矿料分异处理对沥青混合料抗滑性能的影响

王元元 何 亮 孙 璐

(1重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室, 重庆 400074)(2重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400074)(3东南大学交通学院, 南京 210096)

矿料分异处理对沥青混合料抗滑性能的影响

王元元1何 亮2孙 璐3

(1重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室, 重庆 400074)(2重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400074)(3东南大学交通学院, 南京 210096)

为了定量评价矿料分异处理对路面抗滑性能的改善效果,选择石灰岩和玄武岩2种抗磨性能差异较大的矿料做分异处理,建立了平均衰变速率(ADR)和平均波动幅度(AAF)2个指标,分别用来表征抗滑性能的衰减速率和波动剧烈程度．同时,基于ADR和AAF进一步定量分析了不同分异配比值对抗滑性能的影响．结果表明,分异化处理能够改善沥青路面的抗滑性能,加剧抗滑性能波动的剧烈程度,降低抗滑性能的衰变速率,延缓其衰变进程．但不同分异配比值对抗滑性能的影响截然不同,合理选择分异配比值,可以降低抗滑性能的衰减速率,生成新的纹理构造,从而显著地改善混合料的抗滑性能．

沥青路面;抗滑性能;分异化处理;平均衰变速率;平均波动幅度

良好的路面抗滑性能是行车安全的重要保障,交通事故频发的主要原因之一是路面抗滑能力的不足[1-2]．在车辆荷载不断碾压、揉搓和磨耗作用下,伴随着自然环境的侵蚀、路面材料的老化,沥青路面的抗滑性能将逐渐衰退．特别是在潮湿多雨季节,极容易造成交通安全事故[3]．Xiao等[4]研究了潮湿路面对交通事故率的影响,发现当路面抗滑系数从48.0降低到33.4时,潮湿路面因抗滑性能的不足而引起的交通事故率将会增加60%．因此,研究者尝试通过多种技术手段来维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:修筑抗滑表层,采用工艺型抗滑封层结构(包括表面处治、刻槽、嵌压集料封层、树脂系列高分子材料面层防滑处理技术等),使用耐磨石料,级配设计和优选,及时清除路表污染物和橡胶磨痕等[5-7]．

然而,单一材质的集料在车辆荷载和自然环境的双重作用下,其抗滑性能随着时间的推移逐渐衰减,最终无法满足路面安全行车的要求．在集料耐磨性能相当的情况下,初始阶段抗滑性能越好,其抗滑性能的衰变速率也就越大．为了改善沥青路面的这一特性,使其抗滑性能在一个较长时期内相对稳定,研究者们提出了分异型沥青混合料的概念．它是利用集料之间耐磨性能的差异,使用不同材质的集料制备沥青混合料,从而使路面在使用过程中可以长期保持良好的构造特征[8-9]．但是,目前分异型沥青混合料仅仅是被指出具有改善路面抗滑性能的特性,而关于分异效果的定量评价以及其矿料组合的具体配比问题都很少被涉及．因此,本文构建了平均衰变速率指标和平均波动幅度2个指标,用于定量分析分异型矿料对抗滑性能的影响,并进一步探讨不同的分异配比值对混合料抗滑性能的影响．

1 材料与试验

1.1 试样制备

以玄武岩材质的悬浮密实级配(AC-13)和骨架密实级配(SMA-13)两种级配类型的混合料为基础进行分异化处理,混合料的级配构成见表1．表中AC-13级配所使用的沥青为70#石油沥青,而SMA-13级配则使用SBS改性沥青进行拌制,这2种沥青均由江苏宝利沥青股份有限公司提供．按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的技术标准进行划分,它们分别属于A级70#石油沥青和Ⅰ-D类SBS 改性沥青．分异处理选用2种抗磨性能差异较大的矿料,分别为石灰岩和玄武岩,2种矿料的抗磨耗性能指标见表2．本文参照动态旋转摩擦系数测试仪的尺寸,自制加工钢制模具,选择与沥青混合料四点弯曲疲劳试验设备配套的轮碾成型仪,用于沥青混合料试件的压实成型．各类沥青混合料试件均被制备成45 cm×40 cm×5 cm的试板．

表1 沥青混合料试样的级配构成

注：t为筛孔尺寸.

表2 不同集料指标的测试结果

1.2 室内加速磨耗设备开发

为了测试沥青混合料试件抗滑性能的变化规律,本文在前人研究[10-11]的基础上,调整加速磨耗仪的旋转直径,将磨耗设备的旋转直径改为30 cm,该尺寸同动态旋转摩擦系数仪的旋转直径相同．这样在不影响模拟车辆轮胎真实作用的情况下,既可以测试低速条件下的抗滑性能,又可以测试高速条件下的动态摩擦系数．改进后的微型环道式加速磨耗仪见图1,它主要由框架、喷水系统、驱动控制系统、轮组加载系统组成．该设备的驱动控制系统由86BYG250D型步进电机和减速比为1∶20的NMRV040型涡轮蜗杆减速机共同构成,其转速为720 r/h．轮组加载系统的接地压强为0.7 MPa,选用4个邵氏硬度为70A～75A的静音实心橡胶轮胎,轮胎直径为150 mm,胎面宽50 mm．同空心轮胎相比,该实心轮胎更耐磨,且具有较好的吸振、减震效果．考虑到50 mm的轮迹宽度难以满足摩擦系数测试的要求,本文将轮胎轮迹带的分布设计成图2所示形式,通过轮胎的错位重叠,使最终轮迹宽度达到80 mm．

图1 室内加速磨耗仪构造图

图2 加速磨耗仪的轮迹分布

在测试沥青混合料试件的抗滑性能指标前,沥青混合料试件首先需要经历加速磨耗设备的打磨作用．本文选用摆式摩擦系数仪和动态旋转摩擦系数仪测试混合料试件的摆值(BPN)和动态摩擦系数(DF60)2个指标,分别表征其在低速和高速行驶状态下的抗滑性能．对于初期沥青膜的打磨阶段,选择在试件被打磨4和6 h后分别测其摩擦系数;而对6 h以后的磨光阶段,每间隔4 h测试一次,直到试件被打磨62 h．

2 结果与讨论

2.1 分异处理对抗滑性能的影响

首先以分异配比值(即除矿粉以外,混合料每一粒径所对应的集料中石灰岩集料与玄武岩集料的比值)为30%的组合为例,分析矿料分异处理前后混合料抗滑性能的变化情况．图3和图4分别给出了SMA-13和AC-13两种级配类型混合料的试验结果．图中，SMA-13(H)-30%表示分异配比值为30%的SMA-13级配分异型沥青混合料;X表示混合料材质为玄武岩;H表示分异混合处理．

图3和图4表明,在分异前后,2种级配类型的混合料表现出相似的变化规律,最显著的特点就是分异后沥青混合料的抗滑性能在加速打磨30 h后出现明显波动．这种波动现象的存在使路面抗滑性能得以改善．造成这种波动现象的原因是:初期阶段混合料表面的纹理形貌被逐渐打磨,直到硬质集料和软质集料的纹理构造接近．此时,更容易被打磨的软质集料首先被磨耗,而硬质集料的耐磨性能较好,被打磨的速率较慢．正是由于集料中这种磨耗速率间的差异使得沥青混合料表面的纹理形貌构造再次逐渐凸显,从而增强其抗滑性能．当软质集料被打磨到一定程度后,轮胎的作用力主要集中在硬质集料表面,再次对硬质集料进行打磨．如此往复就出现抗滑性能不断波动的现象．

(a) BPN指标

(b) DF60指标况

(a) BPN指标

(b) DF60指标

2.2 分异效果的定量评价

从图3和图4中的变化规律很难直接评价分异处理对抗滑性能的具体影响程度.为了定量评价分异处理措施对混合料抗滑性能的影响,本文采用对数模型或指数模型对数据进行回归,采用回归系数A或D的绝对值作为平均衰变速率指标(ADR),反映分异前后混合料抗滑性能在整个阶段的平均衰变情况．

对数模型

y=Aln(x)+B

(1)

指数模型

y=CeDx

(2)

式中,y为摩擦系数指标;x为荷载作用次数;A,B,C,D为经验系数．

(3)

式中,n为数据点个数．

图5 平均波动幅度求解示意图

通过对比2种回归模型的R2发现,2种抗滑性能指标的回归模型不尽相同． 对数模型更适合于BPN指标,而指数模型则更适合于DF60指标．SMA-13和AC-13两种级配类型混合料分异前后ADR和AAF的计算结果见表3．

表3 矿料分异前后混合料ADR和AAF计算结果

表3中ADR结果表明,对于SMA-13,经分异配比值为30%的分异处理后,BPN指标的衰减速率降低了7.2%,DF60指标的衰减速率降低了17.8%;对于AC-13,分异处理后表现出相似的变化规律,BPN指标和DF60指标的衰减速率分别降低了14.1%和17.5%．从AAF指标来看,分异处理后混合料后期抗滑性能的波动幅度开始增大．对于SMA-13级配沥青混合料,分异处理使BPN指标的AAF值从0.019 8增加到0.036 4,使DF60指标的AAF值从0.016 6增加到0.021 9;对于AC-13级配沥青混合料,分异处理使BPN指标和DF60指标的AAF分别增加了31.9%和58.8%．这说明,沥青混合料经矿料分异处理后,加剧了抗滑性能指标波动的程度,有助于打磨后期纹理形貌构造的继续形成,从而降低了抗滑性能的衰变速率,延缓了抗滑性能指标的衰变进程,显著改善了路面的抗滑性能．

2.3 分异配比值对抗滑性能的影响

为了进一步分析其他分异配比值下的分异处理效果,本文以SMA-13级配类型的沥青混合料为例,分别以分异配比值为0,10%,30%和50%的组合制备沥青混合料试件,并计算其ADR和AAF指标的变化情况,计算结果见表4．

表4 不同配比的分异混合料ADR和AAF计算结果

从表4看出,随着分异配比值的增加,无论是BPN指标还是DF60指标,其AAF值均展现出增加的趋势．这说明分异处理有助于纹理形貌构造被打磨光滑后继续形成新的纹理形貌构造,抗滑性能指标的波动程度随着分异配比的增加而逐渐变得剧烈．然而 ADR值则随着分异配比值的不同表现出不同的变化规律,当分异配比值较低即10%时,其ADR值变化并不显著;当分异配比值达到30%时,ADR值有所降低,对于BPN和DF60两个指标，其ADR的降低率分别达到7.2%和17.8%;而当分异配比值达到50%时,ADR值却又突然增加, 其抗滑性能的衰减速率由于大量软质材料的加入而大大增加．由此可知,尽管分异配比值的增加有助于纹理形貌构造的重新形成,但并不是分异配比值越大越好．分异配比值存在一个合理的范围,当分异配比值偏小时,由于其软质材料掺入量较少,再次形成新的纹理形貌构造的能力受到限制,从而对抗滑性能整体衰变速率的影响不大，难以起到改进的效果;而当分异配比值偏大时,抗滑性能又会由于大量耐磨性能偏差的材质的引入而影响混合料抗滑性能的发挥,使得其抗滑性能衰减速率远大于分异处理前．因此,在进行分异处理时,应该同时考虑ADR和AAF两个指标,既要保证抗滑性能的衰减速率得到控制,又要保证在磨损的过程中可以重新形成新的纹理形貌构造．合理的分异配比值(本文试验中约30%)不仅可以改善抗滑性能的衰减速率,有助于使抗滑性能在一个较长的时期内得到维持,同时还有助于在后期的打磨中不断生成新的纹理形貌构造,从而改善混合料的抗滑性能．

3 结论

1) 分异处理能够加剧抗滑性能波动的剧烈程度,帮助生成新的纹理形貌构造,从而降低抗滑性能的衰变速率,延缓抗滑性能指标的衰变进程．

2) 偏小的分异配比值会限制纹理形貌构造再次形成的能力,对抗滑性能整体衰变速率的影响不大，达不到明显改进的效果;而偏大的分异配比值,又会因大量耐磨性能偏差矿料的引入,使得抗滑性能的衰减速率远大于分异处理前．

3) 不同的分异配比值对抗滑性能的影响截然不同，应当严格控制所选用的分异配比．合理的分异配比值可以帮助生成新的纹理形貌构造,降低抗滑性能的衰减速率,从而显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，讲师，wyy1005@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(5151101364).

王元元,何亮,孙璐.矿料分异处理对沥青混合料抗滑性能的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(6):1216-1220.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.021.