瀝青路面抗滑衰變特性研究

劉碧媛

(甘肅省隴南市成縣交通運(yùn)輸局 隴南 742500)

引言

自改革開放以來，中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)日漸發(fā)達(dá)，作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段之一，公路鐵路等各類交通手段穩(wěn)步發(fā)展，其中由于公路的需求量加大，發(fā)展也就日益壯大，綜合國(guó)力也得到了明顯的提升，國(guó)內(nèi)公路交通已經(jīng)達(dá)到了世界首屈一指的位置[1]。作為交通基礎(chǔ)設(shè)施，以服務(wù)人民、發(fā)展經(jīng)濟(jì)和便捷為主要作用。公路種類亦多種多樣，其中瀝青路面本身由于施工、養(yǎng)護(hù)、使用、維護(hù)幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)比較突出，主要體現(xiàn)為：施工過程簡(jiǎn)便、快捷；路面平整，無縫隙，方便養(yǎng)護(hù)；行車過程中低噪音低振動(dòng)，舒適感明顯優(yōu)于其他類型公路。瀝青路面為大眾所青睞，作為主要研究對(duì)象，瀝青路面的各項(xiàng)優(yōu)異指標(biāo)顯著的同時(shí)，其路面抗滑性能是其需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容[2]。從現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀來看，我國(guó)對(duì)瀝青路面的探索時(shí)間相對(duì)較晚，從19世紀(jì)70年代初左右開始接觸瀝青路面的抗滑性能，并發(fā)現(xiàn)瀝青路面的抗滑性能在路用性能上的重要地位，雖然研究的開始階段相比于國(guó)外研究相差半個(gè)世界左右，但在“八五”科技攻關(guān)之后，交通運(yùn)輸部組織大量人員對(duì)路面抗滑能力進(jìn)行了研究[3]。現(xiàn)在學(xué)者中廣泛認(rèn)為路面的抗滑力主要是由于汽車輪胎與路面之間的用于改變和控制車輛行駛狀態(tài)的一種摩擦力。曹平[4]采用基本路面污染物，如：潤(rùn)滑油、泥沙、污水等，研究路面抗滑能力與不同污染物之間的影響。結(jié)果表明：存在于汽車輪胎和瀝青路面之間的污染物對(duì)路面抗滑能力有較明顯的影響，更有甚者可以導(dǎo)致路面終身失去原始抗滑能力，比如微顆粒物亦或者液體油狀物等等，此類污染物對(duì)瀝青路面的抗滑能力影響十分明顯。趙戰(zhàn)利[5]從路面原始材料的基本物理性質(zhì)進(jìn)行入手，即對(duì)路面粗集料的形狀、細(xì)集料的集配等基本物理性能進(jìn)行分析，并結(jié)合分形理論和分形評(píng)價(jià)指標(biāo)等理論，針對(duì)性分析路面的抗滑性能與影響條件，并探討了路面抗滑能力與結(jié)構(gòu)分形構(gòu)造的變化規(guī)律和分形混合料的變化特征。

1 瀝青路面抗滑機(jī)理分析

路面的抗滑力主要是指汽車輪胎面和路面紋理構(gòu)面所產(chǎn)生的最大摩擦力。其最大摩擦力主要是指兩個(gè)方面的作用力，其一為宏觀現(xiàn)象產(chǎn)生的阻滯力；其二為微觀現(xiàn)象產(chǎn)生的粘附力。橡膠輪胎的紋理粗糙面與瀝青路面紋路的接觸所產(chǎn)生的一種宏觀狀態(tài)下的輪胎—路面摩擦力，這種宏觀狀態(tài)下的阻滯力主要由于輪胎與路面紋理之間相互接觸產(chǎn)生的彈性變形和路面和輪胎微凸并且在汽車行駛過程中產(chǎn)生的切削作用。在機(jī)動(dòng)車行駛過程中，汽車輪胎與路面接觸時(shí)，輪胎—路面產(chǎn)生分子間的相互作用力，這種作用力就是微觀現(xiàn)象產(chǎn)生的粘附力。

總的來說，汽車輪胎的材料物理性能和瀝青路面的材料物理性能決定了瀝青路面的抗滑能力，由于汽車生產(chǎn)廠家太過龐大，使用材料亦多種多樣。本文探討主要針對(duì)瀝青路面材料的紋理構(gòu)造和基本形態(tài)指數(shù)來進(jìn)行分析研究。其中秦新等[6]發(fā)現(xiàn)路面的微觀紋理與其波長(zhǎng)有密切關(guān)系，其波長(zhǎng)小于0.5mm的表面凸體并且瀝青路面的顆粒高度在0.001～0.5mm之間的表面凸體才可以稱之為瀝青路面的微觀紋理。相對(duì)應(yīng)的就會(huì)有宏觀紋理，宏觀紋理同樣也有波長(zhǎng)的限制，波長(zhǎng)在0.5～50mm范圍內(nèi)的表面凸體并且瀝青路面的顆粒高度在0.1～20mm范圍內(nèi)的表面凸體稱之為瀝青路面的宏觀紋理。在宏觀紋理和微觀紋理中，微觀紋理保證了汽車在干燥無污染物的路面上的低速行駛基本摩擦力，低速范圍為：時(shí)速小于40km/h；宏觀紋理保證了汽車在行駛過程中的排污排水能力，同時(shí)保證瀝青路面和汽車輪胎的接觸。并且在汽車行駛速度大于40km/h時(shí)，使得瀝青路面具有更加明顯的抗滑作用。

2 瀝青抗滑因素分析

瀝青路面的抗滑能力主要由汽車輪胎面和路面紋理構(gòu)面所產(chǎn)生的最大摩擦力提供。但是對(duì)于各種各樣的路面抗滑性能的影響因素來說，最主要的影響因素主要有以下四種路面材料、荷載因素、環(huán)境因素、車輛本身因素。其中，路面材料主要由路面集料的礦物質(zhì)性質(zhì)、路面集料的形貌學(xué)性質(zhì)、結(jié)合料性質(zhì)、路面構(gòu)造(微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造)幾種因素綜合影響；荷載因素主要由路面使用時(shí)間、交通強(qiáng)度以及車輛荷載組成、道路幾何線形、交通流量條件等交互影響；環(huán)境因素主要由水膜厚度以及排水條件、表面污染度、溫度和降雨量、季節(jié)效應(yīng)引起的短期變化等的交互作用；車輛因素主要由車輛行駛方向上輪胎的角度、車輪滑移率、行車速度、輪胎特性(如結(jié)構(gòu)類型、硬度、耐磨性、輪胎花紋和樣式)等因素產(chǎn)生影響。

3 瀝青路面抗滑性能衰變的特點(diǎn)

瀝青路面具有一定抗滑性能是能夠保障行車安全必要條件之一。但是隨著路面材料、荷載因素、環(huán)境因素、車輛本身因素等內(nèi)外兩方面的影響，加之由于時(shí)間的不斷積累，瀝青路面的抗滑性能也會(huì)逐漸衰減。瀝青路面抗滑性能的衰變過程在每一個(gè)衰變過程的時(shí)間段內(nèi)都有不同的衰變結(jié)果，這個(gè)衰變過程也是一個(gè)隨著時(shí)間逐漸變化的長(zhǎng)期變化過程。

4 瀝青路面摩擦系數(shù)指標(biāo)研究

4.1 瀝青混合料的選擇與方案設(shè)計(jì)

基于前人的研究基礎(chǔ)，對(duì)前人總結(jié)的公式進(jìn)行改版和總結(jié)。同時(shí)，推導(dǎo)出了新的輪胎磨耗量的公式，此公式對(duì)瀝青路面的抗滑能力可以進(jìn)行詳盡的分析，具體見下式：

RW=KM2.3R-2.3V4.6

式中：RW為汽車輪胎的磨損量；K為比例系數(shù)(根據(jù)車輛不同、路況不同選擇相應(yīng)的比例系數(shù))；M為汽車荷載分配到每一個(gè)輪胎上的平均質(zhì)量；R為抗滑性能試驗(yàn)儀器的旋轉(zhuǎn)半徑(本文所選的試驗(yàn)儀器半徑為14cm)；V為試驗(yàn)過程中車輛前進(jìn)速度。根據(jù)上述公式對(duì)不同路面材料進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，通過混合試樣的設(shè)計(jì)與組合，可以反映出不同集料組合對(duì)瀝青路面的抗滑能力的影響。考慮到以上幾種影響，對(duì)于細(xì)集料選擇石灰?guī)r和玄武巖兩種，粗集料選擇石灰?guī)r、玄武巖和鋼渣進(jìn)行粗細(xì)集料的配合。檢測(cè)項(xiàng)目為影響瀝青抗滑性能的主要項(xiàng)目包括：磨耗值(%)、磨光性(BPN)和棱角性(s)。這其中粗集料進(jìn)行磨耗值和磨光值的測(cè)試，而細(xì)集料只進(jìn)行棱角性的測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果與試驗(yàn)方法見表1。

表1 粗細(xì)集料測(cè)試指標(biāo)與結(jié)果

4.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

將上述三種粗集料分別與細(xì)集料進(jìn)行不同材料的配比混合，制作成試驗(yàn)試件。由于粒徑大于16mm的鋼渣材料很少，所以選取石灰?guī)r與其進(jìn)行配合。最終組成三組試驗(yàn)進(jìn)行，三組試件分別命名，其中粗集料為石灰石細(xì)集料為玄武石命名為試件1，粗集料為玄武石細(xì)集料為石灰石命名為試件2，粗集料為鋼渣細(xì)集料為石灰石命名為試件3。為了探究出瀝青混合料的紋理指標(biāo)使用周期，試驗(yàn)的三組試件分別進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)分別記錄BPN值并計(jì)算出磨耗值(%)。試驗(yàn)前5個(gè)小時(shí)每隔1小時(shí)進(jìn)行混合料的試驗(yàn)指標(biāo)記錄，也就是0h、1h、2h、3h、4h、5h分別記錄。之后每隔3h記錄一次，每次記錄的數(shù)值差值小于1時(shí)再記錄3次測(cè)試即可。此時(shí)認(rèn)為試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果趨于穩(wěn)定。記錄的試驗(yàn)結(jié)果繪制二維曲線圖見圖1。

圖1 BPN的衰變規(guī)律

5 瀝青混合料的衰變分析

瀝青路面的抗滑性能依舊是瀝青路面比較重要的檢測(cè)指標(biāo)。由圖1中可以看出，隨著試驗(yàn)時(shí)間的不斷增加，瀝青混合料的BPN衰減并不是呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)，在試驗(yàn)的前幾個(gè)小時(shí)內(nèi)三種試件的BPN逐漸增加，說明打磨試驗(yàn)的前幾個(gè)小時(shí)并不是將路面試件與輪胎直接打磨光滑，而是先開始變得粗糙，使得BPN值逐漸增加。當(dāng)BPN值增加到一定數(shù)值后(即達(dá)到最高值)，BPN值開始進(jìn)行衰減，衰減程度會(huì)隨著試件材料的不同而有所差異，其中試件1的衰減程度最大，衰減的最終BPN值也最小，其BPN最小值僅為42。試件3的BPN衰減也最緩慢，其BPN最小值為48。三種材料的衰減趨勢(shì)大體相同，均為開始幾個(gè)小時(shí)有所增加，之后開始進(jìn)入衰減階段，各個(gè)材料衰減到最低值所用的時(shí)間也大不相同，試件1混合料衰減到最低值用了44個(gè)小時(shí)，試件2混合料衰減到最低值用了50個(gè)小時(shí)，試件3混合料衰減到最低值用了56個(gè)小時(shí)，可以看出試件3混合料不僅僅衰減程度最小，耗時(shí)也最長(zhǎng)，說明試件3組成的瀝青路面抗滑性能最優(yōu)。

6 結(jié)論

本文研究了瀝青路面抗滑性能和BPN的衰減曲線，同時(shí)進(jìn)行了三種粗集料分別與細(xì)集料進(jìn)行不同材料的配比混合分析，最后得到了關(guān)于瀝青路面抗滑性能的幾點(diǎn)建議和結(jié)論，總結(jié)如下：

(1)本文對(duì)瀝青路面的抗滑性能的原理進(jìn)行了介紹；同時(shí)對(duì)抗滑性能影響因素進(jìn)行了充分的分析；如使瀝青路面具有更加有效地抗滑性能，應(yīng)盡量避免各類客觀影響因素的發(fā)生。

(2)通過室內(nèi)瀝青路面抗滑性能試驗(yàn)，得到粗集料為石灰石細(xì)集料為玄武石的瀝青路面混合料的抗磨性能較差，衰減幅度也最大。

(3)通過比較三種混合料的BPN衰減曲線，發(fā)現(xiàn)三種混合料的衰減曲線在開始進(jìn)行時(shí)都有上升的階段，上升到一定值后才開始進(jìn)行衰減。

(4)通過比較三種混合料的BPN衰減曲線，發(fā)現(xiàn)三種混合料的衰減曲線在最后階段都會(huì)趨于平緩，不同的是各種材料的衰減曲線所用時(shí)間不同，其中粗集料為石灰石細(xì)集料為玄武石的瀝青路面混合料最快達(dá)到，在44個(gè)小時(shí)左右達(dá)到BPN的最低點(diǎn)。