基于加速磨耗的沥青路面抗滑性能衰减特性研究

王勇++袁腾++杨建波++陈华鑫++况栋梁

摘 要：通过室内试验成型了AC- 13沥青混合料车辙板试件，借助室内加速磨耗试验模拟了沥青路面在行车荷载作用下的磨损行为。测试车辙板试件加速磨耗前后抗滑值和构造深度的变化，分析了环境温度和加载次数对沥青路面抗滑性能的影响。借助扫描电镜对回收集料的表面微观形貌进行了观测。结果表明：温度对沥青路面抗滑性能的衰减具有显著的影响；抗滑值和构造深度的变化与加速磨耗次数具有良好的相关关系。

关键词：沥青路面；抗滑性能；粗集料；电镜扫描

中图分类号：U416.03 文献标志码：B

Research on Skid Resistance Attenuation of Asphalt Pavement by Accelerated Wear

WANG Yong1， YUAN Teng2，YANG Jian- bo3， CHEN Hua- xin2， KUANG Dong- liang2

（1. College of Water and Architectural Engineering， Shihezi University， Shihezi 832003， Xinjiang， China；

2. School of Materials Science and Engineering， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China；

3. Chang Jiang Road and Bridge Co. Ltd.， Wuhan 430000， Hubei， China ）

Abstract： Rutting plate specimens for AC- 13 asphalt mixture were formed through laboratory tests. With indoor accelerated wear test， wear behavior of asphalt pavement under traffic loads was simulated. The changes of rutting plate specimens skid resistance value and texture depth before and after the accelerated wear were tested， and the impact of ambient temperature and load times on the skid resistance performance of asphalt pavement was analyzed. Surface microtopography of the collected aggregate was observed with scanning electron microscope. The results show that the temperature has a significant influence on the decay of the skid resistance performance， and theres a correlation between the accelerated wear times and the changes in skid resistance value and texture depth.

Key words： asphalt pavement； skid resistance performance； coarse aggregate； scanning electron microscope

0 引 言

随着人们行车安全意识的增强，道路行车安全受到越来越多的重视，提高沥青路面的抗滑性能是当前交通安全研究领域的热点问题。

近年，国内外学者围绕沥青路面的抗滑性能开展了大量的研究，结果显示沥青路面的抗滑作用主要可归因于路面的宏观构造深度和集料的微观纹理[1- 2]，沥青路面的抗滑性能可以采用抗滑值和构造深度进行评价[3]。

在沥青路面使用过程中，经过行车荷载的反复碾压后，其宏观构造深度会不断减小，混凝土中粗集料的表面性质也会发生变化[4]。然而对于沥青路面在行车荷载循环作用下的宏观构造深度和微观纹理的变化的研究尚未得到足够重视，此外关于相关环境因素对沥青路面抗滑性能衰变特性的影响也未见研究。

本项目通过室内试验成型了AC- 13沥青混合料车辙板试件，借助室内加速磨耗试验模拟了沥青路面在行车荷载作用下的磨损行为，通过测试车辙板试件加速磨耗前后抗滑值和构造深度的变化，评价了环境温度和加载次数对沥青路面抗滑性能的影响。利用离心分离法和筛分回收车辙板中的粗集料，借助扫描电镜对回收集料的表面微观形貌进行观测。

1 试验部分

1.1 试验原料

SK90重交沥青的性能指标如表1所示；粗集料、石灰石的性能指标如表2所示；细集料、石灰石的性能指标如表3所示；矿粉、石灰石磨细矿粉的性能指标如表4所示。

<0.075 mm87.475～90外观无团粒结块无团粒结块

亲水系数0.6<1

混合料试件制作方法（轮碾法）成型得到AC- 13沥青混合料车辙板试件。

1.3 加速磨耗试验

采用长安大学研发的加速磨耗仪[5]，对成型的AC- 13沥青混合料试件进行加速磨耗试验，加载压力为0.7 MPa。在评价加载温度对沥青路面加速磨耗作用下抗滑性能衰变行为的影响时，采用加载次数为10 000次，加载温度分别为25 ℃和60 ℃。试验前将车辙试件置于规定温度的烘箱中，保温时间不少于4 h；在评价加载次数对沥青路面抗滑性能的影响时，试验温度为25 ℃，加载次数分别为0、5 000、10 000、15 000、20 000次。

1.4 抗滑性能测试

加速磨耗试验前后的AC- 13沥青混合料车辙试件的抗滑值和构造深度分别按照《摆式仪测定路面抗滑值试验方法》和《手工铺砂法测定路面构造深度试验方法》进行测试。

1.5 粗集料磨光值表征

沥青混合料中粗集料的磨光值是评价沥青路面抗滑性能的重要指标，为研究循环荷载对混合料中粗集料磨光值的影响，通过离心分离法回收加速磨耗试验后车辙板试件中的粗集料，依据《粗集料磨光值试验》（JTJ T0321—1994）中的方法对加速磨耗前后混合料中的粗集料的磨光值进行测试。

1.6 扫描电镜测试

将集料颗粒粘在扫描电镜固物台上，用扫描电镜在不同放大倍数下对回收集料表面进行扫描，得到集料表面纹理构造的微观图片。

2 结果与讨论

2.1 加载温度对沥青路面抗滑性能的影响

从表5中的数据可以看出，在不同试验条件下加速磨耗后，沥青混凝土的抗滑值和构造深度有所减小，表明加速磨耗对沥青路面的抗滑性能具有一定的负面影响。从表5中的数据还可以看出，随着加载温度的升高，沥青混合料加速磨耗后的抗滑值和构造深度逐渐增大。在25 ℃的试验条件下，沥青混凝土加速磨耗10 000次之后，其抗滑值由61 BPN减小至50 BPN，下降18%；在60 ℃的试验条件下，沥青混凝土加速磨耗10 000次之后，其抗滑值由61 BPN减小至54 BPN，下降11%。这主要是因为沥青混凝土在低温下刚性强，在循环加载作用下其表面更容易发生磨损破坏，而在高温下，沥青路面的弹性成分显著增强，具有良好的伸缩变形能力，对加速荷载施加的能量具有一定的吸收作用，从而延缓加速磨耗对其表面的磨损。因此沥青混合料在高温下经过加速磨耗后，其抗滑性能的衰减程度小于其在低温下经过加速磨耗后抗滑性能的衰减程度。

2.2 加载温度对粗集料磨光值的影响

粗集料的磨光值是评价集料耐磨损性能的重要指标[6]，同时也反映其与车轮之间的摩擦作用，磨光值越大，集料与车轮之间的相互摩擦作用越强。沥青路面使用一段时间后，由于车轮荷载的循环作用，其表面的沥青膜会发生磨损，导致集料外露，因此回收集料的磨光值也可用来评价加速磨耗对沥青路面抗滑性能的影响。

表6列出了在不同试验条件下，沥青混凝土加速磨耗前后回收粗集料的磨光值。从表6中的数据可以看出，在25 ℃的试验条件下，沥青混凝土加速磨耗10 000次之后，其回收粗集料的磨光值由47%减小至40%，下降17.5%；在60 ℃的试验条件下，沥青混凝土加速磨耗10 000次之后，其磨光值由47%减小至43%，下降8.5%。结合上述加载温度对沥青路面抗滑性能的影响分析，进一步证实升高加载温度可以延缓沥青路面在行车荷载作用下抗滑性能的衰减。

2.3 加载周期对沥青路面抗滑性能的影响

图1、2分别显示了在25 ℃下AC- 13沥青混凝土的抗滑值和构造深度随加载周期的变化。随着加载次数的增加，沥青混凝土的抗滑值和构造深度不断下降，加速磨耗之前，混凝土的抗滑值为61 BPN，加载周期达到20 000次，混凝土的抗滑值下降至37 BPN，下降39. 3%，表明车辆的循环加载对沥青路面的抗滑性能具有显著破坏。

从图1、2中可以得出沥青混凝土的抗滑值和构造深度随加载周期的变化，拟合曲线与试验曲线的相关系数为0. 99，由此可推断沥青混凝土的抗滑值和构造深度与加载周期具有良好的线性关系，可采用该方程对不同加载周期下的沥青路面的抗滑性能进行预测，从而对沥青路面的抗滑安全性能进行评估。

2.4 加载周期对粗集料磨光值的影响

图3显示了在25 ℃下AC- 13沥青混凝土中的加载周期对粗集料磨光值的影响。从图3的数据中可以看出，随着加载次数的增加，沥青混凝土粗集料磨光值随着加载周期的增加而不断下降。加速磨耗之前，回收粗集料的磨光值为47%；加速磨耗5 000次之后，回收粗集料的磨光值为43%，下降8. 5%；当加载周期达到20 000次的时候，

图3 加载周期对粗集料磨光值的影响

回收粗集料的磨光值下降至30%，下降36. 1%，表明车辆荷载的循环作用对沥青路面的抗滑性能有显著破坏。这主要是因为：在循环荷载作用下，混凝土中包裹粗集料的沥青膜首先被磨损，粗集料暴露，随着荷载的持续增加，粗集料表面与车轮之间不断发生摩擦，由此导致其表面发生严重的磨损破坏，从而使沥青路面的抗滑性能严重衰减。

2.5 回收粗集料表面微观形貌表征

为进一步分析加速磨耗对沥青路面抗滑性能的破坏机理，采用SEM表征技术对25 ℃下加速磨耗加载周期分别为0、5 000、20 000次的混凝土中的回收粗集料表面微观形貌进行了表征。

图4～6显示了沥青混凝土加速磨耗次数分别为0、5 000、20 000次后，回收粗集料表面微观形貌。从图4～6看出，未经加速磨耗的粗集料颗粒表面纹理构造复杂，构造深度较深，经过5 000次的加速磨耗后，粗集料颗粒表面微观构造深度略有变浅，因为加速磨耗使集料颗粒表面原有的相对凸出纹理构造被磨平，颗粒表面出现平坦区域。从图6中可以看出，当加速磨耗周期达到20 000次时，回收集料颗粒表面的平坦区域变大，集料颗粒表面纹理构造中凸出的构造减少，其微观构造深度消失，由此导致沥青路面的抗滑性能严重衰减。

3 结 语

（1） 环境温度对沥青路面抗滑性能的衰变有重要影响，环境温度越高，沥青路面的伸缩变形能力越强，对加速荷载施加的能量具有一定的吸收作用，可延缓加速磨耗对表面的磨损，从而降低加速磨耗对沥青路面抗滑性能的影响。

（2） 加速磨耗加载周期对沥青路面的抗滑性能有显著影响，加载周期达到20 000次时，沥青混凝土的抗滑值下降39. 3%。

（3） 沥青混凝土抗滑值和构造深度与加载周期具有良好的线性关系，因此可采用试验数据得到的拟合方程对沥青路面在不同加载周期下的抗滑性能进行预估。

（4） SEM表征结果表明，在循环荷载作用下，集料颗粒表面纹理构造中凸出的构造急剧减少，表面的平坦区域面积变大，导致沥青路面的抗滑性能严重衰减。

参考文献：

[1] 刘 涛，李 智，孙杨勇，等.沥青路面粗集料微观纹理评价方法研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2012，31（3）：394- 397.

[2] 孙杨勇.粗集料表面微观构造分形性质探讨与沥青路面抗滑性能关系研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[3] 赵战利.基于分形方法的沥青路面抗滑技术研究[D].西安：长安大学，2005.

[4] 董 昭.加速磨耗试验与沥青路面材料抗滑性能衰变规律研究[D].西安：长安大学，2011.

[5] 彭城坝.沥青混凝土路面纹理构造表征技术研究[D].西安：长安大学，2011.

[6] 黄宝涛，田伟宇，李家春，等.沥青路面抗滑性能定量评价的分形方法[J].中国公路学报，2008，21（4）：12- 17.

[责任编辑：谭忠华]