鋼橋面改性瀝青SMA10抗滑性能及衰變規(guī)律研究

王 民, 肖 麗, 王明明, 李開(kāi)一, 韋宏年

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067; 2.重慶交通大學(xué), 重慶 400074)

抗滑性能是瀝青磨耗層性能設(shè)計(jì)與安全性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[1-2]。隨著通車運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng),瀝青磨耗層抗滑性能會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減,特別是鋼橋面瀝青磨耗層,通常采用SMA10等細(xì)粒式類型混合料,混合料粒徑小、油膜厚,路表初始構(gòu)造弱,整體抗滑能力有限,加之運(yùn)營(yíng)條件苛刻,且養(yǎng)護(hù)修復(fù)成本極高,導(dǎo)致行車安全隱患更大[3-5]。

從上世紀(jì)20年代末,英國(guó)開(kāi)始對(duì)路面抗滑性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)交通事故率與路面構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)存在一定關(guān)系[6]。Akbari Ali等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水浴與溫度等不同加熱方式下抗滑性能變化規(guī)律進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗滑性能與表面溫度負(fù)相關(guān),而加熱方式對(duì)其變化影響不顯著。Wang Hui等[8]將路面拋光結(jié)果與集料級(jí)配特征曲線及現(xiàn)場(chǎng)交通量相結(jié)合,采用非線性冪函數(shù)建立了瀝青路面抗滑性能預(yù)測(cè)模型。Kane Malal等[9]對(duì)瀝青路面全生命周期內(nèi)抗滑性能預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究,提出在動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)模型中增加一個(gè)系數(shù)或權(quán)重因子。

20世紀(jì)后期,我國(guó)開(kāi)始對(duì)路面抗滑性能進(jìn)行研究,譚巍[10]基于集料/瀝青混合料摩擦特性測(cè)試儀,分析得到集料互摻的壓碎值、磨耗值及磨光值與互摻比例之間均存在較好的線性相關(guān)性。龍承梁等[11]利用室內(nèi)小型加速加載設(shè)備對(duì)3種不同集料、不同級(jí)配的瀝青路面抗滑性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明集料類型顯著影響瀝青路面的抗滑性能及衰變趨勢(shì),級(jí)配對(duì)構(gòu)造深度的初值和終值均有較明顯影響。劉連國(guó)[12]基于自研的板式磨耗儀,分析了集料特性、級(jí)配對(duì)混合料抗滑性能的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)粗集料磨光值為影響瀝青混合料抗滑耐久性的主要因素。黃偉[13]將溫度與濕度作為影響因素,對(duì)超薄磨耗層進(jìn)行了構(gòu)造深度試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)溫度、濕度均對(duì)構(gòu)造深度影響較大,其中溫度影響尤為明顯。楊振[14]從材料角度出發(fā),基于大量室內(nèi)試驗(yàn)分析抗滑性能演變規(guī)律,提出基于混合料材料性能的路面抗滑性能使用壽命預(yù)測(cè)模型。

綜上所述,目前對(duì)瀝青路面抗滑性能檢測(cè)方法及預(yù)測(cè)等研究較多,對(duì)細(xì)粒式的改性瀝青SMA或鋼橋面鋪裝磨耗層材料的相關(guān)研究極少。為此,本文基于改性瀝青SMA10開(kāi)展多因素條件下不同抗滑指標(biāo)衰變規(guī)律研究,對(duì)認(rèn)清鋼橋面瀝青鋪裝磨耗層的抗滑耐久性及養(yǎng)護(hù)決策具有重要意義。

1 原材料及混合料

1.1 原材料

SMA10結(jié)合料采用鋼橋面鋪裝常用的高彈改性瀝青,其技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1;粗、細(xì)集料選取峨眉玄武巖碎石,礦粉采用石灰?guī)r礦粉,均滿足現(xiàn)行《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3364-02—2019)的相關(guān)要求。

表1 高彈改性瀝青主要性能指標(biāo)

1.2 改性瀝青SMA10

根據(jù)現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004),采用馬歇爾體積設(shè)計(jì)法進(jìn)行改性瀝青SMA10配合比設(shè)計(jì),最佳油石比為6.3%,纖維用量為混合料總質(zhì)量的0.3%,改性瀝青SMA10性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 改性瀝青SMA10性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方法

為了實(shí)現(xiàn)瀝青混合料加速磨耗,在調(diào)研基礎(chǔ)上選用招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司研發(fā)的“集料/瀝青混合料摩擦特性測(cè)試儀”,進(jìn)行混合料加速加載磨耗試驗(yàn)[15],利用該設(shè)備及擺式摩擦儀測(cè)定摩擦系數(shù),采用鋪砂法及數(shù)字圖像技術(shù)采集表面紋理構(gòu)造參數(shù)。

1) 摩擦系數(shù)

采用動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)與擺值評(píng)價(jià)摩擦系數(shù)。集料/瀝青混合料摩擦特性測(cè)試儀在加速磨耗過(guò)程中,可全過(guò)程記錄瀝青混合料試件在加速加載磨耗全過(guò)程中對(duì)磨具施加的正壓力及水平拉力,進(jìn)而計(jì)算動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ。采用擺式摩擦儀測(cè)試擺值,擺值BPN越大,路面的摩擦系數(shù)越大。

2) 表觀紋理特征

選用路面構(gòu)造深度MTD和斷面平均構(gòu)造深度MPD兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)表觀紋理特征。采用鋪砂法測(cè)量路面構(gòu)造深度MTD,考慮加速磨耗試驗(yàn)中試件尺寸較小,基于相同原理,采用改進(jìn)的矩形鋪砂法對(duì)構(gòu)造深度MTD進(jìn)行測(cè)定。同時(shí),采用激光掃描儀采集試件表面紋理構(gòu)造信息,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到斷面平均構(gòu)造深度MPD。

2.2 試驗(yàn)方案

采用改性瀝青SMA10,成型車轍標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件,切割制作成為300 mm×150 mm×50 mm的長(zhǎng)方體,供測(cè)試使用。

結(jié)合瀝青路面抗滑性能影響因素,考慮溫度條件與荷載水平2個(gè)主要因素,溫度依次取10 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃,荷載依次取50 kgf、75 kgf、100 kgf、150 kgf。

加速加載磨耗試驗(yàn)過(guò)程:1) 對(duì)試件進(jìn)行預(yù)磨1 h,荷重10 kgf,加載頻率(20±1)次/min。預(yù)磨是利用小荷載、短時(shí)間下的磨耗消除試件成型或其它人為因素對(duì)抗滑耐磨性能測(cè)試結(jié)果的影響,不計(jì)入正式測(cè)試中;2) 正式磨耗加載頻率(30±1)次/min,以1 h為周期,暫停試驗(yàn)進(jìn)行抗滑性能指標(biāo)采集,總時(shí)長(zhǎng)為4 h。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

在荷載為100 kgf、不同溫度下,改性瀝青SMA10試件加速加載磨耗過(guò)程中的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ、擺值BPN、構(gòu)造深度MTD及斷面平均構(gòu)造深度MPD結(jié)果見(jiàn)表3。

在溫度為25 ℃、不同荷載下,試件加速加載磨耗過(guò)程中的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ、擺值BPN、構(gòu)造深度MTD及斷面平均構(gòu)造深度MPD結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 不同溫度條件下抗滑指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表4 不同荷載條件下抗滑指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 Asymptotic分析模型

目前,瀝青路面抗滑性能模型主要分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、力學(xué)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)估模型3大類。綜合考慮不同模型的有優(yōu)缺點(diǎn)[16],本文選取Asymptotic模型對(duì)鋼橋面瀝青磨耗層抗滑性能的衰變過(guò)程進(jìn)行擬合分析,見(jiàn)式(1)。

Y=AeBx+C

(1)

在該模型中,抗滑性能初值是指鋼橋面瀝青磨耗層在完成鋪筑時(shí)路表所具有的抗滑能力,在室內(nèi)試驗(yàn)中則是指試件板成型完成后所具有的抗滑性能;終值是指磨耗層經(jīng)過(guò)車輛荷載反復(fù)作用后,其抗滑指標(biāo)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值,室內(nèi)試驗(yàn)則是在磨耗4 h后試件表面所具有的抗滑性能;衰減速率是判斷磨耗層在使用過(guò)程中抗滑性能衰減快慢的一個(gè)指標(biāo);衰減幅度是描述磨耗試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)抗滑性能的差值與抗滑性能初值的比值。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

1) 數(shù)據(jù)歸一化處理方法

受拌和成型等因素影響,SMA10初始表面抗滑性能指標(biāo)均存在一定差異[16],需對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理,將所有數(shù)據(jù)建立于統(tǒng)一的基準(zhǔn)值下,以消除數(shù)據(jù)樣本取值和量綱差異之間的影響,更加直觀地表征抗滑性能的衰變規(guī)律。

采用最大值歸一化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,該方法是將數(shù)據(jù)調(diào)整到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)形式,即將每組數(shù)據(jù)中最大值除該組其它數(shù)據(jù),可將組內(nèi)最大值定義為1,其余均小于1,轉(zhuǎn)化函數(shù)如式(2)所示。

(2)

式中:X為原始數(shù)據(jù);max為數(shù)據(jù)的最大值。

2) 衰變速率計(jì)算方法

改性瀝青SMA10試件在試驗(yàn)荷載100 kgf、溫度25 ℃條件下,加速加載磨耗試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ-磨耗次數(shù)變化曲線見(jiàn)圖1。為準(zhǔn)確確定2階段衰變曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn),首先對(duì)曲線方程函數(shù)求導(dǎo),導(dǎo)數(shù)值越大,抗滑性能壽命衰減速率越快,相反,抗滑性能壽命衰減速率變慢。在作用次數(shù)范圍內(nèi),以導(dǎo)數(shù)值的極大值、極小值點(diǎn)繪制切線L1、切線L2,2條切線的交點(diǎn)N*可作為衰變速率的拐點(diǎn),即路面抗滑性能由快速衰變(第1階段)向穩(wěn)定衰變階段(第2階段)轉(zhuǎn)變的節(jié)點(diǎn)。

圖1 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)-磨耗次數(shù)變化曲線

在確定衰變速率的拐點(diǎn)N*后,以磨耗次數(shù)100次為間隔,求取每個(gè)點(diǎn)的衰減速率(導(dǎo)數(shù)值),繪制衰減速率圖。為了準(zhǔn)確選取可表征2階段的衰變速率的代表值,第1階段計(jì)算衰減速率時(shí)取磨耗(0～N*)×50%次的曲線斜率平均值;第2階段取(7 200-N*)×50%～7 200次的區(qū)間斜率平均值。

3.3 溫度影響分析

1) 衰變規(guī)律分析

基于Asymptotic模型,對(duì)不同溫度條件下的不同抗滑性能指標(biāo)-磨耗次數(shù)進(jìn)行擬合,見(jiàn)圖2,其相關(guān)性R2均大于0.95。

從圖2可知:

(1) 隨著磨耗次數(shù)的增多,不同溫度條件下的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ、擺值BPN、構(gòu)造深度MTD及斷面平均構(gòu)造深度MPD均呈先快速下降、后緩慢降低2階段,這滿足抗滑性能衰減的大趨勢(shì)。說(shuō)明在磨耗過(guò)程中,不同溫度條件下試件抗滑性能衰減速率均呈先快后慢的規(guī)律。

(a) 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ

(b) 擺值BPN

(c) 構(gòu)造深度MTD

(d) 斷面平均構(gòu)造深度MPD

(2) 隨著溫度的增加,瀝青軟化,具有一定的界面潤(rùn)滑功能,摩擦系數(shù)降低,溫度較低時(shí),受其影響較小。對(duì)于4項(xiàng)抗滑性能指標(biāo),歸一化處理后,10 ℃時(shí)摩擦系數(shù)及構(gòu)造深度均最高,降幅最低。

(3) 溫度對(duì)動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ與擺值BPN的影響保持了相同規(guī)律,其中60 ℃的抗滑性能指標(biāo)未依次降低,出現(xiàn)異常,主因是在較高溫度及荷載水平下,加速、加載磨耗過(guò)程中試件表面出現(xiàn)了變形及掉粒,試驗(yàn)過(guò)程中60 ℃掉粒明顯高于其它溫度。40 ℃時(shí)混合料強(qiáng)度較穩(wěn)定,而瀝青膜開(kāi)始軟化,加速、加載磨耗過(guò)程中早期脫落較快,使得后續(xù)整體降幅反而較小。

(4) 構(gòu)造深度MTD與斷面平均構(gòu)造深度MPD在不同溫度條件下的變化規(guī)律一致,由于高溫條件下試件表面掉粒較多,特別是粗骨料的脫落,使得表觀紋理更為粗糙,因而60 ℃時(shí)構(gòu)造深度MTD與斷面平均構(gòu)造深度MPD均高于25 ℃、40 ℃。

針對(duì)數(shù)據(jù)規(guī)律異常情況,進(jìn)行了多次試驗(yàn)驗(yàn)證,均保持了相同的衰變規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn),在高溫對(duì)抗滑性能存在不利影響的情況下,表面掉粒引起構(gòu)造變化,反而提高表面抗滑性能指標(biāo),但這只是對(duì)于加速加載(類似重載車輛急剎車)情況,常規(guī)荷載水平及60 ℃環(huán)境溫度下,SMA路面很少出現(xiàn)掉粒及變形。

2) 衰變速率分析

根據(jù)Asymptotic模型擬合曲線,可將抗滑性能衰變過(guò)程分為2個(gè)階段,分別為快速下降階段及緩慢穩(wěn)定階段。

(1) 確定2階段拐點(diǎn)

對(duì)擬合方程求導(dǎo),以導(dǎo)數(shù)的最小值與最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的作用次數(shù)繪制切線,采用切線交點(diǎn)作為第1、第2階段衰變速率的拐點(diǎn),同理計(jì)算得到各個(gè)曲線的拐點(diǎn)N*,見(jiàn)表5。

表5 不同溫度條件衰變速率拐點(diǎn)次數(shù)

(2) 計(jì)算2階段衰減速率

以100次為間隔點(diǎn),計(jì)算不同溫度條件下的衰減速率,抗滑性能指標(biāo)衰減速率-磨耗次數(shù)關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

確定拐點(diǎn)N*后,以拐點(diǎn)N*為分界點(diǎn),取(0～N*)×50%區(qū)間斜率平均值作為第1階段的衰變速率,取(7 200-N*)×50%～7 200區(qū)間斜率平均值作為第2階段的衰變速率,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

由表5及圖3、圖4可知:

(1) 無(wú)論第1階段還是第2階段,動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ與擺值BPN,構(gòu)造深度MTD與斷面平均構(gòu)造深度MPD,其衰變規(guī)律基本一致。

(a) 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ

(b) 擺值BPN

(c) 構(gòu)造深度MTD

(d) 斷面平均構(gòu)造深度MPD

(a) 第1階段衰減速率

(b) 第2階段衰減速率

(2) 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ與擺值BPN在第1階段中隨溫度的升高,衰變速率上升,但在60 ℃時(shí)出現(xiàn)異常,主因是在高溫及高強(qiáng)荷載條件下,瀝青混合料試件表面出現(xiàn)了變形與掉粒的情況;在第2階段中,衰減速率與溫度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,主因是第1階段中受溫度影響,在磨耗過(guò)程中瀝青膜脫落較快,使得在后續(xù)的磨耗過(guò)程中衰變幅度變小。

(3) 構(gòu)造深度MTD與斷面平均構(gòu)造深度MPD在2階段中衰減速率隨溫度的變化與第1階段相反,第1階段中兩者與溫度成正相關(guān),第2階段中兩者與溫度成負(fù)相關(guān)。但對(duì)2階段衰減速率進(jìn)行累加,衰變速率隨溫度上升而增大,說(shuō)明衰變速率整體隨溫度上升而增快。由于溫度影響顯著,溫度越高,瀝青膜脫落越快,導(dǎo)致前期衰變速率大。相較于溫度較低時(shí),瀝青膜脫落緩慢,在第1階段脫落或損耗有限,第2階段溫度越小、衰變速率越大。

3.4 荷載影響分析

1) 衰變規(guī)律分析

基于Asymptotic模型,對(duì)不同荷載條件下的抗滑性能指標(biāo)-磨耗次數(shù)進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)圖5,其相關(guān)性R2均大于0.95。

由圖5可知:隨著磨耗次數(shù)的增多,不同荷載下的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ、擺值BPN、構(gòu)造深度MTD及斷面平均構(gòu)造深度MPD均呈先快速下降,后緩慢降低2階段,這滿足抗滑性能衰減的大趨勢(shì),也說(shuō)明在磨耗過(guò)程中,在不同荷載水平下的試件抗滑性能衰減速率均呈先快后慢的規(guī)律。

(a) 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ

(b) 擺值BPN

(c) 構(gòu)造深度MTD

(d) 斷面平均構(gòu)造深度MPD

2) 衰變速率分析

采用3.3節(jié)相同方法,根據(jù)Asymptotic模型擬合曲線,將抗滑性能衰變過(guò)程分為快速下降和緩慢穩(wěn)定2個(gè)階段,并確定2階段拐點(diǎn)次數(shù),見(jiàn)表6,繪制抗滑性能指標(biāo)衰變速率-磨耗次數(shù)關(guān)系曲線,見(jiàn)圖6,并以拐點(diǎn)為界限,計(jì)算2階段衰變速率,見(jiàn)圖7。

表6 不同荷載條件衰變速率拐點(diǎn)次數(shù)

由表6及圖6、圖7可知:

(1) 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ與擺值BPN,構(gòu)造深度MTD與斷面平均構(gòu)造深度MPD的衰減速率均隨荷載的變化趨勢(shì)類似,表明基于荷載條件,采用摩擦系數(shù)與路面紋理對(duì)抗滑性能分析一致。

(2) 隨著荷載水平的增大,SMA10抗滑性能指標(biāo)衰變提前到達(dá)拐點(diǎn),進(jìn)入第2階段,其衰變速率在第1階段時(shí),荷載水平越大,衰減速率也越大。

(3) 磨耗過(guò)程進(jìn)入第2階段,衰變速率逐漸減少,與荷載呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,即荷載越大,衰減速率越小。主因是隨著磨耗次數(shù)的增加,磨耗層抗滑性能逐漸到達(dá)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的恒定值,只隨季節(jié)發(fā)生周期性的變化。若前期荷載較大,則衰減越快,達(dá)到這一恒定值的時(shí)間也會(huì)提前,后期衰減就較為緩慢。

(a) 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ

(b) 擺值BPN

(c) 構(gòu)造深度MTD

(d) 斷面平均構(gòu)造深度MPD

(a) 第1階段衰減速率

(b) 第2階段衰減速率

4 結(jié)論

1) 選取Asymptotic模型可對(duì)改性瀝青SMA10抗滑性能與磨耗次數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確表征,其相關(guān)性R2均大于0.95。隨著磨耗次數(shù)增大,4項(xiàng)抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均呈現(xiàn)先快后慢的衰減趨勢(shì),衰變規(guī)律具有較強(qiáng)的一致性。

2) 在10 ℃～25 ℃,改性瀝青SMA10磨耗過(guò)程中,在第1階段,抗滑性能衰減速率隨溫度升高而增大;在第2階段,抗滑性能衰減速率隨溫度的升高減小,在60 ℃時(shí)出現(xiàn)了衰減速率異常的情況。

3) 隨著荷載水平的增大,瀝青磨耗層抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)衰變提前到達(dá)拐點(diǎn)。第1階段,荷載越大,衰減速率越大;第2階段,荷載越大,衰減速率越慢。

4) 加速加載磨耗過(guò)程中為動(dòng)態(tài)滑動(dòng)摩擦,遠(yuǎn)高于實(shí)際輪胎-路面之間的摩擦系數(shù),因而加速磨耗過(guò)程對(duì)試件損耗較大,高溫條件下其適用性欠佳。