湿热环境下超薄磨耗层配比设计及抗滑性能研究

黄伟

(广东能达高等级公路维护有限公司， 广东 广州 510030)

超薄磨耗层运用到路面中能提高路面的抗滑性能。路面抗滑性能指标主要包括路面构造深度及横向摩擦系数。从测试便捷性及运用程度来看，以路面构造深度作为路面抗滑性能指标更常见。超薄磨耗层的构造深度受环境影响，湿热环境下超薄磨耗层的构造深度与干燥环境下有显著区别。刘奕研究了湿热环境下影响超薄磨耗层抗滑性能的因素，指出施工中应将理论配比中油石比含量降低0.3%～0.5%。目前，关于湿热环境影响超薄沥青砼抗滑性能的成果较多，但都建立在室内试验的基础上，需通过现场试验确定温度、湿度的影响程度。

G80广昆(广州—昆明)高速公路广云(广州—云浮)段位于广东西部地区，路线全长37.45 km，双向四车道，设计速度为100 km/h，部分路段为120 km/h，于2004年12月24日正式开通。该高速公路位于北回归线以南，属南亚热带季风海洋性气候，湿润多雨，夏无酷暑，冬无严寒，属于典型的湿热地区。该文以其为对象，进行湿热环境下AC-8超薄磨耗层配比设计，分析温度、湿度变化对超薄磨耗层抗滑性能的影响。

1 原材料

(1) 沥青。该项目加铺的超薄磨耗层采用SBS(1-C级)沥青，其技术指标检测结果见表1。

表1 SBS改性沥青技术指标检测结果

(2) 集料。集料特性影响沥青混合料的路用性质，在沥青混合料设计中集料选择非常重要。该项目中细粒式沥青砼AC-8所用粗、细集料规格分别为5～10 mm英安岩碎石和0～5 mm石灰岩机制砂。根据JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》，粗集料压碎值≤26%、表观密度≥2.6 g/cm3、吸水率≤2.0%，细集料表观密度≥2.5 g/cm3。集料密度及各项技术指标检测结果显示：细集料表观密度>2.5 g/cm3，满足规范要求；粗集料压碎值为19.8%<26%，表观密度>2.6 g/cm3，吸水率<2%，均满足规范要求。

(3) 矿粉。按JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》进行测试，测得矿粉的表观密度为2.754 g/cm3>2.5 g/cm3，满足规范要求。

(4) 原材料试验环境。原材料试验时温度为20～30 ℃，湿度为40%～60%。

2 湿热环境下超薄磨耗层配比设计及性能分析

(1) 矿料级配组成要求。该项目加铺的细粒式沥青砼AC-8的矿料级配见表2。

表2 细粒式沥青砼AC-8的矿料级配

(2) 矿料级配合成计算。采用水洗法进行沥青砼矿料级配筛分试验，得到筛分试验结果及目标配合比矿料合成级配(见表3)。沥青混合料中各集料的比值为粗集料∶细集料∶矿粉=61∶30∶9。图1为细粒式沥青砼AC-8矿料级配曲线。

表3 细粒式沥青砼AC-8矿料级配合成计算

图1 细粒式沥青砼AC-8的矿料级配曲线

(3) 马歇尔试验。细粒式沥青砼AC-8的马歇尔试验结果见表4和图2。由表4和图2可知：沥青混合料的空隙率取6%时，沥青混合料的油石比最佳。采用差分法，取空隙率为6%，对应的油石比计算结果为6.35%。因此，沥青混合料的最佳油石比为6.35%，毛体积密度为2.252 g/cm3。

表4 细粒式沥青砼AC-8马歇尔试验结果

图2 细粒式沥青砼AC-8马歇尔试验曲线

(4) 路用性能试验。对油石比为6.35%的混合料进行车辙试件和冻融劈裂试验，试验结果分别见表5、表6。由表5和表6可知：细粒式沥青砼AC-8的各项技术指标均达到规范要求，目标配合比为粗集料(5～10 mm碎石)∶细集料(0～5 mm机制砂)∶矿粉=61∶30∶9，最佳油石比为6.35%。

表5 细粒式沥青砼AC-8车辙试验结果

表6 细粒式沥青砼AC-8冻融劈裂试验结果

3 湿热环境下超薄磨耗层抗滑性能分析

3.1 温度和湿度对抗滑性能的影响

以温度、湿度为研究变量，设置6种不同温度及6种不同湿度环境，将试块在设定的环境中养护后测定AC-8混合料的构造深度。每个变量制作4块试件，共48块试件。不同温度、湿度工况下AC-8混合料的构造深度见表7。

表7 不同温度、湿度下AC-8混合料构造深度测试结果

由表7可知：温度和湿度变化均影响混合料的构造深度。湿度保持不变时，随着温度的升高，试件的构造深度逐渐降低，1 ℃下试件构造深度比50 ℃下构造深度高0.37 mm，温度变化对试件构造深度的影响较大。温度保持不变时，随着湿度的增大，试件的构造深度逐步增大，但变化幅度较小，湿度为零时试件构造深度比81%～100%湿度下构造深度仅小0.05 mm，湿度变化对试件构造深度的影响较小。

温度、湿度均影响试件的构造深度，在不同温度、湿度环境下，试件展现出来的抗滑性能存在差异。考虑到温度对构造深度的影响更大，采用非线性函数关系式进行拟合，建立温度与构造深度之间的函数关系[见式(1)]。对表7中不同温度下试件构造深度进行拟合，得到a=0.955、b=-0.068。

HGZ=a×Tb

(1)

式中：HGZ为构造深度；a、b为回归系数；T为温度。

3.2 油石比对抗滑性能的影响

湿热环境湿度大、温度高，对沥青面层油石比的影响较大，会导致路面油石比不稳定，导致路面构造深度降低。因此，湿热环境中影响路面抗滑性能的关键指标为油石比。为分析油石比对路面构造深度的影响，采用构造深度残留率进行评价。

不同油石比下AC-8混合料各制备3个标准马歇尔击实试件，检测其构造深度H1。对试件进行轮碾试验，试验结束后沿轮迹带将试件切割成矩形，测量其构造深度H2。以轮碾试验前后试件的构造深度变化作为混合料构造深度残留率H，计算公式见式(2)。不同油石比下AC-8混合料的构造深度残留率见表8。

H=H2/H1

(2)

表8 AC-8混合料油石比-构造深度试验结果

由表8可知：不同油石比下试件构造深度残留率不同，油石比影响试件的残留率。随着油石比的增大，试件构造深度残留率显著减小。并非采取较大油石比更有利于超薄磨耗层的抗滑性能提高，超薄磨耗层施工中应控制好油石比。该项目采用6.35%的油石比能保障超薄磨耗层构造深度残留率达到相关要求。

试验中发现，车辙试验时间会影响试件的构造深度残留率。取一组马歇尔试件，分别增加车辙试验时间(如降低轮碾速度、延迟轮碾时间)10、30、50 s，测试混合料的构造深度，结果见表9。

表9 油石比为6.0%时不同车辙时间下AC-8混合料的构造深度残留率

由表9可知：车辙时间不同，试件的构造深度也不同。随着车辙时间的增大，试件的构造深度残留率减小。车辙试验中应确保车辙时间一致，避免因车辙时间不一致造成试验结果误差。

3.3 提高沥青路面抗滑性能的措施

依据该项目现场施工环境，结合现有超薄磨耗层抗滑性能研究成果，可从以下方面采取措施提高沥青路面的抗滑性能。

(1) 结合施工现场油石比现状调整最佳油石比，根据经验，油石比可降低0.3%～0.5%。

(2) 提高沥青品质。从试验路效果来看，密级配AC-8超薄磨耗层可采用I-D级改性沥青。

(3) 改善黏附性。车辆荷载作用在沥青路面上时，泉吸作用下将沥青抽离到路面处，从而增加车辆轮胎接触的沥青量，不利于路面抗滑。因此，需确保沥青和集料间的黏附性。

4 结论

(1) AC-8混合料的目标配合比为粗集料(5～10 mm碎石)∶细集料(0～5 mm机制砂)∶矿粉=61∶30∶9，最佳油石比为6.35%。

(2) 温度和湿度变化均会影响混合料的构造深度。湿度保持不变时，随着温度的升高，试件的构造深度逐渐降低；温度保持不变时，随着湿度的增大，试件的构造深度逐步增大，但变化幅度较小。相对于温度变化，湿度变化对试件构造深度的影响较小。

(3) 油石比影响试件的构造深度残留率，随着油石比的增大，试件的构造深度残留率显著减小。超薄磨耗层使用中应控制好油石比，并非油石比越大越有利于超薄磨耗层的抗滑性能提高。

(4) 车辙试验时间会影响试件的构造深度残留率，车辙时间增大，试件的构造深度残留率减小。车辙试验中应确保车辙时间一致。

(5) 湿热环境会造成沥青路面油石比不稳定，导致沥青路面构造深度衰减较快。油石比影响沥青路面的抗滑性能，可从调整最佳油石比、采用高品质沥青、改善沥青和集料间黏附性等入手提高超薄磨耗层的抗滑性能。