礦料分異處理對(duì)瀝青混合料抗滑性能的影響

王元元 何 亮 孫 璐

(1重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074)(2重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074)(3東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)

礦料分異處理對(duì)瀝青混合料抗滑性能的影響

王元元1何 亮2孫 璐3

(1重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074)(2重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074)(3東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)

為了定量評(píng)價(jià)礦料分異處理對(duì)路面抗滑性能的改善效果,選擇石灰?guī)r和玄武巖2種抗磨性能差異較大的礦料做分異處理,建立了平均衰變速率(ADR)和平均波動(dòng)幅度(AAF)2個(gè)指標(biāo),分別用來(lái)表征抗滑性能的衰減速率和波動(dòng)劇烈程度．同時(shí),基于ADR和AAF進(jìn)一步定量分析了不同分異配比值對(duì)抗滑性能的影響．結(jié)果表明,分異化處理能夠改善瀝青路面的抗滑性能,加劇抗滑性能波動(dòng)的劇烈程度,降低抗滑性能的衰變速率,延緩其衰變進(jìn)程．但不同分異配比值對(duì)抗滑性能的影響截然不同,合理選擇分異配比值,可以降低抗滑性能的衰減速率,生成新的紋理構(gòu)造,從而顯著地改善混合料的抗滑性能．

瀝青路面;抗滑性能;分異化處理;平均衰變速率;平均波動(dòng)幅度

良好的路面抗滑性能是行車安全的重要保障,交通事故頻發(fā)的主要原因之一是路面抗滑能力的不足[1-2]．在車輛荷載不斷碾壓、揉搓和磨耗作用下,伴隨著自然環(huán)境的侵蝕、路面材料的老化,瀝青路面的抗滑性能將逐漸衰退．特別是在潮濕多雨季節(jié),極容易造成交通安全事故[3]．Xiao等[4]研究了潮濕路面對(duì)交通事故率的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)路面抗滑系數(shù)從48.0降低到33.4時(shí),潮濕路面因抗滑性能的不足而引起的交通事故率將會(huì)增加60%．因此,研究者嘗試通過(guò)多種技術(shù)手段來(lái)維持或提高路面的抗滑性能．目前,提高路面抗滑性能的措施主要包括:修筑抗滑表層,采用工藝型抗滑封層結(jié)構(gòu)(包括表面處治、刻槽、嵌壓集料封層、樹脂系列高分子材料面層防滑處理技術(shù)等),使用耐磨石料,級(jí)配設(shè)計(jì)和優(yōu)選,及時(shí)清除路表污染物和橡膠磨痕等[5-7]．

然而,單一材質(zhì)的集料在車輛荷載和自然環(huán)境的雙重作用下,其抗滑性能隨著時(shí)間的推移逐漸衰減,最終無(wú)法滿足路面安全行車的要求．在集料耐磨性能相當(dāng)?shù)那闆r下,初始階段抗滑性能越好,其抗滑性能的衰變速率也就越大．為了改善瀝青路面的這一特性,使其抗滑性能在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定,研究者們提出了分異型瀝青混合料的概念．它是利用集料之間耐磨性能的差異,使用不同材質(zhì)的集料制備瀝青混合料,從而使路面在使用過(guò)程中可以長(zhǎng)期保持良好的構(gòu)造特征[8-9]．但是,目前分異型瀝青混合料僅僅是被指出具有改善路面抗滑性能的特性,而關(guān)于分異效果的定量評(píng)價(jià)以及其礦料組合的具體配比問(wèn)題都很少被涉及．因此,本文構(gòu)建了平均衰變速率指標(biāo)和平均波動(dòng)幅度2個(gè)指標(biāo),用于定量分析分異型礦料對(duì)抗滑性能的影響,并進(jìn)一步探討不同的分異配比值對(duì)混合料抗滑性能的影響．

1 材料與試驗(yàn)

1.1 試樣制備

以玄武巖材質(zhì)的懸浮密實(shí)級(jí)配(AC-13)和骨架密實(shí)級(jí)配(SMA-13)兩種級(jí)配類型的混合料為基礎(chǔ)進(jìn)行分異化處理,混合料的級(jí)配構(gòu)成見(jiàn)表1．表中AC-13級(jí)配所使用的瀝青為70#石油瀝青,而SMA-13級(jí)配則使用SBS改性瀝青進(jìn)行拌制,這2種瀝青均由江蘇寶利瀝青股份有限公司提供．按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分,它們分別屬于A級(jí)70#石油瀝青和Ⅰ-D類SBS 改性瀝青．分異處理選用2種抗磨性能差異較大的礦料,分別為石灰?guī)r和玄武巖,2種礦料的抗磨耗性能指標(biāo)見(jiàn)表2．本文參照動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)摩擦系數(shù)測(cè)試儀的尺寸,自制加工鋼制模具,選擇與瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備配套的輪碾成型儀,用于瀝青混合料試件的壓實(shí)成型．各類瀝青混合料試件均被制備成45 cm×40 cm×5 cm的試板．

表1 瀝青混合料試樣的級(jí)配構(gòu)成

注：t為篩孔尺寸.

表2 不同集料指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果

1.2 室內(nèi)加速磨耗設(shè)備開發(fā)

為了測(cè)試瀝青混合料試件抗滑性能的變化規(guī)律,本文在前人研究[10-11]的基礎(chǔ)上,調(diào)整加速磨耗儀的旋轉(zhuǎn)直徑,將磨耗設(shè)備的旋轉(zhuǎn)直徑改為30 cm,該尺寸同動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)摩擦系數(shù)儀的旋轉(zhuǎn)直徑相同．這樣在不影響模擬車輛輪胎真實(shí)作用的情況下,既可以測(cè)試低速條件下的抗滑性能,又可以測(cè)試高速條件下的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)．改進(jìn)后的微型環(huán)道式加速磨耗儀見(jiàn)圖1,它主要由框架、噴水系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、輪組加載系統(tǒng)組成．該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由86BYG250D型步進(jìn)電機(jī)和減速比為1∶20的NMRV040型渦輪蝸桿減速機(jī)共同構(gòu)成,其轉(zhuǎn)速為720 r/h．輪組加載系統(tǒng)的接地壓強(qiáng)為0.7 MPa,選用4個(gè)邵氏硬度為70A～75A的靜音實(shí)心橡膠輪胎,輪胎直徑為150 mm,胎面寬50 mm．同空心輪胎相比,該實(shí)心輪胎更耐磨,且具有較好的吸振、減震效果．考慮到50 mm的輪跡寬度難以滿足摩擦系數(shù)測(cè)試的要求,本文將輪胎輪跡帶的分布設(shè)計(jì)成圖2所示形式,通過(guò)輪胎的錯(cuò)位重疊,使最終輪跡寬度達(dá)到80 mm．

圖1 室內(nèi)加速磨耗儀構(gòu)造圖

圖2 加速磨耗儀的輪跡分布

在測(cè)試瀝青混合料試件的抗滑性能指標(biāo)前,瀝青混合料試件首先需要經(jīng)歷加速磨耗設(shè)備的打磨作用．本文選用擺式摩擦系數(shù)儀和動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)摩擦系數(shù)儀測(cè)試混合料試件的擺值(BPN)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)(DF60)2個(gè)指標(biāo),分別表征其在低速和高速行駛狀態(tài)下的抗滑性能．對(duì)于初期瀝青膜的打磨階段,選擇在試件被打磨4和6 h后分別測(cè)其摩擦系數(shù);而對(duì)6 h以后的磨光階段,每間隔4 h測(cè)試一次,直到試件被打磨62 h．

2 結(jié)果與討論

2.1 分異處理對(duì)抗滑性能的影響

首先以分異配比值(即除礦粉以外,混合料每一粒徑所對(duì)應(yīng)的集料中石灰?guī)r集料與玄武巖集料的比值)為30%的組合為例,分析礦料分異處理前后混合料抗滑性能的變化情況．圖3和圖4分別給出了SMA-13和AC-13兩種級(jí)配類型混合料的試驗(yàn)結(jié)果．圖中，SMA-13(H)-30%表示分異配比值為30%的SMA-13級(jí)配分異型瀝青混合料;X表示混合料材質(zhì)為玄武巖;H表示分異混合處理．

圖3和圖4表明,在分異前后,2種級(jí)配類型的混合料表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,最顯著的特點(diǎn)就是分異后瀝青混合料的抗滑性能在加速打磨30 h后出現(xiàn)明顯波動(dòng)．這種波動(dòng)現(xiàn)象的存在使路面抗滑性能得以改善．造成這種波動(dòng)現(xiàn)象的原因是:初期階段混合料表面的紋理形貌被逐漸打磨,直到硬質(zhì)集料和軟質(zhì)集料的紋理構(gòu)造接近．此時(shí),更容易被打磨的軟質(zhì)集料首先被磨耗,而硬質(zhì)集料的耐磨性能較好,被打磨的速率較慢．正是由于集料中這種磨耗速率間的差異使得瀝青混合料表面的紋理形貌構(gòu)造再次逐漸凸顯,從而增強(qiáng)其抗滑性能．當(dāng)軟質(zhì)集料被打磨到一定程度后,輪胎的作用力主要集中在硬質(zhì)集料表面,再次對(duì)硬質(zhì)集料進(jìn)行打磨．如此往復(fù)就出現(xiàn)抗滑性能不斷波動(dòng)的現(xiàn)象．

(a) BPN指標(biāo)

(b) DF60指標(biāo)況

(a) BPN指標(biāo)

(b) DF60指標(biāo)

2.2 分異效果的定量評(píng)價(jià)

從圖3和圖4中的變化規(guī)律很難直接評(píng)價(jià)分異處理對(duì)抗滑性能的具體影響程度.為了定量評(píng)價(jià)分異處理措施對(duì)混合料抗滑性能的影響,本文采用對(duì)數(shù)模型或指數(shù)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,采用回歸系數(shù)A或D的絕對(duì)值作為平均衰變速率指標(biāo)(ADR),反映分異前后混合料抗滑性能在整個(gè)階段的平均衰變情況．

對(duì)數(shù)模型

y=Aln(x)+B

(1)

指數(shù)模型

y=CeDx

(2)

式中,y為摩擦系數(shù)指標(biāo);x為荷載作用次數(shù);A,B,C,D為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)．

(3)

式中,n為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)．

圖5 平均波動(dòng)幅度求解示意圖

通過(guò)對(duì)比2種回歸模型的R2發(fā)現(xiàn),2種抗滑性能指標(biāo)的回歸模型不盡相同． 對(duì)數(shù)模型更適合于BPN指標(biāo),而指數(shù)模型則更適合于DF60指標(biāo)．SMA-13和AC-13兩種級(jí)配類型混合料分異前后ADR和AAF的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3．

表3 礦料分異前后混合料ADR和AAF計(jì)算結(jié)果

表3中ADR結(jié)果表明,對(duì)于SMA-13,經(jīng)分異配比值為30%的分異處理后,BPN指標(biāo)的衰減速率降低了7.2%,DF60指標(biāo)的衰減速率降低了17.8%;對(duì)于AC-13,分異處理后表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,BPN指標(biāo)和DF60指標(biāo)的衰減速率分別降低了14.1%和17.5%．從AAF指標(biāo)來(lái)看,分異處理后混合料后期抗滑性能的波動(dòng)幅度開始增大．對(duì)于SMA-13級(jí)配瀝青混合料,分異處理使BPN指標(biāo)的AAF值從0.019 8增加到0.036 4,使DF60指標(biāo)的AAF值從0.016 6增加到0.021 9;對(duì)于AC-13級(jí)配瀝青混合料,分異處理使BPN指標(biāo)和DF60指標(biāo)的AAF分別增加了31.9%和58.8%．這說(shuō)明,瀝青混合料經(jīng)礦料分異處理后,加劇了抗滑性能指標(biāo)波動(dòng)的程度,有助于打磨后期紋理形貌構(gòu)造的繼續(xù)形成,從而降低了抗滑性能的衰變速率,延緩了抗滑性能指標(biāo)的衰變進(jìn)程,顯著改善了路面的抗滑性能．

2.3 分異配比值對(duì)抗滑性能的影響

為了進(jìn)一步分析其他分異配比值下的分異處理效果,本文以SMA-13級(jí)配類型的瀝青混合料為例,分別以分異配比值為0,10%,30%和50%的組合制備瀝青混合料試件,并計(jì)算其ADR和AAF指標(biāo)的變化情況,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4．

表4 不同配比的分異混合料ADR和AAF計(jì)算結(jié)果

從表4看出,隨著分異配比值的增加,無(wú)論是BPN指標(biāo)還是DF60指標(biāo),其AAF值均展現(xiàn)出增加的趨勢(shì)．這說(shuō)明分異處理有助于紋理形貌構(gòu)造被打磨光滑后繼續(xù)形成新的紋理形貌構(gòu)造,抗滑性能指標(biāo)的波動(dòng)程度隨著分異配比的增加而逐漸變得劇烈．然而 ADR值則隨著分異配比值的不同表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律,當(dāng)分異配比值較低即10%時(shí),其ADR值變化并不顯著;當(dāng)分異配比值達(dá)到30%時(shí),ADR值有所降低,對(duì)于BPN和DF60兩個(gè)指標(biāo)，其ADR的降低率分別達(dá)到7.2%和17.8%;而當(dāng)分異配比值達(dá)到50%時(shí),ADR值卻又突然增加, 其抗滑性能的衰減速率由于大量軟質(zhì)材料的加入而大大增加．由此可知,盡管分異配比值的增加有助于紋理形貌構(gòu)造的重新形成,但并不是分異配比值越大越好．分異配比值存在一個(gè)合理的范圍,當(dāng)分異配比值偏小時(shí),由于其軟質(zhì)材料摻入量較少,再次形成新的紋理形貌構(gòu)造的能力受到限制,從而對(duì)抗滑性能整體衰變速率的影響不大，難以起到改進(jìn)的效果;而當(dāng)分異配比值偏大時(shí),抗滑性能又會(huì)由于大量耐磨性能偏差的材質(zhì)的引入而影響混合料抗滑性能的發(fā)揮,使得其抗滑性能衰減速率遠(yuǎn)大于分異處理前．因此,在進(jìn)行分異處理時(shí),應(yīng)該同時(shí)考慮ADR和AAF兩個(gè)指標(biāo),既要保證抗滑性能的衰減速率得到控制,又要保證在磨損的過(guò)程中可以重新形成新的紋理形貌構(gòu)造．合理的分異配比值(本文試驗(yàn)中約30%)不僅可以改善抗滑性能的衰減速率,有助于使抗滑性能在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)得到維持,同時(shí)還有助于在后期的打磨中不斷生成新的紋理形貌構(gòu)造,從而改善混合料的抗滑性能．

3 結(jié)論

1) 分異處理能夠加劇抗滑性能波動(dòng)的劇烈程度,幫助生成新的紋理形貌構(gòu)造,從而降低抗滑性能的衰變速率,延緩抗滑性能指標(biāo)的衰變進(jìn)程．

2) 偏小的分異配比值會(huì)限制紋理形貌構(gòu)造再次形成的能力,對(duì)抗滑性能整體衰變速率的影響不大，達(dá)不到明顯改進(jìn)的效果;而偏大的分異配比值,又會(huì)因大量耐磨性能偏差礦料的引入,使得抗滑性能的衰減速率遠(yuǎn)大于分異處理前．

3) 不同的分異配比值對(duì)抗滑性能的影響截然不同，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制所選用的分異配比．合理的分異配比值可以幫助生成新的紋理形貌構(gòu)造,降低抗滑性能的衰減速率,從而顯著地改善混合料的抗滑性能．

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Effectofdifferentiationprocessingofmineralaggregateonasphaltpavementslidingresistance

Wang Yuanyuan1He Liang2Sun Lu3

(1National and Local Joint Engineering Laboratory of Traffic Civil Engineering Materials, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China) (2School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China) (3School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096,China)

In order to quantitatively evaluate the effect of differentiation processing on pavement sliding resistance, two types of mineral aggregates with different wear resistances, limestone and basalt, were chosen for differentiation processing, and average decay rate (ADR) and average amplitude of fluctuation (AAF) were established to express the degradation rate and the fluctuation amplitude, respectively. Additionally, based on ADR and AAF, the effect of differentiation distribution ratios on sliding resistance was also analyzed. The results show that the differentiation processing of mineral aggregate can improve the pavement sliding resistance, intensify the fluctuation intensity and delay the degradation process. However, the influence of different differentiation distribution ratios on sliding resistance is completely different. The reasonable choice of differentiation distribution ratio is helpful to decrease the degradation rate of sliding resistance and generate new texture structures, thus improving the sliding resistance of asphalt mixture.

asphalt pavement; sliding resistance; differentiation processing; average decay rate(ADR); average amplitude of fluctuation(AAF)

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.021

U416.217

A

1001-0505(2017)06-1216-05

2017-06-16.

王元元(1987—)，男，博士，講師，wyy1005@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5151101364).

王元元,何亮,孫璐.礦料分異處理對(duì)瀝青混合料抗滑性能的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(6):1216-1220.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.021.