基于MMLS3的OGFC-7超薄罩面抗滑性能研究

2024-01-10周浩南王火明徐周聪

公路交通技术 2023年6期

周浩南, 张跃, 王火明, 徐周聪

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067; 2.四川秦巴高速公路有限责任公司, 四川巴中 636000)

沥青路面作为一种无缝连续路面,因具有平整度好、行车舒适性高、施工周期短、养护简单、适合分期施工等优点而在国内外得到广泛应用。但我国许多地区的沥青路面在使用早期就出现了龟裂、剥落、车辙等病害,这些病害会使沥青路面的抗滑性能下降,易导致车辆制动距离过长从而引发交通事故,特别是在雨雪天气下,更易发生事故[1-3]。因此,改善沥青路面的抗滑性能,提高行车安全是道路养护的首要问题。目前,常规方法是加铺具有抗滑性能的超薄罩面层恢复沥青路面的表面抗滑功能[4-6]。

开级配超薄罩面OGFC(Open Graded Friction Course)是一种代表性的超薄铺装材料,其厚度薄、粒径小,不仅有非常优异的排水性能,还能改善路面的抗滑性能、恢复道路的表面功能,是一种用于高等级公路表面层的优质沥青混凝土。目前,我国通常采用最大公称粒径大于 10 mm 的 OGFC 沥青混合料铺筑路面,但当铺筑更薄的罩面层时,则需更细粒径的沥青混合料。由于OGFC空隙较大,需使用高黏沥青作为胶结料才能保证其具有良好的使用性能和使用寿命。目前高黏沥青OGFC 的制备多采用湿法,但该法制备过程繁琐,并易导致沥青发生离析和老化,影响工程使用。干法工艺使用简单、操作性强,可克服湿法工艺中沥青离析、老化等问题,较湿法工艺有显著优势。

OGFC-7是一种引入7.2 mm 筛孔,最大公称粒径为 7 mm 的 OGFC沥青混合料。由于现行规范中 4.75 mm～9.5 mm 筛孔相差较大,故增加 7.2 mm 的筛孔,并借助逐级填充法设计粗集料级配,可确保粗集料级配的均匀性,使粗集料更好地形成嵌挤结构[7]。同时,使用高黏直投改性剂可在一定程度上简化施工流程,提升施工效率。由于OGFC-7 最大公称粒径较OGFC-10小,可减小路面厚度[8-9],更适合作为超薄罩面用于预防性养护工程。

但目前国内外对OGFC-7的研究还较少,尤其对OGFC-7的抗滑性能及其衰减规律研究鲜有报道,无法验证OGFC-7混合料在施工运营后,即经过一定次数的轴载作用后,其仍能保持足够的抗滑性能。因此,为了验证OGFC-7的抗滑性能衰减程度,本文采用加速加载试验方法,对比了在经过不同轴载次数作用后OGFC-10与OGFC-7的抗滑性能变化情况,以验证OGFC-7的抗滑性能耐久性。

1 材料与试验方法

1.1 试验材料制备

为了研究OGFC-7的抗滑性能衰减情况,采用常用OGFC-10混合料作为对照组,对比2种混合料的抗滑性能衰减。根据前期准备试验确定了OGFC-10、OGFC-7最佳油石比分别为5.1%、5.2%,其级配范围如表1所示。

为更真实模拟OGFC-7超薄罩面在车辆荷载作用下的受力状况,选择成型复合车辙板试件进行加速加载试验,如图1所示。本试验选择添加高黏直投剂 A(记为 OGFC-7A)和高黏直投剂 B(记为 OGFC-7B)拌和制作的试件,高黏剂添加量为沥青用量的 13%。制备步骤:1) 制作 30 mm 厚度的AC-13车辙试件;2) 在AC-13试件上洒布改性乳化沥青黏层油,洒布量为1.3 L/m2～1.5 L/m2;3) 待黏层油破乳后,加铺20 mm的OGFC-10与 OGFC-7 沥青混合料,并通过碾压制备复合车辙板。

表1 混合料矿料级配范围

1.2 试验方法

1) MMLS3加速加载试验方法

MMLS3是一种小型加速加载试验方法,其设备由南非的PAVE TESTING公司生产,如图2所示。该设备体积小、加载速度快、可测试范围大,可用于室内和现场试验。与传统路面车辙仪相比,MMLS3的加载方式更接近路面实际情况,测量数据更精确,其主要功能有:

(1) 可通过可控的试验温度和轴载对路面材料进行连续加载,加载频率、轮载、轮压最大值分别为7 200次/h、2.9 kN、850 kPa。

图1 车辙板试样

(2) 可调节试验湿度,能够模拟各种湿度条件下的路面状态。

(3) 可调节加载速度,能够模拟不同车速下的路面加载情况。

(4) 加油轴载轮胎采用空心橡胶胎,轮胎宽度为80 mm,轮胎内部气压可调节。

(5) 配备断面测量仪,可通过激光扫描测定试件加载后的车辙深度。

图2 MMLS3试验设备

2) 抗滑性能测试方法

采用直接与间接手段对OGFC-7超薄罩面的抗滑性能进行测试,根据MMLS3加速加载试验加载次数的不同,测试节点加载次数为0、5、10、20、30、40、50、60、70万次。

(1) 直接测试方法

摆式仪法:模拟路面在潮湿状态下的抗滑性能。其原理是当摆锤下落至路面并上升至某一高度,依靠摆锤与路面接触时克服摩擦力所做的功,来测定路面的摩擦系数摆值。摆式仪操作简单方便,既可用于室内试验,也可用于现场试验。摆式仪按照显示方式的不同,可分为指针式摆式仪和数字式摆式仪,本文采用 BM-V 型电脑数字摆式仪。

(2) 间接测试方法

手工铺砂法:将一定体积的砂在试件表面铺成正圆形,通过测量圆的直径求构造深度TD。但本文只测定试件加载后轮迹带处构造深度的变化,因此传统手工铺砂法不适用于本试验。为了更加准确地测定加载后的构造深度,本试验将砂在轮迹带处铺成矩形,矩形宽度等于 MMLS3 轮胎宽度,构造深度的计算公式为:

(1)

式中:TD为被测试件加载后轮迹带处的构造深度,mm;V为所铺砂的平均体积,mm3;b为铺砂长度,mm。

图像分析法:基于CCD图像传感器的分形维数计算法。由于沥青路面表面纹理变化不规则,传统的抗滑参数会随着测量区域的变化表现出不稳定性,因此,需选取一些合适稳定的参数表征沥青路面复杂的纹理结构。分形理论作为一门用于定量描述几何形体复杂程度及空间填充能力的新兴边缘学科,广泛应用于研究自然界中不稳定的、不规则的现象。计算沥青路面灰度图像的分形维数,就可表征车辙板表面纹理结构随加载次数增加的变化情况[10-12]。工作步骤:

①采用CCD图像传感器对车辙板表面进行拍摄,拍摄时调节CCD相机镜头与车辙板的距离为20 cm,并垂直于车辙板,保持光源、角度和焦距固定。

②拍摄完成后,采用Image J软件来处理图像,并用Smooth等滤波功能对图像进行降噪处理,如图3所示。从图3可见,颜色较浅接近浅灰色处为试件的凸起部分,颜色较深接近黑色部分为试件的凹陷部分,二者的灰度值存在明显差异,其图像灰度值分布有2个波峰。Image J软件可根据图像灰度值波峰中间的波谷位置自动选择一个阈值K,将大于K的灰度值均设为255,小于K的灰度值设为0,形成二值图[13],如此即可根据二值图自动计算图像的分形维数。

(a) 噪点

(b) 二值

(3) 分形维数计算

采用差分盒维数法计算分形维数[14-15],其具体计算原理为:

①将M×M(M为三维空间曲面垂直投影边长)的三维曲面在平面上分割为s×s(s为切割的网格边长,为整数)的网格(M/2≥s≥2)。

②在三维空间中,x轴和y轴表示水平面,z轴表示高度(用h表示),将水平面分割为s×s个网格,每个网格上是s×s×h的盒子,令h=s/M。

③设三维空间曲面高度在第(x,y)网格中最小值落在第k个盒子里,最大值落在第l个盒子里:

nr(i,j)=l-k+1

(2)

式中:nr(i,j)为覆盖第(i,j)网格中的盒子数。覆盖整个曲面的总盒子数N(r)为:

(3)

④分形维数d为:

(4)

2 试验结果与分析

2.1 摩擦系数试验

不同加载次数下,3种试样的摩擦系数试验结果平均值如图4所示。从图4可见,未加载时,OGFC-10的摩擦系数大于OGFC-7,2种OGFC-7的摩擦系数差异较小。随着加载次数的增加,虽然3组试件样本的摩擦系数均在减小,但OGFC-7B的摩擦系数明显高于其他2组试件样本,而OGFC-10与OGFC-7A的摩擦系数则差异较小。这说明OGFC-10的初始抗滑性能优于OGFC-7,但OGFC-7的抗滑性能衰减程度更小、耐久性更好,且通过添加合适的高黏剂,如高黏直投剂B,可提升OGFC-7的抗滑性能及其耐久性。

2.2 构造深度试验

不同加载次数下,3组试样的构造深度试验结果平均值如图5所示。从图5可见,在不同加载次数下,OGFC-10的构造深度始终大于OGFC-7的构造深度,主因是OGFC-10整体粒径更大,混合料间的开口孔隙更多且深度更深,整体嵌挤结构的紧凑度小于OGFC-7,且OGFC-10的摩擦系数仅在初始阶段大于OGFC-7。由此可见,OGFC-10中的部分构造深度对其抗滑性能没有直接贡献,这有可能是由于孔隙结构过大,混合料表面部分较深的孔隙对摆锤的阻力不够明显,从而产生了构造深度对摩擦系数无贡献的情况。而在实际交通运行时,过深的孔隙与车辆轮胎间无法产生有效的摩擦行为时,也有可能产生类似结果。因此,评价不同混合料间的抗滑性能时,仅采用构造深度作为评价指标不具备完全统一性及代表性。

图4 摩擦系数试验结果

图5 构造深度的试验结果

2.3 图像分析法

采用Image J软件对图像处理后的二值图计算得到的分形维数数据结果如表2所示。从表2可见,未加载时,2种OGFC-7的分形维数差异较小,且均大于OGFC-10的分形维数,主因是OGFC-7整体粒径小于OGFC-10,形成了更复杂的表观结构、表面纹理更为粗糙。而随着加载次数的增加,3组试样的分形维数的大小顺序基本呈:OGFC-7B >OGFC-7A >OGFC-10。由此可见,OGFC-7B的表观结构复杂程度的衰减情况小于OGFC-7A,即抗滑性能衰减程度小于OGFC-7A。当2种混合料级配组合相同时,分形维数越大,其抗滑性能越好。