朱 晶

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430010)

0 引言

路面的抗滑性能在很大程度上決定著道路的安全性能[1]。目前，超薄磨耗層的應(yīng)用越來越廣泛。馮明林等[2]為提高瀝青路面抗滑、耐久等性能，系統(tǒng)地介紹了超薄磨耗層在應(yīng)用過程中各環(huán)節(jié)的施工管理及質(zhì)量控制。郭澤棉[3]根據(jù)實體工程，分析了病害特征與解決措施，梳理了超薄磨耗層從使用環(huán)境到總體設(shè)計再到施工應(yīng)用各環(huán)節(jié)的全套細(xì)節(jié)控制流程。

任傳亭等[4]對抗滑性能檢測技術(shù)做了系統(tǒng)的梳理，認(rèn)為擺式摩擦系數(shù)(BPN)與構(gòu)造深度(MTD)就是代表瀝青路面抗滑性能的重要參數(shù)。李秋平等[5]以BPN為指標(biāo)，通過小型加速加載試驗研究了不同瀝青混合料種類的抗滑性能衰減規(guī)律，建立了加載次數(shù)與BPN之間的關(guān)系，用于預(yù)測瀝青路面基于抗滑性能的使用壽命。劉碧媛[6]通過室內(nèi)抗滑性能試驗分析了不同混合料的磨光性衰減曲線，探究了不同瀝青混合料抗滑性能原理及影響因素，揭示了其抗滑性能衰減規(guī)律。褚晨楓等[7]研究了不同粗集料及最大粒徑對超薄磨耗層抗滑性能影響，并提議增加磨光損失值來評價粗集料性能。

瀝青作為超薄磨耗層混合料的結(jié)合料，其性能特點以及其與集料的黏附性很大程度上影響著混合料的各項體積參數(shù)，是影響道路抗滑性能重要潛在因素。本文通過開展不同改性瀝青的SMA-8超薄磨耗層的小型加速加載試驗，以MTD和BPN作為抗滑性能評價指標(biāo)，采用非線性指數(shù)模型擬合超薄磨耗層抗滑性能測試結(jié)果，揭示不同瀝青種類下超薄磨耗層抗滑性能的衰減規(guī)律，并分析不同瀝青對超薄磨耗層抗滑性能的影響。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料試驗

本試驗選用的瀝青有SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青、TPS高黏改性瀝青；基質(zhì)瀝青為70#石油瀝青，瀝青試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行，試驗結(jié)果分別見表1～3。粗、細(xì)集料分別為輝綠巖和石灰?guī)r，粒徑小于2.36 mm為細(xì)集料，試驗參照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)進(jìn)行，粗、細(xì)集料以及礦粉試驗結(jié)果見表4～6。原材料的各技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。采用馬歇爾設(shè)計方法進(jìn)行配合比設(shè)計，3種不同瀝青種類的SMA-8混合料馬歇爾試驗、飛散試驗與析漏試驗結(jié)果見表7。

表1 SBS改性瀝青各指標(biāo)測試結(jié)果類別針入度(25 ℃,100 g,5 s)/ 0.1 mm軟化點(R&B)/℃延度(15 ℃)/cm密度(15 ℃)/(g·cm-3)TFOT(或RTFOT)后殘留物質(zhì)量變化/%針入度比/%延度(15 ℃)/cm技術(shù)要求60～80≥60≥100實測記錄±0.5≥65≥15試驗結(jié)果6478>1001.0350.2068.127

表2 橡膠粉改性瀝青(AR)技術(shù)指標(biāo)及試驗結(jié)果試驗項目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm軟化點(R&B)/℃延度(15 ℃)/cm彈性恢復(fù)/%旋轉(zhuǎn)黏度(180 ℃,50%扭矩)/(Pa·s)TFOT(或RTFOT)后殘留物質(zhì)量變化/%針入度比/%延度(15 ℃)/cm技術(shù)要求30～60≥60≥5≥601.5～5±0.5≥65≥5試驗結(jié)果42.6699782.00.2369.58

表3 高黏改性瀝青(TPS)技術(shù)指標(biāo)及試驗結(jié)果試驗項目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/℃軟化點(R&B)/℃延度(15 ℃)/cm黏韌性(15 ℃)/(N·m)60 ℃黏度/(Pa·s)TFOT(或RTFOT)后殘留物質(zhì)量變化/%針入度比/%延度(15 ℃)/cm技術(shù)要求40～60≥75≥50≥20≥20 000±0.5≥75≥20試驗結(jié)果48.988.990.431.4153 7180.1878.229

表4 輝綠巖粗集料試驗結(jié)果類別粒度范圍/mm壓碎值/%磨光值洛杉磯磨耗值/%表觀相對密度毛體積相對密度吸水率/%8.0～9.512.949.314.12.9492.9040.52試驗結(jié)果4.75～8.0———2.9592.9000.692.36～4.75———2.9422.8740.80技術(shù)要求—≤2642≤28≥2.6實測≤2

表5 石灰?guī)r細(xì)集料試驗結(jié)果類別以下粒度范圍(mm)對應(yīng)的表觀相對密度1.18～2.360.6～1.180.3～0.60.15～0.30.075～0.15砂當(dāng)量/%0.075 mm以下顆粒含量/%亞甲藍(lán)值/(g·kg-1)棱角性(流動時間)/s試驗結(jié)果2.7562.7492.7512.7592.759742.1641.2技術(shù)要求≥2.50≥50≤5≤25≥30

表6 石灰?guī)r礦粉技術(shù)性質(zhì)類別表觀密度/(g·cm-3)含水量/%以下粒度范圍(mm)對應(yīng)的通過百分率/%<0.6<0.15<0.075親水系數(shù)塑性指數(shù)加熱安定性標(biāo)準(zhǔn)要求≥ 2.5≤ 110090～10075～100≤ 0.8≤4實測記錄試驗結(jié)果2.6770.3210099.194.30.743.5無顏色變化

1.2 小型加速加載試驗及抗滑性能測試方案

小型加速加載試驗采用MMLS3，輪胎壓力0.7 MPa，加載6 000次/h。

為了模擬實際路面施工方式，本試驗試件分3層碾壓成型車轍板試件，試件尺寸為40 cm×30cm×10 cm，上面層為2 cm 厚的SMA-8，中面層為4 cm 厚的AC-13，下面層為4 cm厚的AC-20。圖1為路面各結(jié)構(gòu)層混合料的礦料級配設(shè)計圖。將成型好的試件按照小型加速加載試驗槽尺寸切割好后進(jìn)行試驗，每次試驗可測試3塊板。在加載次數(shù)達(dá)到100 000次之前，以 20 000次為1個周期測試并記錄平均構(gòu)造深度MTD和BPN值;加載輪次超過100 000次后，每50000次為1個周期測試記錄BPN值，每100 000次為1個周期測試記錄MTD值，累計共加載1 000 000次。BPN采用擺式摩擦儀進(jìn)行測試，MTD采用手工鋪砂法進(jìn)行測試，2種試件測試位置均集中在輪跡帶處，測試設(shè)備及試驗位置見圖2。

表7 不同瀝青的SMA-8馬歇爾試驗及飛散、析漏試驗結(jié)果混合料類型最佳油石比/%空隙率/%礦料間隙率/%瀝青飽和度/%馬歇爾穩(wěn)定度/kN凍融劈裂強度比/%動穩(wěn)定度/次/mm飛散試驗混合料損失/%析漏試驗結(jié)合料損失率/%SBS-SMA-86.83.7618.1678.08.8389.567 1636.670.04TPS-SMA-87.03.9719.8679.29.0591.887 0625.720.04AR-SMA-87.93.8520.1380.08.4587.418 0857.540.05技術(shù)要求—3～4≥17.075～85≥6.0≥80≥3 000≤15≤0.1

圖1 各結(jié)構(gòu)層不同混合料的級配曲線

圖2 測試位置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 BPN測試結(jié)果

不同改性瀝青的超薄磨耗層擺值隨加載次數(shù)變化的測試結(jié)果見圖3。

圖3 不同改性瀝青的超薄磨耗層BPN變化

由圖3可見，BPN值隨著加載次數(shù)增加而不斷降低，同時衰減率也逐漸降低。將抗滑衰變?nèi)^程按衰減速率可分為3個階段：加速加載開始階段衰減速率較快；加載作用次數(shù)到達(dá)150000次左右時，超薄磨耗層的構(gòu)造深度衰減速率放緩。分析其原因可能跟超薄磨耗層的進(jìn)一步壓密有關(guān)，因此將150000次前劃分為壓密變形階段；而當(dāng)軸載作用到達(dá)750000次時，超薄磨耗層的抗滑性能指標(biāo)衰減速率基本趨于穩(wěn)定，即將150000～750000次劃分為磨耗階段，750000次之后劃分為趨穩(wěn)階段。對比3種改性瀝青超薄磨耗層混合料的BPN初始值及衰變終值，AR-SMA表現(xiàn)出較高的初始值，但終值卻偏小;TPS-SMA的初始值及終值均在較高水平。

不同改性瀝青超薄磨耗層各階段BPN衰減速率(單位荷載作用次數(shù)的抗滑性能變化率)見圖4。TPS-SMA高黏瀝青混合料保持著較低的衰減速率，而AR-SMA相對較高。

圖4 不同改性瀝青的超薄磨耗層各階段BPN衰減速率

2.2 MTD測試結(jié)果

加速加載過程中MTD的測試結(jié)果見圖5，MTD各階段的衰減速率見圖6。

圖5 不同瀝青的超薄磨耗層MTD變化趨勢

圖6 不同瀝青超薄磨耗層各階段MTD衰減速率

由圖5可見，不同改性瀝青超薄磨耗層的構(gòu)造深度隨著加載次數(shù)增加而不斷降低，同時衰減率也逐漸降低，變化規(guī)律整體上與BPN非常相似。在整個加載過程中，MTD的衰變?nèi)^程亦可大致分為壓密變形、磨耗和趨穩(wěn)3個階段。從100萬次加速加載全過程來看，采用SBS改性瀝青、TPS改性瀝青的超薄磨耗層構(gòu)造深度要大于AR改性瀝青。不同瀝青種類的超薄磨耗層構(gòu)造深度初始值從大到小的順序為:SBS>TPS>AR。100萬次加載后，SBS-SMA和TPS-SMA的構(gòu)造深度終值也大于AR-SMA。分析其原因可能是AR改性瀝青的混合料最佳油石比與SBS改性瀝青和TPS改性瀝青的混合料相比要大0.9%～1.1%，因此其MTD值要比另外2種混合料小。

由圖6可見，瀝青類型主要影響壓密階段的MTD衰減速率，不同瀝青種類的MTD衰減速率在磨耗階段和趨穩(wěn)階段均比較接近。壓密階段均以SBS-SMA的衰減速率為最大，而TPS-SMA的衰減速率次之，AR-SMA的衰減速率最小。從試驗結(jié)果看，瀝青類型主要影響著超薄磨耗層的初始抗滑性能以及試驗前期的衰減速率。

2.3 抗滑性能衰變規(guī)律擬合分析

抗滑衰變模型能夠很好地反映出不同階段瀝青路面的抗滑性能。通過建立擺值、構(gòu)造深度與加載次數(shù)的關(guān)系可預(yù)測抗滑性能。本文采用Asymptotic模型(非線性指數(shù)模型)，即方程Y=AeBX+C進(jìn)行擬合，其中，Y代表抗滑指標(biāo)數(shù)值，X為加載次數(shù)，A、B、C均為擬合系數(shù)。根據(jù)該模型的特點，各參數(shù)的物理意義是：A為抗滑衰減幅值，C為抗滑趨穩(wěn)值，A+C為抗滑數(shù)據(jù)初值。使用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，BPN和MTD的擬合結(jié)果分別見圖7和圖8。

圖7 BPN試驗結(jié)果及擬合方程

圖8 MTD試驗結(jié)果及擬合方程

由圖7和圖8可見，非線性指數(shù)擬合模型可以較為準(zhǔn)確地描述不同瀝青的超薄磨耗層(R2≥0.985)抗滑性能(BPN和MTD)的衰減過程。

對擬合參數(shù)進(jìn)一步分析，BPN和MTD的各擬合參數(shù)數(shù)值比較分別見圖9和圖10。

圖9 BPN擬合參數(shù)數(shù)值比較

圖10 MTD擬合參數(shù)數(shù)值比較

由圖9可見，不同改性瀝青的超薄磨耗層BPN值擬合參數(shù)C，從大到小順序為TPS>SBS>AR，說明TPS-SMA在重復(fù)荷載作用之后能保持較好的抗滑性能終值。

由圖10可見，不同改性瀝青的超薄磨耗層MTD值擬合參數(shù)C極為接近，分析其原因可能是在重復(fù)荷載作用之后MTD值的終值受瀝青種類影響小。參數(shù)A表現(xiàn)為SBS>TPS>AR，說明AR-SMA在輪載作用下衰減幅值最小，而SBS-SMA最大。從數(shù)值上分析，SBS-SMA雖然有較高的初始值，但其衰減過程較TPS-SMA快；AR-SMA雖然衰減量較小,但其全階段抗滑性能相對較弱；而TPS-SMA具有較高的初始值且衰減量較小，最終可以保持較好的抗滑性能。因此，結(jié)合BPN和MTD兩個考核指標(biāo)，在不同混合料的抗滑性能評價中TPS-SMA表現(xiàn)出較為穩(wěn)定且優(yōu)異的性能。

3 結(jié)論

通過開展超薄磨耗層的MMLS3小型加速加載試驗，本文探究了不同瀝青對超薄磨耗層抗滑性能的影響，并揭示了超薄磨耗層抗滑性能的衰變規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)超薄磨耗層材料在小型加速加載試驗全過程中大致可以按衰減速率分為3個階段，即壓密變形階段、磨耗階段和趨穩(wěn)階段，衰減速率在壓密階段最大，往后依次減小。

2)瀝青種類主要影響超薄磨耗層抗滑性能的初始值及其壓密階段的衰減速率；TPS高黏改性瀝青的超薄磨耗層表現(xiàn)出較為優(yōu)異且穩(wěn)定的抗滑性能。

3)揭示了不同瀝青的超薄磨耗層抗滑性能(BPN和MTD)的衰減規(guī)律，非線性指數(shù)模型可以較好地預(yù)測超薄磨耗層抗滑性能的衰減。