，其影響與路面宏觀構(gòu)造深度關(guān)聯(lián)較大，溫度的提升會(huì)造成混合料遲滯分量、摩擦系數(shù)的降低，遲滯分量相對(duì)于黏附分量對(duì)抗滑性能的影響較為明顯。施工單位需要從降低路面遲滯分量來開展施工技術(shù)的優(yōu)化，確保路面使用性能。