瀝青路面微觀形貌對抗滑性能影響機(jī)理研究

瀝青路面抗車轍性能影響因素研究

瀝青路面以其行車振動小、噪音低、開放交通快、養(yǎng)護(hù)維修簡便等優(yōu)良特性在中國道路路面結(jié)構(gòu)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，尤其是高等級公路中瀝青面層公路所占比重很大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國已建成的高等級公路路面的80％以上為瀝青路面。近年來，由于交通量的快速增長、車輛軸重增加、超載等原因，瀝青路面早期破壞成為中國道路交通建設(shè)面臨的主要問題，而在中國的瀝青路面損壞類型中，車轍破壞成為最主要的破壞類型之一。在對北京市某環(huán)路進(jìn)行的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，約90％路面的PCI為優(yōu)或良，近100％路面的RQI為優(yōu)或良，而對于RDI，優(yōu)良率僅為30％左右，評價為中及以下的路面達(dá)到70％，路面的主要破壞為車轍，對路面使用產(chǎn)生重要影響。路面產(chǎn)生車轍有多種原因，中國大多數(shù)高等級公路采用半剛性基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，相關(guān)調(diào)查分析表明，由面層產(chǎn)生的車轍深度可能達(dá)到總車轍深度的90％左右，因此研究瀝青混凝土的抗車轍性能對于解決中國瀝青路面抗車轍破壞問題具有重要意義。

關(guān)于瀝青混合料抗車轍性能及其影響因素，國內(nèi)外學(xué)者從原材料性能、混合料類型、環(huán)境因素等方面出發(fā)進(jìn)行了大量研究，并利用灰關(guān)聯(lián)分析法分析了不同因素對抗車轍性能的影響，但瀝青混合料抗車轍性能的影響因素，特別是路面結(jié)構(gòu)對路面總體抗車轍性能的影響，目前還不能進(jìn)行全面的解釋。該文進(jìn)行了多種級配、多種瀝青類型的瀝青混合料抗車轍性能試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了模擬路面結(jié)構(gòu)的雙層瀝青混合料抗車轍性能試驗(yàn)，并采用灰關(guān)聯(lián)分析方法，研究了不同因素對瀝青混合料和路面結(jié)構(gòu)的影響程度。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 瀝青

研究使用的瀝青包括基質(zhì)瀝青、改性瀝青和高粘度改性瀝青（以下簡稱高粘度瀝青），其性能見表１。

1.2 集料

研究使用的各種集料的級配、吸水率和表觀密度見表２。

1.3 瀝青混合料類型

為了比較明顯地區(qū)分不同類型瀝青混合料的性能和影響，研究借鑒中國瀝青混合料及日本常用瀝青混合料類型，設(shè)計(jì)了如表3所示的4種級配類型，考慮瀝青結(jié)合料的影響，共設(shè)計(jì)了9種類型混合料（表3）。

表3中的各級配類型的集料組成和最佳油石比見表4，各級配類型的合成級配見表5。

表1瀝青技術(shù)性能

表2 集料的物理性能

表3 瀝青混合料類型

表4 各級配集料組成

表5 合成級配

2 試驗(yàn)方法

2.1 瀝青混合料基本性能及其動穩(wěn)定度

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，測試表3中9種瀝青混合料的基本性能，包括密度、空隙率、飽和度等技術(shù)指標(biāo)。進(jìn)行上述9種瀝青混合料的車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60℃，其他條件符合試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定。

2.2 雙層瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗(yàn)

目前，中國主要以車轍試驗(yàn)結(jié)果動穩(wěn)定度DS 表征瀝青混合料的抗車轍性能，是通過5cm厚瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)獲得的。但瀝青路面一般由多層瀝青混合料組成，大量研究表明：瀝青路面流動型車轍主要產(chǎn)生在路面下7～10cm內(nèi)，因此，只用5cm厚度的瀝青混合料動車轍試驗(yàn)結(jié)果DS無法準(zhǔn)確反映瀝青路面實(shí)際的抗車轍性能。瀝青路面的抗車轍性能不僅要考慮瀝青混合料本身的抗高溫穩(wěn)定性指標(biāo)DS，還要考慮瀝青路面結(jié)構(gòu)組成及其特點(diǎn)。

為了探討不同瀝青混合料及其組合結(jié)構(gòu)對瀝青路面抗車轍性能的影響，研究設(shè)計(jì)了近似模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)的雙層瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法，見圖1所示。雙層車轍試驗(yàn)的試樣由3層組成，上、下層為瀝青混合料，按表3所示方案選取。最下層為厚度5cm的夯實(shí)砂層，壓實(shí)度達(dá)到98％以上，用于模擬路面結(jié)構(gòu)中的柔性粒料基層。各層試樣的尺寸均為300ｍｍ×300ｍｍ×50ｍｍ。試驗(yàn)時先用標(biāo)準(zhǔn)的車轍試樣成型方法，成形不同混合料的車轍試樣，然后按圖1所示方法組合成模擬路面結(jié)構(gòu)的雙層車轍組合試樣。各層位之間灑布瀝青以利于層間粘結(jié)。

模擬路面結(jié)構(gòu)的雙層車轍試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)的動穩(wěn)定度試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)通過改進(jìn)可以進(jìn)行厚度為15cm試樣的動穩(wěn)定度測試。試驗(yàn)溫度統(tǒng)一為60℃，在試 驗(yàn)前應(yīng)將組合試樣放在溫度60℃的試驗(yàn)箱內(nèi)保溫6h以上，確保試樣整體溫度均勻。試驗(yàn)其他條件與標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)方法相同。每組雙層瀝青混合料試樣共進(jìn)行300min的車轍試驗(yàn)，利用前60min的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算雙層結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度，同時測試60、300min時的試樣中心點(diǎn)（輪跡中心點(diǎn)）的變形量，用以分析雙層結(jié)構(gòu)路面的車轍變化特點(diǎn)。

圖１ 雙層結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)試樣縱斷面示意圖（單位：cm）

表6 瀝青混合料基本性能

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 瀝青混合料基本性能

各瀝青混合料基本性能見表6。從表6可以看出：９種瀝青混合料的基本性能符合規(guī)范要求。

3.2 瀝青混合料動穩(wěn)定度

9種瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出：不同級配、不同瀝青結(jié)合料的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有很大差異，最大達(dá)10倍以上，基本代表了實(shí)際中可能使用的瀝青混合料類型。

圖2 瀝青混合料的動穩(wěn)定度

研究中使用的瀝青混合料均為密級配瀝青混合料。當(dāng)使用基質(zhì)瀝青時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度較低，而使用改性瀝青，特別是使用高粘度改性瀝青時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度有較大提高，當(dāng)混合料的級配相同時，瀝青結(jié)合料的性能決定了瀝青混合料的抗車轍性能。

3.3 雙層瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗(yàn)

使用表3所示瀝青混合料，共設(shè)計(jì)了14種模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)（表7）。按上述試驗(yàn)方法，進(jìn)行了模擬路面結(jié)構(gòu)的車轍試驗(yàn)，測試了模擬路面結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

表7 模擬路面結(jié)構(gòu)組合

圖3 模擬路面結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度

由圖3可以看出：不同結(jié)構(gòu)組合的路面抗車轍能力具有顯著差異。路面整體抗車轍能力既與瀝青混合料本身的抗車轍能力有關(guān)，也與上、下面層瀝青混合料的搭配情況有關(guān)。因此，在瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)時，一定要綜合考慮上述因素的影響。

3.4 瀝青混合料抗車轍能力影響因素的灰關(guān)聯(lián)分析

灰關(guān)聯(lián)分析是一種系統(tǒng)分析方法，可以在不完全的信息中，對所要分析研究的各因素，通過一定數(shù)據(jù)處理，在隨機(jī)的因素序列中找到其關(guān)聯(lián)性，提煉出影響系統(tǒng)的主要因素、主要特征和因素間對系統(tǒng)影響的差別?；谊P(guān)聯(lián)分析步驟包括：確定數(shù)據(jù)列、生成處理數(shù)據(jù)列、計(jì)算求差序列、計(jì)算灰關(guān)聯(lián)系數(shù)、計(jì)算灰關(guān)聯(lián)度和優(yōu)勢分析。研究利用灰關(guān)聯(lián)分析方法，分析不同因素對瀝青混合料抗車轍性能的影響程度。

大量研究表明：瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響因素主要有瀝青結(jié)合料、集料、集料級配、瀝青混合料性能4個方面。瀝青抗高溫穩(wěn)定性主要以針入度表示，該文選擇瀝青針入度作為瀝青結(jié)合料的影響因素。集料性能對瀝青混合料抗高溫穩(wěn)定性有重要影響，研究中使用了相同的集料類型，因此不作為探討對象。集料級配對瀝青混合料抗高溫性能也有重要影響，一般來講集料最大粒徑大，抗高溫穩(wěn)定性高；嵌擠結(jié)構(gòu)瀝青混合料的抗高溫穩(wěn)定性較好。為此，該文以集料最大粒徑、集料級配不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)作為集料級配的參數(shù)。

集料的不均勻系數(shù)反映大小不同顆粒的分布情況，計(jì)算公式為

，其中，為質(zhì)量通過率為10％的粒徑，為質(zhì)量通過率為60％的粒徑。曲率系數(shù)則是描述累計(jì)曲線整體形狀的指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中：為質(zhì)量通過率為30％的粒徑。

除上述原材料性能外，瀝青混合料的性能對其抗高溫穩(wěn)定性也有重要影響，主要包括瀝青混合料的空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率，這些指標(biāo)既反映了瀝青混合料的級配特點(diǎn)，也反映瀝青路面的壓實(shí)度等施工質(zhì)量。因此，該文以空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率作為影響瀝青混合料抗高溫穩(wěn)定的瀝青混合料及施工因素予以探討。

以動穩(wěn)定度為參考序列的灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果如表8所示。由表8可以看出：瀝青針入度、集料級配、瀝青混合料物理性能對瀝青混合料抗高溫穩(wěn)定性的影響比較接近，即瀝青結(jié)合料、級配和混合料物理性能均對瀝青混合料的抗高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，防治瀝青路面車轍需要從瀝青材料、礦料級配和瀝青混合料施工質(zhì)量等方面采取綜合處置措施。試驗(yàn)結(jié)果還表明：礦料最大粒徑、混合料物理性能對瀝青混合料抗高溫穩(wěn)定性的影響更大一些。特別是由于施工質(zhì)量差導(dǎo)致的瀝青混合料空隙率大等問題，可能會促進(jìn)路面車轍的快速發(fā)展，值得予以關(guān)注和進(jìn)一步研究。

表8 以動穩(wěn)定度為參考序列的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

3.5 路面結(jié)構(gòu)影響的灰關(guān)聯(lián)分析

為探討路面結(jié)構(gòu)組合是否對路面整體抗車轍性能產(chǎn)生影響，研究進(jìn)行了分別以模擬路面結(jié)構(gòu)整體試樣的60min動穩(wěn)定度、60min和300min時的最大變形量為參考序列的灰關(guān)聯(lián)分析。60min動穩(wěn)定度結(jié)果見圖3，60min和300min時的最大變形量試驗(yàn)結(jié)果見表9，灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果見表10。

表9 路面結(jié)構(gòu)總變形量

表10 路面結(jié)構(gòu)組合影響的灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

從表10可以看出：對于路面結(jié)構(gòu)整體抗車轍性能，上面層瀝青混合料抗車轍性能的影響大于下面層瀝青混合料，即著重考慮面層瀝青混合料的抗車轍性能具有一定的合理性。為了對比分析，利用圖2、3和表9數(shù)據(jù)，進(jìn)行上、下面層混合料動穩(wěn)定度與路面結(jié)構(gòu)整體動穩(wěn)定度、60min和300min最大變形的統(tǒng)計(jì)分析，所建立的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如式（２）、（３）、（４）。

式中：Ｙ為瀝青路面整體結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度 （次／mm）；分別為瀝青路面整體結(jié)構(gòu)60min、300min最大變形（ｍｍ）；分別為上、下面層瀝青混合料動穩(wěn)定度（次／mm）。

從式（２）可以看出：上面層瀝青混合料對組合結(jié)構(gòu)的抗車轍性能具有決定性影響，上面層的影響系數(shù)是下面層的8.8倍。上面層瀝青混 合料位于路面最上層，直接與車輪接觸，實(shí)際道路上的上面層混合料溫度也大于下面層混合料的溫度，因此，上面層混合料的抗車轍性能對路面結(jié)構(gòu)整體的抗車轍性能具有重要影響，在實(shí)際工程中應(yīng)予以重視。

表10結(jié)果同時表明：在路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的車轍總變形中，下面層混合料的動穩(wěn)定度也有明顯的影響。從式（３）、（４）可以看出：對于路面結(jié)構(gòu)的最大變形，上面層的影響系數(shù)是下面層的1.6～2.5倍，上面層雖然具有更重要的影響，但影響程度下降，下面層的影響程度上升。如前所述，瀝青路面車轍是在車輪長期、反復(fù)荷載作用下，路面內(nèi)部產(chǎn)生的永久變形累積的結(jié)果。現(xiàn)有研究表明：路面下5~7cm位置的瀝青混合料承受的剪切力最大，因而產(chǎn)生的流動型變形也最大，因此下面層瀝青混合料的抗車轍性能對于路面結(jié)構(gòu)總變形具有更大的影響。

4 結(jié)論

該文利用標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)車轍試驗(yàn)和設(shè)計(jì)的模擬路面結(jié)構(gòu)的雙層瀝青混合料非標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)，探討了瀝青混合料類型和路面結(jié)構(gòu)組合對路面抗車轍性能的影響。得到以下結(jié)論：

（１）在該研究所考慮的范圍內(nèi)，瀝青針入度、集料級配、瀝青混合料物理性能對瀝青混合料抗高溫穩(wěn)定性的影響比較接近，防治瀝青路面車轍需要從瀝青材料、礦料級配和瀝青混合料施工質(zhì)量等方面采取綜合處置措施。

（２）瀝青路面上面層混合料的動穩(wěn)定度對瀝青路面結(jié)構(gòu)整體高溫穩(wěn)定性的影響大于下面層混合料的動穩(wěn)定度。

（３）在瀝青路面產(chǎn)生的永久變形（車轍）中，上面層混合料仍具有重要影響，但下面層混合料的影響程度上升。因此，在進(jìn)行路面抗車轍能力設(shè)計(jì)時，既要考慮瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，又要考慮路面結(jié)構(gòu)的合理合。

該文試驗(yàn)結(jié)果主要是依靠室內(nèi)車轍試驗(yàn)得到的，其結(jié)論有待實(shí)際數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。模擬路面結(jié)構(gòu)為柔性基層，對于中國常用的半剛性基層路面，尚需今后進(jìn)一步研究。