公路彩色抗滑薄層疲勞性能試驗(yàn)分析

毛思驍

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 前 言

公路彩色抗滑薄層是一種應(yīng)用于路面局部的薄層鋪裝結(jié)構(gòu)，作為一種具有色彩提示、防滑減速、美化路面功能的新型交通安全技術(shù)措施，一般用于交叉口、彎道、匝道、特殊橋面、長坡、ETC車道等特殊路段。

彩色抗滑薄層經(jīng)受車輛荷載和自然因素的綜合影響，承受剪、壓、拉、彎曲以及凍融循環(huán)等多重物理力學(xué)作用。其中，車輪荷載循環(huán)作用下的抗疲勞性能是一項(xiàng)重要的試驗(yàn)指標(biāo)。

2 彩色薄層構(gòu)成材料

彩色抗滑薄層材料由硬質(zhì)骨料、粘結(jié)材料組成，此外，底涂層、封層膠和填料等作為輔助材料也時(shí)常使用。其中封層的作用主要是填充表面骨料之間的空隙，以提高骨料粘接強(qiáng)度，并減少雜物嵌入影響彩色抗滑薄層的色彩和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；底涂層的使用主要是為了避免基底材料對粘結(jié)材料的化學(xué)作用，同時(shí)提高粘接強(qiáng)度。常用填料為玻璃珠，以增強(qiáng)彩色抗滑薄層的夜間反光能力，提高夜間的識別效果與行車安全性。

本次試驗(yàn)中的粘結(jié)材料為雙組分丙烯酸樹脂，骨料為彩色石英砂。

3 疲勞性能試驗(yàn)方法

3.1 加載設(shè)備

采用電腦程控液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，最大施加荷載為300 KN。

3.2 試驗(yàn)方法

(1)試件

疲勞試驗(yàn)試件的承載主體采用水泥膠砂試塊，其規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm。在試塊頂部，按著撒砂式施工方法，均勻涂布粘結(jié)材料并粘結(jié)彩色石英砂，形成厚度約4 mm的彩色抗滑薄層，在室溫條件下養(yǎng)生4 h。采用常溫試件、凍融撒除冰鹽試件各做一組疲勞性能試驗(yàn)，每組試驗(yàn)各3個(gè)試件。

(2)試驗(yàn)

將加工好的試件安放在疲勞試驗(yàn)機(jī)的承臺底座上，在試件上的彩色抗滑薄層表面鋪墊8 cm×3 cm×0.5 cm的橡膠條，以模擬輪胎緩沖效果。采用前端弧面直徑為φ3 cm的壓頭，將壓頭緩慢降低，并與橡膠片完全接觸。在正式加載前，需要對試件施加3遍5 KN荷載進(jìn)行預(yù)壓，每次預(yù)壓的穩(wěn)壓時(shí)間為15 s，通過預(yù)壓來避免因接觸不良造成的誤差。

加載控制參數(shù)如下：

控制模式：應(yīng)力控制；

荷載形式：以正弦波方式垂直加載；

荷載頻率：10 Hz。相當(dāng)于車速60 km/h；

施加荷載：夾頭與試件的接觸面積為2.4×10-3m2；為避免疲勞試驗(yàn)機(jī)的荷載漂移影響，正弦波加載的最小荷載Pmin不宜過小，初選Pmax=3 KN、Pmin=0.3 KN。嘗試試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)在此最小荷載下，膠皮的彈性對正弦波波形仍有影響。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，最終選用Pmin=0.4 KN。

4 試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)施加的最大荷載為3 KN，經(jīng)計(jì)算可知，對應(yīng)的最大加載壓應(yīng)力為1.25 MPa，而輪胎與路面的標(biāo)準(zhǔn)接觸壓應(yīng)力為0.7 MPa。因此，本次疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力水平大于公路彩色抗滑薄層的實(shí)際應(yīng)力水平。據(jù)長安大學(xué)的研究成果，混凝土材料的疲勞壽命隨應(yīng)力水平的增高而降低。因此，本次彩色抗滑薄層疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果要比其實(shí)際的疲勞壽命偏低(見表1)。

表1 彩色抗滑薄層疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

lgN=0.569 6-29.527lgS-24.281(lgS)2

(1)

式中：S-應(yīng)力水平，S=σ/f；σ為施加的最大疲勞應(yīng)力(MPa)，f為極限彎拉強(qiáng)度(MPa)；N-疲勞壽命(次)。

根據(jù)長安大學(xué)提出的混凝土材料疲勞曲線方程(公式1)，可推算出水泥混凝土材料在類似應(yīng)力水平下的疲勞壽命(見表2)。

表2 水泥混凝土材料疲勞壽命

由表2可知，在低應(yīng)力水平下，水泥混凝土材料的疲勞壽命可以達(dá)到高應(yīng)力水平的29倍，據(jù)此換算，彩色抗滑薄層疲勞壽命如表3所示。

表3 彩色抗滑薄層換算疲勞壽命

5 彩色抗滑薄層試驗(yàn)路段分析

根據(jù)交通量調(diào)查數(shù)據(jù)，彩色抗滑薄層試驗(yàn)路段的交通量情況如表4。

表4 試驗(yàn)路段交通量調(diào)查表

將以上交通荷載轉(zhuǎn)換為“單軸-雙輪組”100 KN標(biāo)準(zhǔn)軸載，由于小客車、小貨車的軸載較輕，在此忽略不計(jì)。

經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)路段的標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)為1 002次/d，為重交通。利用標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)公式，還可推算出在預(yù)計(jì)使用年限內(nèi)彩色抗滑薄層的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)。取交通量年平均增長率5%，橫向分布系數(shù)0.2，結(jié)果見表5。

根據(jù)表4、表5，試驗(yàn)路段基于標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)推算的3年、5年標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)遠(yuǎn)低于前述的彩色抗滑薄層疲勞壽命。而且在特重交通條件下，彩色抗滑薄層也能夠達(dá)到3～5年的使用時(shí)間。因此，彩色抗滑薄層的耐久性可以滿足各個(gè)等級公路的使用要求，建議根據(jù)道路的通行需求、交通及線形特點(diǎn)合理設(shè)置。

表5 試驗(yàn)路段及特重交通情況下標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)

6 結(jié) 論

根據(jù)以上疲勞性能試驗(yàn)，可知公路彩色抗滑薄層具有較高的疲勞壽命和良好的使用耐久性。另外，道路鋪裝有水泥混凝土路面和瀝青路面之分，本次疲勞試驗(yàn)的彩色抗滑薄層的承載體為水泥砂漿試塊，但考慮到彩色抗滑薄層在水泥混凝土路面上是以“彩色抗滑薄層”本身損壞或剝離為破壞標(biāo)準(zhǔn)，在瀝青路面上是以從瀝青混合料表面剝離為破壞標(biāo)準(zhǔn)，故在物理、力學(xué)及耐候性等性能指標(biāo)滿足技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，就可以在水泥混凝土路面或?yàn)r青路面上正常使用并發(fā)揮其應(yīng)有的效能。