积沙沥青路面抗滑性能实验研究

2021-04-09潘境盛

科技和产业 2021年3期

潘境盛，赵桦，王勇

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000)

关于路面抗滑性能的研究一直以来备受中外学者的关注，并且从各个角度对沥青路面的抗滑性能进行研究。解晓光等[1]通过差异磨耗原理的方法从磨光性和表面纹理两个方面研究不同岩石的长期抗滑性能，并对SMA沥青混合料进行优化设计；Ivana等[2]通过沥青路面宏观结构的平均轮廓深度和纵向摩擦系数来表征路面宏观结构对抗滑性能的影响；Cong等[3]、范倩[4]基于细集料特性对沥青混合料的抗滑性能进行研究；Bernhard等[5]通过表面喷砂的方法来恢复抗滑性能，并且依据14个试验路段的抗滑性能和交通量的现场数据和实验室数据进行回归分析，来研究抗滑性能的衰变；Yan等[6]制备4种类型的沥青混合料试件，通过集料图像测量系统研究道路融冰过程中路面抗滑性能的变化情况，认为3～5 ℃时摆值最低。Wang等[7]研究认为，集料形态特征与沥青路面抗滑性能有密切关联；肖鹏飞等[8]通过室内试验，研究了冰雪、油污、轮胎屑以及泥土等附着物存在的工况下水泥路面的抗滑性能；闫梦华等[9]利用摆式摩擦系数仪测定不同温度下3种类型的沥青混合料在干燥、潮湿、积水、结冰以及冰水混合情况下的摩擦系数，得出温度和广义水环境下对路面抗滑性能的影响规律；Plati等[10]通过收集雨季和非雨季的抗滑数据，量化研究了季节变化对路面抗滑的影响；Kane等[11]研究了路面集料硬度参数与抗滑性能的影响；熊剑平等[12]通过自行研发的加速磨耗装置，研究了沥青混合料级配类型和粗集料特性对抗滑性能衰变的影响。张维仁等[13]认为集料的磨光值衰减规律与同种碎石的沥青路面抗滑性能衰减规律一致；周兴林等[14]研究表明抗滑性能因体积指标的不同而存在差异，其中孔隙率对抗滑性能的影响最大；车辆能否在路面上安全行驶取决于轮胎与路面的接触情况[15]，尤其是在潮湿、积水、冰雪、积沙等附着介质时，路面条件较差。

综上可知，目前仍缺少对积沙沥青路面抗滑性能影响因素的研究，为此，通过室内试验，选取两种集配类型的沥青混合料，研究其在积沙环境下以及受温度影响下的抗滑性能，以得到积沙量和温度对抗滑性能的影响规律。

1 原材料技术特性

1.1 风积沙

风积沙粒径、含泥量、含水量测试结果如表1所示。

表1 风积沙性能检测结果

1.2 沥青

实验采用70#基质沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)检测沥青主要技术指标，检测结果如表2所示。

表2 沥青技术指标

1.3 粗集料

粗集料采用石灰岩集料，依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)检测可能对沥青混合料抗滑性能造成影响的技术指标进行检测，且磨光值等指标都符合规范要求，检测结果如表3所示。

表3 粗集料性能检测结果

1.4 混合料级配设计

两种混合料各筛孔的通过率如表4所示，最佳油石比和孔隙率如表5所示。

表4 两种级配的通过百分率

表5 两种级配对应的孔隙率及油石比

2 温度对积沙沥青路面抗滑性能的影响

2.1 温度对BPN的影响

为研究温度对BPN的影响，本实验通过温控箱，分别测试在无积沙状态下-20、-15、-10、-5、0、5、10、15、20、25、30 ℃时AC-13和AC-16车辙板试件的BPN值，测试结果见图1。由图1可知，在-20 ℃到30 ℃范围内，两种类型的混合料BPN值随温度有着相同的变化趋势，均表现为先降低再升高。在-20 ℃到-5 ℃这一阶段，随着温度的升高，BPN值逐渐减小，在试验过程中，由于温度过低，导致空气中的水蒸气会凝结，在试件表面形成细小的白色霜粒，在测试过程中摆式摩擦系数仪的橡胶滑块与小霜粒之间会有黏结，使得摆值变大，并且温度越低这种现象越明显；随着温度的增加，在-5 ℃时，由于橡胶滑块摩擦产生的热对试件产生影响，试件表面的霜粒消失，空气中的水分会在试件表面结冰，此时试件表面的摆值最小；在-5 ℃到15 ℃这个阶段，摆值随温度的升高而增大，且增长率较大；在15 ℃到30 ℃之间，摆值随温度的升高而增大的幅度减小，因为此时温度小于沥青软化点温度，沥青软化程度不大，对摆值的影响不大，使得增长趋势较为缓慢。

图1 无积沙状态下不同温度的BPN

2.2 基于标准温度下的摆值修正

在摆值的测试过程中，路面温度对摆值的影响不可忽略，因此根据《公路路基路面现场测试规程》需要对摆值进行温度修正，式(1)为温度修正公式，修正值如表6所示。

BPN20 ℃=BPNt+ΔBPN

(1)

式中：BPN20 ℃为标准温度20 ℃下的摆值；BPNt为温度为t时路面摆值；ΔBPN为温度修正值。

根据温度修正公式对不同温度下的摆值进行标准温度的修正，不同温度下的摆值及修正结果如表7所示。

表7 不同温度下的BPN及修正值ΔBPN

由于集料表面有一层沥青薄膜，所以温度对抗滑值的影响较为显著，由表7可知，两种沥青混合料集配类型的温度摆值变化规律仍然一致，随着温度的增加修正后的摆值较修正之前的变化幅度增大，沥青混合料为温度敏感性材料，因此，温度越高其抗滑性能变化越显著。

3 积沙量对抗滑性能的影响

3.1 积沙量与BPN的关系

为探究路面积沙量对摆值的影响，通过在车辙板试件上均匀撒布不同质量的沙的方法来测试试件摆值。积沙量通过一定质量的沙均匀铺满整个车辙板试件来控制，测试前先用毛刷清理干净试件表现，接着将事先称量好的沙均匀洒满整个试件，测试完成之后，用毛刷将试件表面的沙清理干净，以此方法多次重复至试验完成，测试结果如图2所示。

图2 积沙量与BPN的关系

从图2可以看出，两种混合料的摩擦系数变化趋势呈现相同的规律，总体上分为3个阶段，先缓慢下降，紧接着下降幅度增大，最后当积沙量达到某一值时趋于平缓，此时摩擦性能相对较差，且AC-13和AC-16变化趋势基本一致。

3.2 积沙量与BPN衰减率的关系

当标准车辙板试件表面沙覆盖量为10 g时，与无积沙状态相比差别不大，两种混合料的BPN值均下降1%左右，分析认为，由于孔隙率的存在，使得一部分沙进入路面空隙中，且只占了整个空隙的一小部分，加之沙的粒径分布主要集中在0.25～0.075，因此对路面摩擦系数影响很小；随着积沙量的不断增加，路面空隙逐渐被沙粒填满，宏观构造变小，粗糙度逐渐降低，因此这一阶段BPN值急剧下降，AC-13和AC-16较上一阶段下降幅度分别为36.1%和32.7%，当积沙量为50 g时，AC-13试件表面空隙完全被沙粒填充，而AC-16表面空隙仍然留有富余；积沙量超过50 g时，AC-13的BPN值下降幅度很小，几乎趋于稳定，此时沙粒处于试件表层以上，有之前的橡胶滑块与路面的接触变成橡胶滑块与沙粒之间的接触，且由原来的滑动摩擦变为滚动摩擦，摩擦系数由试件摩擦系数变为沙粒与橡胶滑块之间的摩擦来控制，因此，之后随着积沙量的增加，BPN值也基本保持不变，达到一个平稳状态；而AC-16因为构造深度略大于AC-13，因此，BPN值还会随着积沙量的增加有一个缓慢的下降过程，下降幅度为9.4%，当积沙量达到80 g时趋于稳定，如图3所示，此时摩擦系数主要由沙粒和橡胶滑块之间的摩擦来控制。

图3 积沙量与BPN衰减率的关系

依据DoseResp模型对其进行非线性回归分析，通过拟合，发现BPN值能够很好地符合DoseResp模型，积沙量与BPN值的关系拟合度均大于0.99，结果如表8所示。在积沙量不断增加的过程中，首先一部分沙粒填充了试件的部分空隙，降低了试件表面的粗糙程度，阻碍了轮胎与路面凸起构造的咬合作用；接着，由于积沙量的不断增加，部分沙粒高出了试件表面的凸起构造，使得轮胎与路面没法完全接触，在此过程中BPN的衰减率不断增加，在橡胶滑块与试件表面的接触过程中，很容易使得沙粒发生迁移，同时也伴随着表面沥青膜的细微磨耗，因此，在此阶段BPN的衰减率会有所波动；当沙粒在试件表面完全形成覆盖层时，沙粒滚动与橡胶滑块与试件宏观构造间，三者形成一个微轴承系统，变滑动摩擦为滚动摩擦，BPN随之衰减，但衰减率逐渐减小。

表8 BPN值衰减方程及衰减参数

4 环境因素与BPN值的灰色关联分析

为研究温度和积沙量两种因素对积沙沥青路面抗滑性能的影响，采用灰色关联分析的方法，将修正后的BPN为参考序列，以不同温度和不同积沙量条件下的BPN作为比选序列来计算灰色关联系数，结果如图4所示。

图4 环境因素与BPN值的灰色关联度

由图4可知，积沙量的灰色关联度大于温度的灰色关联度，分别为AC-13沥青混合料中积沙量为0.994 8，温度为0.526 8，AC-16沥青混合料中积沙量为0.939 8，温度为0.566 8。两者均对BPN产生较为显著的影响，但积沙量的影响远大于温度的影响。分析认为，当沙粒作为一种介质出现在沥青路面上时，首先改变的是路面原有的宏观构造，并且使得路面微凸体相对减少，降低了对汽车轮胎的微切削作用，同时沙粒在车轮荷载作用下对微凸体有冲击作用，因此路面抗滑性能降低，当积沙量不断增加时，这种效果越来越明显，直至积沙覆盖路面，阻断了车轮与路面的接触，且两种混合料中，积沙量的灰关联度分别为温度的1.88和1.65倍，故路面积沙量是影响积沙沥青路面抗滑性能的主要因素。