基于加速加载试验的微表处长期路用性能

孙晓立，张肖宁，蔡 旭

（1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州510640；2.广东华路交通科技有限公司，广东 广州510420）

目前国内还没有对微表处的长期路用性能进行系统性研究工作，而采用现场试验路研究不同类型微表处的路用性能变化规律，需要花费大量的研究经费，研究时间也相对较长，试验结果易受外界环境和施工技术水平的影响.为此，本文利用加速加载试验系统研究集料级配、填料类型和用量、聚丙烯纤维用量对微表处的长期路用性能造成的影响，研究成果可为科学地进行微表处混合料设计提供技术指导.

1 主驱动轮式加速加载试验系统

本研究采用华南理工大学开发的“轮胎驱动式路面功能加速加载试验系统”为试验平台，如图1所示［8－9］.加载轮通过摩擦力驱动试件轮（大轮）转动，实现轮胎与路面间相互作用的真实模拟，从而科学评价微表处的长期路用性能.试件轮可以同时加载8个试件（平面尺寸为30cm×30cm），为工艺和材料的优化设计奠定了良好的基础.该系统是在一个密封舱中工作，可以控制舱内温度和湿度，也可以通过在试件表面淋水来模拟降雨过程，通过紫外线灯模拟日照老化过程.因此，该系统是一个全天候的路面表面功能加速加载模拟试验系统.

本文中加速加载试验的试验条件：温度为25℃，轮胎压力为0.7MPa，主动轮速度为1500ms·r－1.试验中采用水泥混凝土试模作为微表处养护措施的载体，摊铺时根据实际的施工条件和厚度进行模拟，安装好试件后进行加速加载试验.根据不同试验方案测试微表处混合料的抗滑性能（摆值、构造深度）和耐磨耗性能（质量损失率）.加速加载试验的试件成型如图2所示.

2 集料级配的影响

2.1 试验方案

根据集料的筛分试验结果，本文在 MS－3型微表处级配范围内选择3个不同级配的微表处混合料进行加速加载试验.这3个不同微表处混合料（即级配I、级配II和级配III）的级配可见图3.由图3可知，级配I偏向规范级配范围的下限，级配II与规范级配中值很接近，级配III偏向规范级配范围的上限.

2.2 集料级配对微表处抗滑性能的影响

采用不同集料级配的微表处试件在经过预设作用次数（3万次）作用之后，微表处的抗滑性能（摆值BPN与构造深度TD）的变化规律如图4和图5所示.从试验结果可以看出：

（1）4.75mm通过率对微表处抗滑性能影响显著.级配I、级配II、级配III混合料的4.75mm通过率分别为71.7%，79.8%和89.4%，荷载作用5 000次后，级配I、级配II、级配III的构造深度分别为1.02，0.93和0.87mm.

按照前述南水北调工程供水利润形成等式，可变换为：工程供水价-变动成本=[固定成本+税后利润/(1-所得税率)]/供水量。

（2）在加速加载试验初期（小于1万次），不同级配微表处的构造深度和摆值都出现明显下降，这是因为随着荷载作用次数的增加，微表处混合料逐渐密实，导致构造深度和摆值降低.

（3）粗级配微表处的抗滑性能衰减速率明显大于细级配微表处.车轮荷载作用3万次后，级配I、级配II和级配III的构造深度分别衰减了32.5%，28.8%和25.7%.

2.3 集料级配对微表处耐磨耗性能的影响

微表处混合料在加速加载试验过程中受轮胎压力、摩擦力以及离心力作用，在这三者的合力作用下微表处会发生剥落.微表处混合料在车轮荷载作用下掉粒、剥落越少，微表处的耐磨耗性能越好，具体如图6所示，根据试验结果可知：

（1）级配I的质量损失率最大，荷载作用3万次后，质量损失率达到2.36%.级配I的粗集料含量大，比表面积小，沥青与细集料不能完全填充到粗集料间隙中，导致粗集料易被车轮带走.

（2）级配III的抗剥落性能最好.荷载作用3万次后，质量损失率为1.21%.这是因为级配I的细集料较多，比表面积大，沥青与细集料可以较好地填充到粗集料间隙中，导致粗集料之间的粘结力较大，不易被车轮荷载带走.

图6 不同级配微表处的质量损失率变化曲线Fig.6 Mass loss ratio curve of micro－surfacing with different gradations

3 填料类型与用量的影响

根据第2节试验结果可知，微表处的级配越粗，抗滑性能越好，然而耐磨耗性能越差.其原因在于混合料的比表面积较小，细集料与沥青不能较好填充粗集料间隙，导致粗集料易被车轮带走.本节采用增大填料用量，提高混合料的比表面积，使得微表处既具有较好的抗滑性能，又有较好的耐磨耗性能.

3.1 试验方案

微表处混合料中可以掺加矿粉、水泥、消石灰等填料.《微表处和稀浆封层技术指南》指出矿粉的主要作用是改善集料级配，水泥的主要作用是调整稀浆混合料的可拌和时间、成浆状态和成型速度等.在微表处混合料中掺入不同类型和用量的填料对微表处路用性能影响较大.本节拟通过加速加载试验深入研究填料类型和用量对微表处长期路用性能的影响.集料级配采用级配I，具体试验方案见表1.

3.2 填料对微表处抗滑性能的影响

表1 填料对微表处路用性能影响的试验方案Tab.1 Test plan of the influence of padding on long term micro－surfacing performance

采用不同填料用量的微表处试件在经过预设作用次数（3万次）作用之后，微表处的抗滑性能（摆值BPN与构造深度TD）的变化规律如图7和图8所示，根据试验结果可知：

（1）增加水泥用量后，微表处构造深度的衰减速度相对较慢，车轮荷载作用3万次后构造深度衰减了27.6%，明显小于普通微表处的构造深度衰减速率.水泥用量的增加对摆值的影响较小.

（2）增加矿粉用量，微表处的构造深度衰减速度相对较慢，车轮荷载作用3万次后构造深度衰减了28.3%.不过增加矿粉对摆值的影响较小.这说明摆值与级配的相关性较小.

3.3 填料对微表处耐磨耗性能的影响

不同填料类型与用量对微表处耐磨耗性能影响如图9所示，由试验结果可知：

（1）增加水泥用量后，微表处的耐磨耗性能明显增加.这是因为水泥水化反应和乳化沥青破乳同时进行，两者互为条件，互相促进，并与沥青一起形成一个立体网状结构，具有有机和无机混合料的双重优异性能.不能发生水化反应的水泥，在混合料中起活性矿粉作用，与沥青分子发生化学吸附，形成一层结构力学膜，提高了沥青与集料间的粘附性.

（2）掺入适当比例的矿粉可明显提高微表处混合料的耐磨耗性能.这是因为在粗级配微表处混合料中掺入适当比例的矿粉，增大了微表处混合料的比表面积，从而增加了沥青用量，粗集料间的空隙率下降，微表处的耐磨耗性能增强.

图9 微表处质量损失率变化曲线Fig.9 Mass loss ratio curve of micro－surfacing

4 纤维添加量的影响

4.1 试验方案

在微表处混合料中添加适当比例的聚丙烯纤维，使混合料“合金化”，不但对沥青具有改性的效果，同时与沥青具有很强的吸附性，使混合料的粘聚力增加，降低了沥青的流动性，使混合料的弹性提高，显著地延长微表处的疲劳使用寿命［10］.本节拟通过加速加载试验研究聚丙烯纤维用量对微表处路用性能的影响，试验中集料级配采用级配I，具体试验方案可见表2.

表2 纤维微表处的试验方案Tab.2 Test plan of micro－surfacing with fiber

4.2 纤维掺量对微表处抗滑性能的影响

图10和图11为采用不同用量纤维的微表处抗滑性能与荷载作用次数之间的关系.根据试验结果可知：

（1）在微表处混合料掺入适当比例纤维后，微表处的抗滑性能得到一定程度的提高.当车轮荷载作用三万次后，掺入0.2%聚丙烯纤维微表处构造深度衰减速度相对较慢，构造深度衰减了27.5%，而且摆值衰减速度也相对较慢.

（2）纤维掺入量不宜过大，微表处的抗滑性能下降明显.根据试验结果，掺入0.3%聚丙烯纤维微表处构造深度衰减了37.0%.因此本文建议纤维掺量应控制在0.2%以内，具体比例需通过室内试验确定.

4.3 纤维掺量对微表处耐磨耗性能的影响

图12为采用不同用量聚丙烯纤维用量对微表处混合料耐磨耗性能的影响，根据试验结果可知：

（1）掺入聚丙烯纤维后，微表处混合料质量损失率减少，耐磨耗性能明显提高.这说明纤维微表处具有较好的耐磨耗性能，具有较好的工程应用前景.

图12 纤维微表处质量损失率变化曲线Fig.12 Mass loss ratio curve of micro－surfacing with fiber

（2）纤维用量过大会导致微表处的耐磨耗性能迅速下降.这是因为纤维的比表面很大，加入量越大，需要在混合料中占的空间越大，且 MS－3级配是连续级配，集料间的孔隙率小，纤维的掺量较大时，混合料中没有足够的空间使纤维均匀地分散开，使得微表处混合料的性能下降.

5 结论

本文以华南理工大学开发的“轮胎驱动式路面功能加速加载试验系统”为模拟试验研究平台，对不同类型的微表处混合料进行了加速加载模拟试验，得出以下主要结论：

（1）微表处的抗滑性能与“关键筛孔”（4.75 mm）的通过率密切相关，当集料4.75mm通过率接近级配下限，微表处的构造深度较大，可满足高速公路行车安全，然而微表处的质量损失率较大，导致抗滑性能衰减速率较快，这是由于粗级配微表处缺乏足够的细料和沥青填充粗集料间的空隙，导致粗集料易被车轮带走.

（2）本研究对不同级配微表处抗滑性能和耐磨耗性能进行了加速加载试验研究，研究结果表明：粗级配微表处的抗滑性能优于细级配微表处，然而耐磨耗性能差于细级配微表处.

（3）填料类型和用量对微表处路用性能影响较大.试验结果表明：在微表处混合料中增加水泥用量，不但可以使得微表处耐磨耗性能明显增加，而且抗滑性能衰减速率明显下降；掺入适当比例的矿粉可以明显提高微表处混合料的耐磨耗性能.这是因为在粗级配微表处混合料中掺入适当比例的矿粉，增大了微表处混合料的比表面积，从而增加了沥青用量，粗集料间的空隙率下降，微表处的耐磨耗性能增强.

（4）在微表处混合料中掺入适当比例的纤维，由于纤维可以吸附较多的自由沥青，增加了沥青用量，从而降低了微表处混合料的空隙率，提高粗集料之间的粘结力，使得粗集料不易被车轮荷载带走.根据加速加载试验结果表明：掺入适当比例的聚丙烯纤维后，微表处的抗滑性能和耐磨耗性能得到明显提高.然而聚丙稀纤维掺入量不应过大，否则会导致微表处路用性能显著下降.建议聚丙烯纤维掺量应控制在0.2%以内，具体比例需通过室内试验确定.

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