基于小型加速加载试验的超薄磨耗层抗滑性能衰变规律研究

朱 晶

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司， 湖北 武汉 430010)

0 引言

路面的抗滑性能在很大程度上决定着道路的安全性能[1]。目前，超薄磨耗层的应用越来越广泛。冯明林等[2]为提高沥青路面抗滑、耐久等性能，系统地介绍了超薄磨耗层在应用过程中各环节的施工管理及质量控制。郭泽棉[3]根据实体工程，分析了病害特征与解决措施，梳理了超薄磨耗层从使用环境到总体设计再到施工应用各环节的全套细节控制流程。

任传亭等[4]对抗滑性能检测技术做了系统的梳理，认为摆式摩擦系数(BPN)与构造深度(MTD)就是代表沥青路面抗滑性能的重要参数。李秋平等[5]以BPN为指标，通过小型加速加载试验研究了不同沥青混合料种类的抗滑性能衰减规律，建立了加载次数与BPN之间的关系，用于预测沥青路面基于抗滑性能的使用寿命。刘碧媛[6]通过室内抗滑性能试验分析了不同混合料的磨光性衰减曲线，探究了不同沥青混合料抗滑性能原理及影响因素，揭示了其抗滑性能衰减规律。褚晨枫等[7]研究了不同粗集料及最大粒径对超薄磨耗层抗滑性能影响，并提议增加磨光损失值来评价粗集料性能。

沥青作为超薄磨耗层混合料的结合料，其性能特点以及其与集料的黏附性很大程度上影响着混合料的各项体积参数，是影响道路抗滑性能重要潜在因素。本文通过开展不同改性沥青的SMA-8超薄磨耗层的小型加速加载试验，以MTD和BPN作为抗滑性能评价指标，采用非线性指数模型拟合超薄磨耗层抗滑性能测试结果，揭示不同沥青种类下超薄磨耗层抗滑性能的衰减规律，并分析不同沥青对超薄磨耗层抗滑性能的影响。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料试验

本试验选用的沥青有SBS改性沥青、橡胶改性沥青、TPS高黏改性沥青；基质沥青为70#石油沥青，沥青试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行，试验结果分别见表1～3。粗、细集料分别为辉绿岩和石灰岩，粒径小于2.36 mm为细集料，试验参照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)进行，粗、细集料以及矿粉试验结果见表4～6。原材料的各技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。采用马歇尔设计方法进行配合比设计，3种不同沥青种类的SMA-8混合料马歇尔试验、飞散试验与析漏试验结果见表7。

表1 SBS改性沥青各指标测试结果类别针入度(25 ℃,100 g,5 s)/ 0.1 mm软化点(R&B)/℃延度(15 ℃)/cm密度(15 ℃)/(g·cm-3)TFOT(或RTFOT)后残留物质量变化/%针入度比/%延度(15 ℃)/cm技术要求60～80≥60≥100实测记录±0.5≥65≥15试验结果6478>1001.0350.2068.127

表2 橡胶粉改性沥青(AR)技术指标及试验结果试验项目针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm软化点(R&B)/℃延度(15 ℃)/cm弹性恢复/%旋转黏度(180 ℃,50%扭矩)/(Pa·s)TFOT(或RTFOT)后残留物质量变化/%针入度比/%延度(15 ℃)/cm技术要求30～60≥60≥5≥601.5～5±0.5≥65≥5试验结果42.6699782.00.2369.58

表3 高黏改性沥青(TPS)技术指标及试验结果试验项目针入度(25 ℃,100 g,5 s)/℃软化点(R&B)/℃延度(15 ℃)/cm黏韧性(15 ℃)/(N·m)60 ℃黏度/(Pa·s)TFOT(或RTFOT)后残留物质量变化/%针入度比/%延度(15 ℃)/cm技术要求40～60≥75≥50≥20≥20 000±0.5≥75≥20试验结果48.988.990.431.4153 7180.1878.229

表4 辉绿岩粗集料试验结果类别粒度范围/mm压碎值/%磨光值洛杉矶磨耗值/%表观相对密度毛体积相对密度吸水率/%8.0～9.512.949.314.12.9492.9040.52试验结果4.75～8.0———2.9592.9000.692.36～4.75———2.9422.8740.80技术要求—≤2642≤28≥2.6实测≤2

表5 石灰岩细集料试验结果类别以下粒度范围(mm)对应的表观相对密度1.18～2.360.6～1.180.3～0.60.15～0.30.075～0.15砂当量/%0.075 mm以下颗粒含量/%亚甲蓝值/(g·kg-1)棱角性(流动时间)/s试验结果2.7562.7492.7512.7592.759742.1641.2技术要求≥2.50≥50≤5≤25≥30

表6 石灰岩矿粉技术性质类别表观密度/(g·cm-3)含水量/%以下粒度范围(mm)对应的通过百分率/%<0.6<0.15<0.075亲水系数塑性指数加热安定性标准要求≥ 2.5≤ 110090～10075～100≤ 0.8≤4实测记录试验结果2.6770.3210099.194.30.743.5无颜色变化

1.2 小型加速加载试验及抗滑性能测试方案

小型加速加载试验采用MMLS3，轮胎压力0.7 MPa，加载6 000次/h。

为了模拟实际路面施工方式，本试验试件分3层碾压成型车辙板试件，试件尺寸为40 cm×30cm×10 cm，上面层为2 cm 厚的SMA-8，中面层为4 cm 厚的AC-13，下面层为4 cm厚的AC-20。图1为路面各结构层混合料的矿料级配设计图。将成型好的试件按照小型加速加载试验槽尺寸切割好后进行试验，每次试验可测试3块板。在加载次数达到100 000次之前，以 20 000次为1个周期测试并记录平均构造深度MTD和BPN值;加载轮次超过100 000次后，每50000次为1个周期测试记录BPN值，每100 000次为1个周期测试记录MTD值，累计共加载1 000 000次。BPN采用摆式摩擦仪进行测试，MTD采用手工铺砂法进行测试，2种试件测试位置均集中在轮迹带处，测试设备及试验位置见图2。

表7 不同沥青的SMA-8马歇尔试验及飞散、析漏试验结果混合料类型最佳油石比/%空隙率/%矿料间隙率/%沥青饱和度/%马歇尔稳定度/kN冻融劈裂强度比/%动稳定度/次/mm飞散试验混合料损失/%析漏试验结合料损失率/%SBS-SMA-86.83.7618.1678.08.8389.567 1636.670.04TPS-SMA-87.03.9719.8679.29.0591.887 0625.720.04AR-SMA-87.93.8520.1380.08.4587.418 0857.540.05技术要求—3～4≥17.075～85≥6.0≥80≥3 000≤15≤0.1

图1 各结构层不同混合料的级配曲线

图2 测试位置

2 试验结果与分析

2.1 BPN测试结果

不同改性沥青的超薄磨耗层摆值随加载次数变化的测试结果见图3。

图3 不同改性沥青的超薄磨耗层BPN变化

由图3可见，BPN值随着加载次数增加而不断降低，同时衰减率也逐渐降低。将抗滑衰变全过程按衰减速率可分为3个阶段：加速加载开始阶段衰减速率较快；加载作用次数到达150000次左右时，超薄磨耗层的构造深度衰减速率放缓。分析其原因可能跟超薄磨耗层的进一步压密有关，因此将150000次前划分为压密变形阶段；而当轴载作用到达750000次时，超薄磨耗层的抗滑性能指标衰减速率基本趋于稳定，即将150000～750000次划分为磨耗阶段，750000次之后划分为趋稳阶段。对比3种改性沥青超薄磨耗层混合料的BPN初始值及衰变终值，AR-SMA表现出较高的初始值，但终值却偏小;TPS-SMA的初始值及终值均在较高水平。

不同改性沥青超薄磨耗层各阶段BPN衰减速率(单位荷载作用次数的抗滑性能变化率)见图4。TPS-SMA高黏沥青混合料保持着较低的衰减速率，而AR-SMA相对较高。

图4 不同改性沥青的超薄磨耗层各阶段BPN衰减速率

2.2 MTD测试结果

加速加载过程中MTD的测试结果见图5，MTD各阶段的衰减速率见图6。

图5 不同沥青的超薄磨耗层MTD变化趋势

图6 不同沥青超薄磨耗层各阶段MTD衰减速率

由图5可见，不同改性沥青超薄磨耗层的构造深度随着加载次数增加而不断降低，同时衰减率也逐渐降低，变化规律整体上与BPN非常相似。在整个加载过程中，MTD的衰变全过程亦可大致分为压密变形、磨耗和趋稳3个阶段。从100万次加速加载全过程来看，采用SBS改性沥青、TPS改性沥青的超薄磨耗层构造深度要大于AR改性沥青。不同沥青种类的超薄磨耗层构造深度初始值从大到小的顺序为:SBS>TPS>AR。100万次加载后，SBS-SMA和TPS-SMA的构造深度终值也大于AR-SMA。分析其原因可能是AR改性沥青的混合料最佳油石比与SBS改性沥青和TPS改性沥青的混合料相比要大0.9%～1.1%，因此其MTD值要比另外2种混合料小。

由图6可见，沥青类型主要影响压密阶段的MTD衰减速率，不同沥青种类的MTD衰减速率在磨耗阶段和趋稳阶段均比较接近。压密阶段均以SBS-SMA的衰减速率为最大，而TPS-SMA的衰减速率次之，AR-SMA的衰减速率最小。从试验结果看，沥青类型主要影响着超薄磨耗层的初始抗滑性能以及试验前期的衰减速率。

2.3 抗滑性能衰变规律拟合分析

抗滑衰变模型能够很好地反映出不同阶段沥青路面的抗滑性能。通过建立摆值、构造深度与加载次数的关系可预测抗滑性能。本文采用Asymptotic模型(非线性指数模型)，即方程Y=AeBX+C进行拟合，其中，Y代表抗滑指标数值，X为加载次数，A、B、C均为拟合系数。根据该模型的特点，各参数的物理意义是：A为抗滑衰减幅值，C为抗滑趋稳值，A+C为抗滑数据初值。使用Origin软件进行数据拟合分析，BPN和MTD的拟合结果分别见图7和图8。

图7 BPN试验结果及拟合方程

图8 MTD试验结果及拟合方程

由图7和图8可见，非线性指数拟合模型可以较为准确地描述不同沥青的超薄磨耗层(R2≥0.985)抗滑性能(BPN和MTD)的衰减过程。

对拟合参数进一步分析，BPN和MTD的各拟合参数数值比较分别见图9和图10。

图9 BPN拟合参数数值比较

图10 MTD拟合参数数值比较

由图9可见，不同改性沥青的超薄磨耗层BPN值拟合参数C，从大到小顺序为TPS>SBS>AR，说明TPS-SMA在重复荷载作用之后能保持较好的抗滑性能终值。

由图10可见，不同改性沥青的超薄磨耗层MTD值拟合参数C极为接近，分析其原因可能是在重复荷载作用之后MTD值的终值受沥青种类影响小。参数A表现为SBS>TPS>AR，说明AR-SMA在轮载作用下衰减幅值最小，而SBS-SMA最大。从数值上分析，SBS-SMA虽然有较高的初始值，但其衰减过程较TPS-SMA快；AR-SMA虽然衰减量较小,但其全阶段抗滑性能相对较弱；而TPS-SMA具有较高的初始值且衰减量较小，最终可以保持较好的抗滑性能。因此，结合BPN和MTD两个考核指标，在不同混合料的抗滑性能评价中TPS-SMA表现出较为稳定且优异的性能。

3 结论

通过开展超薄磨耗层的MMLS3小型加速加载试验，本文探究了不同沥青对超薄磨耗层抗滑性能的影响，并揭示了超薄磨耗层抗滑性能的衰变规律，主要结论如下：

1)超薄磨耗层材料在小型加速加载试验全过程中大致可以按衰减速率分为3个阶段，即压密变形阶段、磨耗阶段和趋稳阶段，衰减速率在压密阶段最大，往后依次减小。

2)沥青种类主要影响超薄磨耗层抗滑性能的初始值及其压密阶段的衰减速率；TPS高黏改性沥青的超薄磨耗层表现出较为优异且稳定的抗滑性能。

3)揭示了不同沥青的超薄磨耗层抗滑性能(BPN和MTD)的衰减规律，非线性指数模型可以较好地预测超薄磨耗层抗滑性能的衰减。