温度对沥青混合料摩擦系数影响的试验研究

范 倩 许新权 陈 记 张国民

(广东华路交通科技有限公司1) 广州 510420) (广东交科检测有限公司2) 广州 510550)(广东省南粤交通投资建设有限公司3) 广州 510100)

0 引 言

抗滑性能是车辆安全、快速行驶的直接影响因素，受到国内外研究学者的广泛关注.摆式摩擦系数是沥青混合料抗滑性能的主要评价指标之一，该方法因测试简单而得到广泛应用[1-3].沥青路面抗滑性能是路面和轮胎之间相互阻碍作用的结果，而轮胎与沥青混凝土均属于黏弹性材料[4-5]，受温度的影响十分显著.裸露于自然环境中的沥青路面，其抗滑性能必然受到外界气温变化的影响，因此摩擦系数的测试值均需要进行温度修正[6-8].

我国现行JTGE60—2008《公路路基路面现场测试规程》规定了沥青路面摆式摩擦系数-温度修正公式，其中温度数据采用测点位置的潮湿路表温度[9].Bazlamit等[10]提出了摆式摩擦系数随温度变化的线性拟合公式，其中沥青混合料试件温度采用恒温水浴的方式进行控制，拟合温度采用水浴温度.Ahammed等[11]通过开展路面摩擦系数随环境温度、路表温度变化趋势研究，建立了摆式摩擦系数—温度修正公式.上述温度修正模型中，温度修正值是对所有类型沥青路面通用的标准，与实际情况存在一定偏差；另一方面，关于温度采集的具体情况也不一致，而文献[9]采用潮湿路表温度作为沥青路面摆式摩擦系数温度修正的依据是否科学合理，尚需进一步验证.

文中主要针对目前广东省普遍采用的GAC-16、SMA-13及桥面铺装层EA-5沥青混合料，开展温度对不同类型沥青混合料摩擦系数影响的试验研究.

1 试验方法

1.1 试验准备

粗集料采用广东某石场的辉绿岩，细集料采用石灰岩机制砂，矿粉为石灰岩矿粉，沥青采用70#SBS改性沥青和环氧沥青，原材料的各项技术指标均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求[12].

设计GAC-16、SMA-13、EA-5三种不同类型的沥青混合料车辙板试件，试件尺寸：300 mm×300 mm×50 mm，沥青混合料级配及油石比见表1～2.

表1 沥青混合料级配

表2 沥青混合料油石比

1.2 试验方案

1) 为保证测试位置固定、测试结果准确，将车辙板试件整齐排列在实验室外的水泥路面上，试件的四周采用水泥混凝土固定，并用记号笔标记摆式摩擦系数测试仪的具体摆放位置.

2) 测试前，采用软毛刷将车辙板试件表面清扫干净，保证表面无杂质、无水渍.

3) 将摆式摩擦系数测试仪置于已标记记号的位置，按照文献[9]中规定的方法，对仪器依次进行调平、调零处理，并校核滑动长度.将摆固定于右侧悬臂上，保证其处于水平位置状态，并把指针拨至右端与摆杆平行.

4) 采用温度枪测试并记录洒水前表面温度(t1)，随后用喷水壶喷洒测点，使试件表面测点位置处于潮湿状态，进行摆式摩擦系数的测试，但第一次测试数据并不记录.随后，连续五次进行摆式摩擦系数的测试并记录，若测得的五个值中最大值与最小值的差值≤3，则取后其均值作为最终测试结果；若差值>3，则需查找原因并重新测试.

5) 摆式摩擦系数测试完成后，采用温度枪测试并记录洒水后表面温度(t2)、滑块温度(t3)、空气温度(t4).

6) 基于实测温度、摆式摩擦系数数据，探讨不同测试状态、位置温度对空气温度变化的敏感性，分析沥青混合料摩擦系数随温度的变化规律，对比不同状态温度与沥青混合料摩擦系数的相关性.

2 试验结果分析

2.1 温度变化敏感性分析

为了分析不同空气温度(t4)下洒水前表面温度(t1)、洒水后表面温度(t2)、滑块温度(t3)的变化规律，分别开展了t1，t2，t3与t4的相关性分析.

以不同时刻空气温度(t4)为横坐标，以对应时刻测得的GAC-16、SMA-13、EA-5沥青混合料试件的洒水前表面温度(t1)、洒水后表面温度(t2)、滑块温度(t3)为纵坐标，绘制相关关系图，并进行线性拟合，结果见图1和表3.

图1 不同测试状态、位置温度与空气温度的线性拟合结果

表3 不同测试状态、位置温度与空气温度的线性拟合相关参数

由图1和表3可知：

1) 空气温度与洒水前表面温度、洒水后表面温度、滑块温度间呈较好的线性正相关关系，相关系数均可达0.7以上.

2) GAC-16、SMA-13、EA-5沥青混合料表面温度受空气温度变化的影响基本相同.空气温度每升高1 ℃，沥青混合料的洒水前表面温度相应升高0.97～1.03 ℃；洒水后表面温度相应升高0.83～0.86 ℃；滑块温度相应升高0.67～0.70 ℃.

3) 洒水前表面温度、洒水后表面温度、滑块温度对空气温度变化的敏感性各异，敏感性排序：洒水前表面温度>洒水后表面温度>滑块温度.

2.2 温度对沥青混合料摩擦系数的影响分析

对不同温度下测得的沥青混合料摆式摩擦系数值进行归类，每单位温度范围内的摆式摩擦系数值归为一类，并剔除少量差异过大的点.将归为同一类的温度均值和摆式摩擦系数均值作为分析对象，再分别建立GAC-16、SMA-13、EA-5沥青混合料摆式摩擦系数与洒水前表面温度(t1)、洒水后表面温度(t2)、滑块温度(t3)、空气温度(t4)的散点图，并进行线性拟合.线性拟合结果见图2和表4.

图2 摆式摩擦系数与温度的线性拟合结果

表4 摆式摩擦系数与温度的线性拟合相关参数

由图2和表4可知：

1) 随着温度的升高，沥青混合料的摆式摩擦系数呈线性下降的趋势，说明摆式摩擦系数测试值与温度呈线性负相关关系.可见，我国规范采用潮湿路表温度进行沥青路面摆式摩擦系数温度修正的做法值得商榷.因此，建议优先选用洒水前试件表面测点进行沥青混合料摆式摩擦系数温度修正，条件不允许的情况下可以选用洒水后试件表面测点、空气温度进行温度修正，不宜采用滑块温度进行温度修正.

2) 沥青混合料的摆式摩擦系数与温度的线性拟合公式可表示为BPN=b-a×t的形式，其中a表示沥青混合料温度敏感性的大小，即测试温度每升高1 ℃、摆式摩擦系数测试值降低a值；b表示测试温度为0 ℃时的摆式摩擦系数测试值.

3) 洒水试件表面测点温度每升高1 ℃，GAC-16、SMA-13、EA-5沥青混合料的摆式摩擦系数测试值分别降低0.327 BPN、0.398 BPN、0.436 BPN；洒水后表面温度每升高1 ℃，GAC-16、SMA-13、EA-5沥青混合料的摆式摩擦系数测试值分别降低0.480 BPN、0.489 BPN、0.659 BPN；空气温度每升高1 ℃，GAC-16、SMA-13、EA-5沥青混合料的摆式摩擦系数测试值分别降低0.309 BPN、0.447 BPN、0.520 BPN.

4) 不同类型沥青混合料的摩擦系数对温度变化的敏感性各异，敏感性排序：EA-5>SMA-13>GAC-16，因此不同类型沥青混合料宜采用不同的温度修正公式，本文建立了GAC-16、SMA-13、EA-5沥青混合料摆式摩擦系数的温度修正公式，具体修正公式见表4.

5) 常温环境条件下，EA-5沥青混合料摆式摩擦系数值最大，GAC-16、SMA-13次之.可能主要是由于EA-5沥青混合料的级配偏细，摆式摩擦系数测试过程中与滑块接触面积较大.

3 结 论

1) 空气温度与洒水前表面温度、洒水后表面温度、滑块温度间呈线性正相关关系，不同类型沥青混合料表面温度受空气温度变化的影响基本相同，但洒水前表面温度、洒水后表面温度、滑块温度对空气温度变化的敏感性各异.空气温度每升高1 ℃，沥青混合料的洒水前表面温度相应升高0.97～1.03 ℃；洒水后表面温度相应升高0.83～0.86 ℃；滑块温度相应升高0.67～0.70 ℃.

2) 沥青混合料的摆式摩擦系数测试值与温度呈线性负相关关系，线性拟合公式为：BPN=b-a×t.沥青混合料摆式摩擦系数与洒水前表面温度的相关性最好，洒水前表面温度每升高1 ℃，EA-5、SMA-13、GAC-16的摆式摩擦系数测试值分别降低0.436 BPN、0.398 BPN、0.327 BPN.

3) 建议优先选用洒水前表面温度进行沥青混合料摆式摩擦系数温度修正，条件不允许的情况下可以选用洒水后表面温度、空气温度进行温度修正，不宜采用滑块温度进行温度修正.