濕熱環(huán)境下超薄磨耗層配比設(shè)計(jì)及抗滑性能研究

黃偉

(廣東能達(dá)高等級(jí)公路維護(hù)有限公司， 廣東 廣州 510030)

超薄磨耗層運(yùn)用到路面中能提高路面的抗滑性能。路面抗滑性能指標(biāo)主要包括路面構(gòu)造深度及橫向摩擦系數(shù)。從測(cè)試便捷性及運(yùn)用程度來看，以路面構(gòu)造深度作為路面抗滑性能指標(biāo)更常見。超薄磨耗層的構(gòu)造深度受環(huán)境影響，濕熱環(huán)境下超薄磨耗層的構(gòu)造深度與干燥環(huán)境下有顯著區(qū)別。劉奕研究了濕熱環(huán)境下影響超薄磨耗層抗滑性能的因素，指出施工中應(yīng)將理論配比中油石比含量降低0.3%～0.5%。目前，關(guān)于濕熱環(huán)境影響超薄瀝青砼抗滑性能的成果較多，但都建立在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，需通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定溫度、濕度的影響程度。

G80廣昆(廣州—昆明)高速公路廣云(廣州—云浮)段位于廣東西部地區(qū)，路線全長(zhǎng)37.45 km，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，部分路段為120 km/h，于2004年12月24日正式開通。該高速公路位于北回歸線以南，屬南亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，濕潤(rùn)多雨，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，屬于典型的濕熱地區(qū)。該文以其為對(duì)象，進(jìn)行濕熱環(huán)境下AC-8超薄磨耗層配比設(shè)計(jì)，分析溫度、濕度變化對(duì)超薄磨耗層抗滑性能的影響。

1 原材料

(1) 瀝青。該項(xiàng)目加鋪的超薄磨耗層采用SBS(1-C級(jí))瀝青，其技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

(2) 集料。集料特性影響瀝青混合料的路用性質(zhì)，在瀝青混合料設(shè)計(jì)中集料選擇非常重要。該項(xiàng)目中細(xì)粒式瀝青砼AC-8所用粗、細(xì)集料規(guī)格分別為5～10 mm英安巖碎石和0～5 mm石灰?guī)r機(jī)制砂。根據(jù)JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》，粗集料壓碎值≤26%、表觀密度≥2.6 g/cm3、吸水率≤2.0%，細(xì)集料表觀密度≥2.5 g/cm3。集料密度及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果顯示：細(xì)集料表觀密度>2.5 g/cm3，滿足規(guī)范要求；粗集料壓碎值為19.8%<26%，表觀密度>2.6 g/cm3，吸水率<2%，均滿足規(guī)范要求。

(3) 礦粉。按JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得礦粉的表觀密度為2.754 g/cm3>2.5 g/cm3，滿足規(guī)范要求。

(4) 原材料試驗(yàn)環(huán)境。原材料試驗(yàn)時(shí)溫度為20～30 ℃，濕度為40%～60%。

2 濕熱環(huán)境下超薄磨耗層配比設(shè)計(jì)及性能分析

(1) 礦料級(jí)配組成要求。該項(xiàng)目加鋪的細(xì)粒式瀝青砼AC-8的礦料級(jí)配見表2。

表2 細(xì)粒式瀝青砼AC-8的礦料級(jí)配

(2) 礦料級(jí)配合成計(jì)算。采用水洗法進(jìn)行瀝青砼礦料級(jí)配篩分試驗(yàn)，得到篩分試驗(yàn)結(jié)果及目標(biāo)配合比礦料合成級(jí)配(見表3)。瀝青混合料中各集料的比值為粗集料∶細(xì)集料∶礦粉=61∶30∶9。圖1為細(xì)粒式瀝青砼AC-8礦料級(jí)配曲線。

表3 細(xì)粒式瀝青砼AC-8礦料級(jí)配合成計(jì)算

圖1 細(xì)粒式瀝青砼AC-8的礦料級(jí)配曲線

(3) 馬歇爾試驗(yàn)。細(xì)粒式瀝青砼AC-8的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖2。由表4和圖2可知：瀝青混合料的空隙率取6%時(shí)，瀝青混合料的油石比最佳。采用差分法，取空隙率為6%，對(duì)應(yīng)的油石比計(jì)算結(jié)果為6.35%。因此，瀝青混合料的最佳油石比為6.35%，毛體積密度為2.252 g/cm3。

表4 細(xì)粒式瀝青砼AC-8馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖2 細(xì)粒式瀝青砼AC-8馬歇爾試驗(yàn)曲線

(4) 路用性能試驗(yàn)。對(duì)油石比為6.35%的混合料進(jìn)行車轍試件和凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別見表5、表6。由表5和表6可知：細(xì)粒式瀝青砼AC-8的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，目標(biāo)配合比為粗集料(5～10 mm碎石)∶細(xì)集料(0～5 mm機(jī)制砂)∶礦粉=61∶30∶9，最佳油石比為6.35%。

表5 細(xì)粒式瀝青砼AC-8車轍試驗(yàn)結(jié)果

表6 細(xì)粒式瀝青砼AC-8凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3 濕熱環(huán)境下超薄磨耗層抗滑性能分析

3.1 溫度和濕度對(duì)抗滑性能的影響

以溫度、濕度為研究變量，設(shè)置6種不同溫度及6種不同濕度環(huán)境，將試塊在設(shè)定的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)后測(cè)定AC-8混合料的構(gòu)造深度。每個(gè)變量制作4塊試件，共48塊試件。不同溫度、濕度工況下AC-8混合料的構(gòu)造深度見表7。

表7 不同溫度、濕度下AC-8混合料構(gòu)造深度測(cè)試結(jié)果

由表7可知：溫度和濕度變化均影響混合料的構(gòu)造深度。濕度保持不變時(shí)，隨著溫度的升高，試件的構(gòu)造深度逐漸降低，1 ℃下試件構(gòu)造深度比50 ℃下構(gòu)造深度高0.37 mm，溫度變化對(duì)試件構(gòu)造深度的影響較大。溫度保持不變時(shí)，隨著濕度的增大，試件的構(gòu)造深度逐步增大，但變化幅度較小，濕度為零時(shí)試件構(gòu)造深度比81%～100%濕度下構(gòu)造深度僅小0.05 mm，濕度變化對(duì)試件構(gòu)造深度的影響較小。

溫度、濕度均影響試件的構(gòu)造深度，在不同溫度、濕度環(huán)境下，試件展現(xiàn)出來的抗滑性能存在差異?？紤]到溫度對(duì)構(gòu)造深度的影響更大，采用非線性函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行擬合，建立溫度與構(gòu)造深度之間的函數(shù)關(guān)系[見式(1)]。對(duì)表7中不同溫度下試件構(gòu)造深度進(jìn)行擬合，得到a=0.955、b=-0.068。

HGZ=a×Tb

(1)

式中：HGZ為構(gòu)造深度；a、b為回歸系數(shù)；T為溫度。

3.2 油石比對(duì)抗滑性能的影響

濕熱環(huán)境濕度大、溫度高，對(duì)瀝青面層油石比的影響較大，會(huì)導(dǎo)致路面油石比不穩(wěn)定，導(dǎo)致路面構(gòu)造深度降低。因此，濕熱環(huán)境中影響路面抗滑性能的關(guān)鍵指標(biāo)為油石比。為分析油石比對(duì)路面構(gòu)造深度的影響，采用構(gòu)造深度殘留率進(jìn)行評(píng)價(jià)。

不同油石比下AC-8混合料各制備3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)試件，檢測(cè)其構(gòu)造深度H1。對(duì)試件進(jìn)行輪碾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后沿輪跡帶將試件切割成矩形，測(cè)量其構(gòu)造深度H2。以輪碾試驗(yàn)前后試件的構(gòu)造深度變化作為混合料構(gòu)造深度殘留率H，計(jì)算公式見式(2)。不同油石比下AC-8混合料的構(gòu)造深度殘留率見表8。

H=H2/H1

(2)

表8 AC-8混合料油石比-構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：不同油石比下試件構(gòu)造深度殘留率不同，油石比影響試件的殘留率。隨著油石比的增大，試件構(gòu)造深度殘留率顯著減小。并非采取較大油石比更有利于超薄磨耗層的抗滑性能提高，超薄磨耗層施工中應(yīng)控制好油石比。該項(xiàng)目采用6.35%的油石比能保障超薄磨耗層構(gòu)造深度殘留率達(dá)到相關(guān)要求。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，車轍試驗(yàn)時(shí)間會(huì)影響試件的構(gòu)造深度殘留率。取一組馬歇爾試件，分別增加車轍試驗(yàn)時(shí)間(如降低輪碾速度、延遲輪碾時(shí)間)10、30、50 s，測(cè)試混合料的構(gòu)造深度，結(jié)果見表9。

表9 油石比為6.0%時(shí)不同車轍時(shí)間下AC-8混合料的構(gòu)造深度殘留率

由表9可知：車轍時(shí)間不同，試件的構(gòu)造深度也不同。隨著車轍時(shí)間的增大，試件的構(gòu)造深度殘留率減小。車轍試驗(yàn)中應(yīng)確保車轍時(shí)間一致，避免因車轍時(shí)間不一致造成試驗(yàn)結(jié)果誤差。

3.3 提高瀝青路面抗滑性能的措施

依據(jù)該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，結(jié)合現(xiàn)有超薄磨耗層抗滑性能研究成果，可從以下方面采取措施提高瀝青路面的抗滑性能。

(1) 結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)油石比現(xiàn)狀調(diào)整最佳油石比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，油石比可降低0.3%～0.5%。

(2) 提高瀝青品質(zhì)。從試驗(yàn)路效果來看，密級(jí)配AC-8超薄磨耗層可采用I-D級(jí)改性瀝青。

(3) 改善黏附性。車輛荷載作用在瀝青路面上時(shí)，泉吸作用下將瀝青抽離到路面處，從而增加車輛輪胎接觸的瀝青量，不利于路面抗滑。因此，需確保瀝青和集料間的黏附性。

4 結(jié)論

(1) AC-8混合料的目標(biāo)配合比為粗集料(5～10 mm碎石)∶細(xì)集料(0～5 mm機(jī)制砂)∶礦粉=61∶30∶9，最佳油石比為6.35%。

(2) 溫度和濕度變化均會(huì)影響混合料的構(gòu)造深度。濕度保持不變時(shí)，隨著溫度的升高，試件的構(gòu)造深度逐漸降低；溫度保持不變時(shí)，隨著濕度的增大，試件的構(gòu)造深度逐步增大，但變化幅度較小。相對(duì)于溫度變化，濕度變化對(duì)試件構(gòu)造深度的影響較小。

(3) 油石比影響試件的構(gòu)造深度殘留率，隨著油石比的增大，試件的構(gòu)造深度殘留率顯著減小。超薄磨耗層使用中應(yīng)控制好油石比，并非油石比越大越有利于超薄磨耗層的抗滑性能提高。

(4) 車轍試驗(yàn)時(shí)間會(huì)影響試件的構(gòu)造深度殘留率，車轍時(shí)間增大，試件的構(gòu)造深度殘留率減小。車轍試驗(yàn)中應(yīng)確保車轍時(shí)間一致。

(5) 濕熱環(huán)境會(huì)造成瀝青路面油石比不穩(wěn)定，導(dǎo)致瀝青路面構(gòu)造深度衰減較快。油石比影響瀝青路面的抗滑性能，可從調(diào)整最佳油石比、采用高品質(zhì)瀝青、改善瀝青和集料間黏附性等入手提高超薄磨耗層的抗滑性能。