施工温度对SMA-13沥青路面抗滑性能的影响

曾双强

（广州新粤交通技术有限公司，广东广州 510663）

1 工程概况

广东省内高速公路自然区划多属于东南湿热区，气候温度较高，周期温度变化较大，省内公路的太阳辐射总量大于4 300MJ/m2，6～8月气候温度最高，达到了33℃以上，年平均气温大于20℃。本文以新建仁博高速公路衔接线BK300+000—BK305+200为实验路段进行温度对路面摩擦性能的分析，该公路路段车流量较多，且路线分布跨越了较多的山地丘陵，地质、地形、水文环境较为复杂，道路设计宽度为33m，设计速度为80km/h，双向四车道，路基设计平均高度为5m，路基填筑材料为软土，路面结构设计采取SMA—13沥青玛蹄脂碎石混合料，级配中粗集料含量较多，细集料比例占据较少，且矿粉掺入量较多，油量高，掺入适量纤维来优化整体强度，混合料结构为骨架密实型。经过现场检测发现，公路衔接线超车道存在数量较多的车辙、纵横向裂缝、车辆划痕等病害，且夏季病害数量呈不断增多的趋势，路段交通事故数量较多，项目以BK300+000—BK305+200左幅主1、主2车道为摩擦性能研究对象，开展实验室原材料级配设计及沥青混凝土试件摩擦性能分析。

2 原材料级配设计

2.1 集料特性

2.1.1 矿物特性

沥青混合料主要由85%以上比例的集料构成，集料的理化性质对于沥青混合料的整体使用性能具有重要影响，集料的矿物性质由其内部的矿物成分所决定，不同矿物成分表现出的集料特性差异极大。开展沥青混合料性能分析需要对集料矿物含量及成分进行分析，本文路段采取沥青混合料安山岩集料作为路面原材料，实验室利用XRF（X射线荧光光谱分析）结合XRD（X射线粉末衍射仪）技术对集料的矿物成分进行测定，如表1所示。

表1 集料成分

2.1.2 力学特性

所用集料的力学性能需要满足沥青路面的使用要求，且达到一定的技术指标。混合料中粗集料的力学性质主要为压碎值、洛杉矶磨耗值，为达到路面抗滑性能指标要求，路面集料的力学性质还包括磨光值、冲击值、道瑞磨耗值。其中，粗集料压碎值主要是对基层及沥青混凝土面层集料的力学性能进行评价，压碎值以碎屑压碎质量占总质量的百分比来表征；磨耗值则主要是对沥青混凝土面层承受行驶车辆冲击及磨损的能力的评价，磨耗值越大，则集料具备较大的耐磨损性能；磨光值则对表层集料的抗滑能力进行评价，车辆长期行驶造成表层集料的不断磨光，磨光值的计算需要采取磨光设备进行轮胎磨光的模拟，并且添加磨光介质，以摩擦系数来表征。依据集料技术实验规范开展集料磨光值、压碎值、磨耗值的实验计算，获取如表2所示结果。

表2 集料力学指标

2.2 其他材料性质

本文制备的沥青混合料采取SBS改性沥青，该类型沥青具备较多的应用优势，尤其在低温和高温差距较大的区域具备优秀的路面使用性能，其抗高低温水平优于其他沥青材料。对于超重载车辆路段，改性沥青能够有效避免车辙病害，且改性沥青混凝土路面具备较强的黏结性能，水稳性较好，整体路面具备较高的承载强度、抗滑水平、抗外界环境老化能力；混合料中矿粉的掺入则能够有效提升混合料的密实度、承载强度，混合料的流动性和矿粉的比表面积、质量密切相关，细度较小的矿粉能够优化沥青黏度；混合料掺入纤维则能够有效提升混合料强度，保持混合料的整体性，避免产生沥青滴漏情况[1]。

2.3 沥青混合料级配设计

本文采取的级配类型为SMA—13，该级配类型属于间断级配，层档间断，SMA混合料内部摩阻力、黏聚力较高，具备良好的使用耐久性，一般比普通沥青混凝土路面的使用周期要长30%以上，且在低温下具备抗开裂，高温下抗车辙特点，路面抗滑性和耐疲劳性良好。但是在施工前期，SMA级配混合料的使用量要比普通沥青混凝土多25%左右。在交叉路口、高速路口、桥梁路面铺装等车辆通行密集处，SMA级配混合料得到了大量应用。本文SMA—13采取级配中值，通过百分率如表3所示。

表3 SMA—13级配通过率

3 设备简介

3.1 可控温轮式磨光机

根据SMA—13级配混合料不同施工温度下的抗滑性能，实验研究采取可控温轮式加速磨光机设备，由控温系统及磨光系统两部分构成。其中轮式加速磨光机由磨光机、控制台组成，控制台包含旋转钮、仪表盘，旋转钮能够实现砂流量的控制、粗细砂的选取、轮胎旋转及小车行进速度的调控；仪表盘则具备计数显现、压力显现、时间显现的功能，且混合料磨光次数及磨光时间可以通过关联红外计数设备控制处理。为有效缩短混合料的磨光时间，技术人员可以在磨光阶段进行介质的添加，磨光介质添加设备需要和仪器外部旋转按钮衔接，以便对介质添加的流速进行把控。本工程仪器中设置了两个装置，分别添加细砂、粗砂，并且辅助喷水装置，以流量计调节洒水数量，实现轮胎降温效果及降雨情况下的混合料磨光模拟。在经过设备磨光一段时间之后，需要取出混合料，清除表面杂质，采取摆式摩擦仪、激光纹理构造设备对混合料的摩擦系数、构造深度进行有效测定。

控温系统则需要先打开总开关，在控制面板上设定预期温度，经过3～4h的运行后需要将温度调整为设定温度，温度控制表头能够显示出箱内实际温度，可以通过控制面板的设定按钮进行必要调控，如果设定温度大于箱内实际温度，则需要将控温模式调整为升温；设定温度小于箱内温度时，则要调整为降温。在降温过程中需要将关联制冷机打开，提升降温效率[2]。

3.2 沥青混合料摩擦特性检测设备

实验摩擦系数的测定则需要采取摆式摩擦仪，摆式摩擦仪操作简单，室内外能够灵活使用，调试方便，对交通运行要求较低，被广泛应用于多工况摩擦性能评价中。沥青混合料试件表面构造深度的测定则采取激光纹理仪，铺砂法是相对传统的沥青混凝土路面构造深度测定技术，可分为电动铺砂法、手动铺砂法，极容易由于人工误差造成构造深度测定不准确。激光纹理仪测量误差较小，其主要由激光探头轨道舱、升降检测平台两部分组成[2]。

4 温度对抗滑性能影响分析

4.1 抗滑摆值、温度关系

实验考虑不同磨光阶段、不同施工温度环境下SMA—13级配沥青混合料抗滑性能表现，以便分析抗滑摆值、温度之间的关系。实验选取集料为安山岩石料，其矿物成分及力学特性如表1、2所示，实验选取黏结料为SBS改性沥青。

4.1.1 磨光初期摆值、温度关系

在沥青混合料磨光初始阶段，开展不同温度情况下的混合料摆值测定，混合料摆值、温度之间的关系，如表4所示。根据表4数据进行线性拟合，最终得到温度修正数据统计如表5所示。由表5数据结果可知，随着测试温度和基准温度差距的不断提升，摆值温度修正值逐渐增大，温度敏感性差异较大，且在温度在控制温度20℃左右呈正负对称关系。

4.1.2 磨光稳定期摆值、温度关系

SMA—13沥青混合料通过轮式磨光机3～4h稳定磨光之后，摆值达到稳定状态，此时开展不同温度情况下的沥青混合料摆值测定，数据统计如表6所示，经过数据拟合得到温度修正数据统计如表7所示。

表4 磨光初期摆值、温度关系

表5 磨光初期摆值温度修正数据

表6 磨光稳定期摆值、温度关系

表7 磨光初期摆值温度修正数据

相对于磨光初期，磨光稳定期的温度修正数据要偏小，表明磨光稳定器SMA—13沥青混合料的温度敏感性相较于磨光初期要小，主要归因于磨光初期沥青混合料表面膜厚度较大，造成摆值的变化幅度较大；沥青混合料经过3～4h的磨光处理后，混合料表面膜被磨光耗尽，整体对温度敏感性降低。

4.2 黏附、迟滞分量和温度变化关系

考虑到沥青路面和轮胎橡胶都是由黏弹性材料构成，温度对该材料的阻尼、弹性特性具备较大影响，路面、橡胶轮胎之间的摩擦系数受温度影响程度较大，摩擦系数为黏附分量、迟滞分量的数值相加，本文将摩擦系数分为迟滞分量、黏附分量两个部分。黏附分量主要是轮胎和路面集料之间接触所产生的切向力，黏附分量受到路面微观结构、车辆滑动速度、接触位置水黏度的影响；迟滞分量则主要是车辆轮胎行驶造成的变形能量损失，受到路面表观纹理构造、路面密度的影响。迟滞分量容易测定，本文主要对迟滞分量进行分析[3]。为有效获取迟滞分量、黏附分量的数据，本文在进行摆值测定时采取润滑液介质来消除黏附分量的影响，此时可以获取单一迟滞分量，继而通过总摩擦系数的比较来获取黏附分量。室内SMA—13级配混合料车辙试件在不同温度情况下的迟滞分量、黏附分量变化关系如图1所示。

图1 摩擦系数、迟滞分量和黏附分量和温度变化情况

由图1结果可知，迟滞分量和摩擦系数整体随着温度的增大而下降，黏附分量随着温度的提升而有微小的增加，SMA混合料中迟滞分量占据了摩擦系数中的较大比例，且变化趋势和摩擦系数保持一致，表现出良好的关联性；黏附分量整体分布较为平缓。不同温度下黏附分量、迟滞分量占摩擦系数比例关系如图2所示。

图2 不同摩擦分量占比关系

图2结果表明，SMA—13混合料中黏附分量占比始终小于迟滞分量，迟滞分量占比达到了70%～85%，且随着温度的提升，迟滞分量占比逐渐减小，减小幅度在15℃～30℃较为明显，达到了10%左右，减小速率为0.7BPN/℃，在30℃之后，迟滞分量减小较为平缓；黏附分量在5℃～15℃控制在8BPN，在15℃以上时则呈现较大的提升，保持在12BPN。迟滞分量代表了轮胎变形能量损失，随温度的提升，沥青和轮胎橡胶的刚度会降低，轮胎变形量随着温度提升而不断减小，迟滞分量则会适当降低；且迟滞分量整体上受到宏观构造深度的限制，该级配混合料的迟滞分量较大，级配较大的空隙率导致温度影响程度减小，所以迟滞分量减小速度偏小。SMA—13级配构造深度较大，迟滞分量是高低温情况下摩擦系数的主要构成[4]。

5 结语

沥青路面是当前常见的高速公路路面结构形式，其表层抗滑性能决定了行车稳定安全，抗滑性能欠缺的路面极容易导致车辆难以在短时间内有效制动，造成滑动距离的扩大，引起交通安全事故。因此，开展温度对沥青路面的抗滑性能影响研究极其有必要，其影响与路面宏观构造深度关联较大，温度的提升会造成混合料迟滞分量、摩擦系数的降低，迟滞分量相对于黏附分量对抗滑性能的影响较为明显。施工单位需要从降低路面迟滞分量来开展施工技术的优化，确保路面使用性能。