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)計寬度為33m，設(shè)計速度為80km/h，雙向四車道，路基設(shè)計平均高度為5m，路基填筑材料為軟土，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采取SMA—13瀝青瑪蹄脂碎石混合料，級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象，開展實(shí)驗(yàn)室原材料級配設(shè)計及瀝青混凝土試件摩擦性能分析。

2 原材料級配設(shè)計

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基層及瀝青混凝土面層集料的力學(xué)性能進(jìn)行評價，壓碎值以碎屑壓碎質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比來表征；磨耗值則主要是對瀝青混凝土面層承受行駛車輛沖擊及磨損的能力的評價，磨耗值越大，則集料具備較大的耐磨損性能；磨光值則對表層集料的抗滑能力進(jìn)行評價，車輛長期行駛造成表層集料的不斷磨光，磨光值的計算需要采取磨光設(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 瀝青混合料級配設(shè)計

本文采取的級配類型為SMA—13，該級配類型屬于間斷級配，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級配混合料得到了大量應(yīng)用。本文SMA—13采取級配中值，通過百分率如表3所示。

表3 SMA—13級配通過率

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)、控制臺組成，控制臺包含旋轉(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；儀表盤則具備計數(shù)顯現(xiàn)、壓力顯現(xiàn)、時間顯現(xiàn)的功能，且混合料磨光次數(shù)及磨光時間可以通過關(guān)聯(lián)紅外計數(shù)設(shè)備控制處理。為有效縮短混合料的磨光時間，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)置了兩個裝置，分別添加細(xì)砂、粗砂，并且輔助噴水裝置，以流量計調(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，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，對交通運(yùn)行要求較低，被廣泛應(yīng)用于多工況摩擦性能評價中。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)，可分為電動鋪砂法、手動鋪砂法，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、升降檢測平臺兩部分組成[2]。

4 溫度對抗滑性能影響分析

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)行擺值測定時采取潤滑液介質(zhì)來消除黏附分量的影響，此時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降低，輪胎變形量隨著溫度提升而不斷減小，遲滯分量則會適當(dāng)降低；且遲滯分量整體上受到宏觀構(gòu)造深度的限制，該級配混合料的遲滯分量較大，級配較大的空隙率導(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)致車輛難以在短時間內(nèi)有效制動，造成滑動距離的擴(kuò)大，引起交通安全事故。因此，開展溫度對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，溫度的提升會造成混合料遲滯分量、摩擦系數(shù)的降低，遲滯分量相對于黏附分量對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。