橡胶沥青对路面抗滑性能的影响研究

2012-08-06 09:29:38任京州

城市道桥与防洪 2012年12期

任京州

（西安市政设计研究院有限公司，陕西西安 710068）

0 前言

路面设计和修复的重点在于结构设计部分。然而，现在有大量关于路表特征影响道路使用性能的研究。因此，提高新建、改建及现存道路的表面特性是研究重点。

道路是否需要重建、表面重修及养护处理的关键是道路结构的完整与否。道路损坏可能是结构破损或者表面破损。设计不当、荷载超重、排水不良或者施工管理不当也会导致结构破损，沥青层间的粘度不够也是原因之一。导致表面破损和结构破损的原因在本质上是不同的。表面破损是由使用年限的增长、路表面磨耗、沥青含量不当、材料（集料质地较软）、施工管理不当以及沥青表处的不合理使用等引起的。

要研究表面特性，重要的是明确“摩擦力”和“抗滑性”的区别。摩擦力是指轮胎和路表在某一特定的时间及特殊的条件下产生的力。摩擦力受许多因素的影响：道路、轮胎和车辆停驻特性，环境温度和水。抗滑性一般用来描述道路对摩擦力产生的贡献。把路面抗滑性定义为一个行车道表面防止滑溜的能力。“抗滑性”可应用于任何涉及路表面摩擦性能的测试中。

在潮湿条件下，路表摩擦力是路面设计、维修及修复中需要考虑的主要安全因素之一。在潮湿条件下，随着车辆行驶速度增加，抗滑性会降低，降低的程度取决于路表面构造深度。一般地，构造深度越小，摩擦力随之越低。因此，路面必须保证具有足够的摩擦力和抗滑性。

现在已有许多仪器和方法可以检测道路的摩擦力和构造深度。本文对试验室制备的试件用体积分块法测量宏观构造，用英式摆式仪法测量微观构造。研究采用两种级配和三种沥青结合料：（1）常规沥青;（2）湿法橡胶沥青;（3）干法橡胶沥青。在相同的混合料配比基础上，以增加1%的橡胶沥青来测试其含量对路面质量的影响。

1 路表面构造

国际道路协会PIARC在1987年布鲁塞尔国际会议中，通过微观构造（micro texture）、宏观构造（macro texture）和最大构造深度定义了三种表面构造深度范围[1]。

道路宏观构造是指路面与实际水平面的偏差。宏观构造的特征尺寸变化范围为0.5～50 mm。峰间振幅通常取值范围为0.01～20 mm。这种类型的构造在轮胎与道路接触面处产生的波长相等。

道路微观构造是指骨料与实际水平面的偏差。微观构造的特征尺寸不超过0.5 mm。峰间振幅通常的取值范围为0.001～0.5 mm。这种微观构造可或多或少的增加表面粗糙度，但是这种构造太小不能用肉眼观测到。

微观构造提供了砂质表面来渗透薄水膜，并且在轮胎和路面之间产生良好的摩擦阻力。宏观构造提供了排水沟等，排除轮胎和路面之间的积水，增强了轮胎和路面之间的接触，从而提高了摩阻力。现在还不能测量到车辆在高速行驶时的微观构造剖面图，只能用低速行驶时产生的摩擦力来评价微观构造。图1为宏观构造和微观构造的区别。

表1根据道路使用者的需要提供了关于路表特征的指南。

2 宏观构造和微观构造的测量

2.1 体积分块法

图1 宏观构造和微观构造之间的区别

表1 路表面特征

体积分块法也被称为铺砂法，在很多年前就被广泛采用，是最早最常用的测量道路表面构造深度的方法，使用的仪器也比较简单。本文的试验程序是按照《公路路基路面现场测试规程（JTG E60-2008）》中的T0961-1995手工铺砂法测量道路的宏观构造。

这种方法主要是将已知体积的砂在路面上铺平，将砂铺成圆形，测出摊铺的砂的直径。用砂的体积除以所覆盖的面积，所得值即为砂层的厚度，也即平均构造深度（MTD）。平均构造深度通过下式计算：

式中：MTD—道路宏观构造的平均构造深度，mm；

V—所用试样砂的体积，mm3；

D—被砂覆盖区域的平均直径，mm。

2.2 英式摆式仪法

英式摆式仪试验是检测低速微观构造与道路表面抗滑性之间关系最常见的试验方法之一。英式摆式仪是一种便携的动态的摆式仪器，在野外或实验室都可以用这种方法测摩擦系数[2]。

英式摆式仪是在摆动臂的终端装有橡胶滑动块，当摆从一定高度自由下摆时，橡胶滑块同试验表面接触，摆式仪的动能由于摩擦而减少。记录相应的路面抗滑值为BPN。

BPN值的变化范围为0～140，用仪器上的刻度来记录BPN的值，测量接触表面后摆臂所达到的最高点，并且在测试前，用喷水壶浇洒测点，使路面处于湿润状态。

3 材料

3.1 集料

（1）碎石：10～20 mm碎石、5～10 mm碎石以及3～5 mm碎石，其技术指标见表2。

表2 碎石技术指标

（2）砂：采用沣河洁净中砂，其技术指标见表3。

表3 砂的技术指标

（3）矿粉：矿粉采用石灰岩磨制，其技术指标见表4。

表4 矿粉的技术指标

3.2 沥青结合料和橡胶粉

采用三种沥青的如下：常规沥青，SK90；湿法橡胶沥青，Ⅰ和Ⅱ；干法橡胶沥青Ⅲ。

湿法橡胶沥青采用两种橡胶粉含量。“Ⅰ”类橡胶粉含量18%，“Ⅱ”类橡胶粉含量13%。干法橡胶沥青在实验室制备时特征如下：（1）20%橡胶粉；（2）90 min的老化时间；（3）温度 175℃[3]。表 5是沥青结合料的特性。

表5 沥青结合料的性质

3.3 混合料

为了优化道路表面特性，用相同的集料制备两种混合料，本文研究的变量是：（1）级配曲线；（2）沥青类型和沥青含量。本文对密级配混合料和间断级配混合料进行了研究。图2是混合料的级配曲线。

图2 混合料的级配曲线

混合料的级配规格如下：

AC-16；间断级配；

通过下列变量的组合可得到7种类型的混合料，变量有：（1）空隙率（5%，7%）；（2）结合料含量（最佳含量，最佳含量+1%）（3）沥青结合料类型（SK90,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ）（4）集料级配。沥青混合料的矩阵组合见表6。

表6 沥青混合料的矩阵组合

4 结果

4.1 宏观构造

考虑到不同路面的级配，首先用目测法来评估道路试件的宏观构造。用铺砂法来量化路表宏观构造的差异。目测法观察不同级配试件可知间断级配混合料比密级配混合料的宏观构造好。间断级配混合料的粗集料均匀、连续且充足，相比之下密间断级配混合料的表面细集料过多。对表6中所有的试件用铺砂法测量道路宏观构造深度。所有混合料的平均构造深度MTD见表7。

对宏观构造分析的结果表明用橡胶沥青制备的密级配混合料的构造比间断级配的低。当粘结剂含量增加1%，湿法橡胶沥青混合料的构造深度降低。

另一方面，间断级配的干法橡胶沥青混合料，当粘结剂含量增加1%，表面构造增加。这是由于橡胶含量的增加提高了表面构造。对密级配而言，结果没有改变。图3为两种方法所得的橡胶沥青混合料的平均构造深度的对比。