非洲某公路路面抗滑性能分析

2023-02-15王磊

工程建设与设计 2023年2期

王磊

（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）

1 引言

近些年来，随着城市化进程的加速，交通工程建设的不断推进，公路的总里程数迅速增加，其覆盖范围得到了巨大的改善，我国也承建了大量国外的建筑、公路等工程，使得我国的基建水平获得了世界的认可。但与此同时，交通事故频发，各类道路交通事故所造成的人民生命财产损失已经成为目前亟须解决的一大重要问题[1]。一般引起道路交通事故的主要原因包括3个方面，即交通参与者、车辆性能以及道路状况。道路状况导致的交通安全事故的主要原因一方面在于道路设计不合理，另一方面是道路的表面状况差，如路面平整度出现问题，路面抗滑性能出现问题等[2，3]。

本文为研究不同材料和结构下的沥青路面抗滑性能的衰减规律以及影响因素，基于非洲某实际工程项目，调查沥青路面常用的相关参数，基于加速加载磨耗试验，分析不同集料类型、公称最大粒径、级配、不同沥青类型、沥青用量等条件下沥青路面抗滑性能的变化情况，为沥青路面抗滑性能衰减规律以及抗滑性能恢复技术的研究提供借鉴。

2 试验方案设计

2.1 原材料

试验的原材料为沥青、集料、矿粉及木质素。沥青采用普通SBS改性沥青和中海90#普通基质沥青；集料分为粗集料和细集料两种，主要由闪长岩、花岗岩、玄武岩及石灰岩组成；矿粉采用石灰岩矿粉。

2.2 沥青板件成型

本文选用50 cm×50 cm×5 cm作为沥青路面试件尺寸，通过手推式小型振动压路机压实成型。

试件制备的主要流程为：

1）拌和。为保证拌和的均匀性，每块试样分3次进行拌和，拌和后进行保温处理。

2）摊铺。在试模内摊铺报纸同时均匀涂抹煤油，便于成型后试件脱模，将拌和好的沥青混合料缓慢导入试模中，插捣密实并刮平表面。

3）碾压成型。通过手推式小型振动压路机压实成型，控制温度在155℃，压实过程中在沥青表面铺设一定厚度的木板，使试件整体受力均匀，保证试件的均匀性。

4）脱模。碾压后放置24 h，待其温度降至室温，试件成型后，在平整的地面上进行脱模。

2.3 试验方案设计

本文在进行试验设计时，主要考虑沥青和集料的影响，未考虑其他环境因素的影响。沥青因素则主要考虑沥青类型和沥青用量的影响，集料因素则主要考虑集料类型、最大公称粒径和级配的影响。试验设计方案见表1。

表1 试验设计方案

2.4 磨耗终止次数

路面板在磨耗初期断面平均构造深度衰减较快，在磨耗中期断面平均构造深度的衰减逐渐变小，当磨耗次数超过20 000次时，断面平均构造深度的衰减区域稳定。参考杨振[4]的研究，单从断面平均构造深度这一个指标不能完全确定试验要求的磨耗终止次数，还需要引入路面摩擦系数，通过路面摩擦系数随磨耗次数的衰减趋势进行磨耗终止次数的确定。结果表明，采用的加速加载磨耗设备MAAM的磨耗效果非常显著，最终确定磨耗终止次数为24 000次。

3 路面抗滑性能演变规律研究

3.1 集料因素的影响

3.1.1 集料类型

道路的组成材料是影响其结构力学性能的主要因素之一，因此，从集料的岩石组成的角度探究不同沥青路面抗滑性能衰减规律是十分必要的，本节以摩擦系数为抗滑指标，在试件每磨耗2 000次时采集一次抗滑数据，将得到结果绘制成曲线图，如图1所示。

由图1可知，不同集料类型的试件均呈现出相似的变化规律，即抗滑性能随着磨耗次数的增加逐渐衰减，抗滑性能衰减的速率随着磨耗次数的增加逐渐减小，最后稳定在某个小范围内。对于不同集料类型的沥青路面板件，其抗滑性能的耐久性为：玄武岩>花岗岩>闪长岩>石灰岩。其原因可能是岩石自身的物理化学性质以及岩石与沥青之间相互作用的差异导致出现抗滑性能耐久性的不同。

图1 不同集料类型路面摩擦系数变化规律

3.1.2 公称最大粒径

对于混合料的配合比设计，集料的公称最大粒径是其重要参数之一，也是影响路面抗滑性能的重要因素之一。本节利用闪长岩成型的AC10、AC13、AC16三种级配的沥青路面试件进行试验，得到结果如图2所示。

图2 不同公称最大粒径下路面摩擦系数变化规律

由图2可知，不同公称最大粒径时，抗滑性能均随着磨耗次数的增加逐渐衰减，抗滑性能衰减的速率随着磨耗次数的增加逐渐减小，最后稳定在某个小范围内。随着磨耗次数的增加，公称最大粒径为10 mm的试件首先不能达到抗滑要求，结果显示，对于不同公称最大粒径的试件，其抗滑性能的耐久性为：16 mm>13 mm>10 mm，即公称最大粒径较大时，路面抗滑性能耐久性越好。

3.1.3 级配

集料的级配设计是混合料的配合比设计最重要的环节之一，级配也是影响路面抗滑性能的重要因素。本节利用AC16、OGFC16和SMA16三种级配的沥青路面试件进行试验，得到结果如图3所示。

图3 不同级配下路面摩擦系数变化规律

由图3可知，不同级配下抗滑性能均随着磨耗次数的增加逐渐衰减，抗滑性能衰减的速率随着磨耗次数的增加逐渐减小，最后稳定在某个小范围内。结果显示，对于不同级配的沥青路面板件，其抗滑性能的耐久性为：SMA16>OGFC16>AC16。对于SMA16的级配类型来说，其具有“三多一少”的显著特征，与OGFC16和AC16两种级配相比具有更加丰富的纹理特征，具有更加优秀的抗滑性能耐久性。

3.2 沥青因素的影响

本节采用摆式仪和手推式摩擦系数测试车，通过摆值这一指标，从沥青类型和沥青用量两个角度讨论沥青对路面抗滑因素的影响。

3.2.1 沥青类型

采用闪长岩成型的级配为AC13，沥青分别为90#基质沥青和SBS改性沥青的试件进行试验，试验结果如图4所示。

图4 不同沥青类型下路面摩擦系数变化规律

SBS改性沥青是通过某些工艺改变沥青的结构，从而增强沥青与集料之间的黏附作用，提高混合料的耐磨性。由图4可知，在整个磨耗过程中，SBS改性沥青路面的抗滑性能均好于90#基质沥青路面，两种路面在磨耗过程中抗滑性能的变化趋势基本一致，在磨耗后期，两种路面的抗滑性能基本一致，此时沥青类型对路面抗滑性能的影响并不明显，沥青类型对路面抗滑性能的影响主要出现在磨耗初期和磨耗中期。

3.2.2 沥青用量

采用级配为AC13，沥青为90#基质沥青，在确定其最佳油石比（OAC）后，对上下浮动0.3%的沥青用量的试件进行试验，试验结果如图5所示。

图5 不同沥青用量下路面摩擦系数变化规律

由图5可知，在整个磨耗过程中，最佳油石比对应的沥青用量的路面的抗滑性能好于另外两种情况，3种路面在磨耗过程中抗滑性能的变化趋势基本一致，在磨耗初期，OAC+0.3%对应的试件的摆值出现短暂升高，然后迅速下降，原因为过大的油石比在车辆轮胎的作用下，路面的沥青膜出现疲劳脱落的现象，集料在沥青的润滑作用下也发生了迁移变形，导致路面的抗滑性能下降。