瀝青路面微觀形貌對(duì)抗滑性能影響機(jī)理研究基本信息

瀝青路面抗車(chē)轍性能影響因素研究

瀝青路面以其行車(chē)振動(dòng)小、噪音低、開(kāi)放交通快、養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便等優(yōu)良特性在中國(guó)道路路面結(jié)構(gòu)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，尤其是高等級(jí)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(guó)已建成的高等級(jí)公路路面的80％以上為瀝青路面。近年來(lái)，由于交通量的快速增長(zhǎng)、車(chē)輛軸重增加、超載等原因，瀝青路面早期破壞成為中國(guó)道路交通建設(shè)面臨的主要問(wèn)題，而在中國(guó)的瀝青路面損壞類(lèi)型中，車(chē)轍破壞成為最主要的破壞類(lèi)型之一。在對(duì)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(duì)于RDI，優(yōu)良率僅為30％左右，評(píng)價(jià)為中及以下的路面達(dá)到70％，路面的主要破壞為車(chē)轍，對(duì)路面使用產(chǎn)生重要影響。路面產(chǎn)生車(chē)轍有多種原因，中國(guó)大多數(shù)高等級(jí)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(chē)轍深度可能達(dá)到總車(chē)轍深度的90％左右，因此研究瀝青混凝土的抗車(chē)轍性能對(duì)于解決中國(guó)瀝青路面抗車(chē)轍破壞問(wèn)題具有重要意義。

關(guān)于瀝青混合料抗車(chē)轍性能及其影響因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從原材料性能、混合料類(lèi)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(duì)抗車(chē)轍性能的影響，但瀝青混合料抗車(chē)轍性能的影響因素，特別是路面結(jié)構(gòu)對(duì)路面總體抗車(chē)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(jí)配、多種瀝青類(lèi)型的瀝青混合料抗車(chē)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(chē)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(duì)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(jiǎn)稱(chēng)高粘度瀝青），其性能見(jiàn)表１。

1.2 集料

研究使用的各種集料的級(jí)配、吸水率和表觀密度見(jiàn)表２。

1.3 瀝青混合料類(lèi)型

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

表3中的各級(jí)配類(lèi)型的集料組成和最佳油石比見(jiàn)表4，各級(jí)配類(lèi)型的合成級(jí)配見(jiàn)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(lèi)型

表4 各級(jí)配集料組成

表5 合成級(jí)配

2 試驗(yàn)方法

2.1 瀝青混合料基本性能及其動(dòng)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(cè)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(chē)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(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)

目前，中國(guó)主要以車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果動(dòng)穩(wěn)定度DS 表征瀝青混合料的抗車(chē)轍性能，是通過(guò)5cm厚瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)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(dòng)型車(chē)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(dòng)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果DS無(wú)法準(zhǔn)確反映瀝青路面實(shí)際的抗車(chē)轍性能。瀝青路面的抗車(chē)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(duì)瀝青路面抗車(chē)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(chē)轍試驗(yàn)方法，見(jiàn)圖1所示。雙層車(chē)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(shí)先用標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)轍試樣成型方法，成形不同混合料的車(chē)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(chē)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(chē)轍試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)通過(guò)改進(jìn)可以進(jìn)行厚度為15cm試樣的動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)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(chē)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(chē)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(dòng)穩(wěn)定度，同時(shí)測(cè)試60、300min時(shí)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(chē)轍變化特點(diǎn)。

圖１ 雙層結(jié)構(gòu)車(chē)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(jiàn)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(dòng)穩(wěn)定度

9種瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出：不同級(jí)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(lèi)型。

圖2 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

研究中使用的瀝青混合料均為密級(jí)配瀝青混合料。當(dāng)使用基質(zhì)瀝青時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)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(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有較大提高，當(dāng)混合料的級(jí)配相同時(shí)，瀝青結(jié)合料的性能決定了瀝青混合料的抗車(chē)轍性能。

3.3 雙層瀝青混合料動(dòng)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(chē)轍試驗(yàn)，測(cè)試了模擬路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(dòng)穩(wěn)定度

由圖3可以看出：不同結(jié)構(gòu)組合的路面抗車(chē)轍能力具有顯著差異。路面整體抗車(chē)轍能力既與瀝青混合料本身的抗車(chē)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(shí)，一定要綜合考慮上述因素的影響。

3.4 瀝青混合料抗車(chē)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(duì)所要分析研究的各因素，通過(guò)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(duì)系統(tǒng)影響的差別。灰關(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(shì)分析。研究利用灰關(guān)聯(lián)分析方法，分析不同因素對(duì)瀝青混合料抗車(chē)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(jí)配、瀝青混合料性能4個(gè)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(duì)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(lèi)型，因此不作為探討對(duì)象。集料級(jí)配對(duì)瀝青混合料抗高溫性能也有重要影響，一般來(lái)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(jí)配不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)作為集料級(jí)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(guò)率為10％的粒徑，為質(zhì)量通過(guò)率為60％的粒徑。曲率系數(shù)則是描述累計(jì)曲線(xiàn)整體形狀的指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中：為質(zhì)量通過(guò)率為30％的粒徑。

除上述原材料性能外，瀝青混合料的性能對(duì)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(jí)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(dòng)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(jí)配、瀝青混合料物理性能對(duì)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(jí)配和混合料物理性能均對(duì)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(chē)轍需要從瀝青材料、礦料級(jí)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(duì)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(wèn)題，可能會(huì)促進(jìn)路面車(chē)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(dòng)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(duì)路面整體抗車(chē)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(dòng)穩(wěn)定度、60min和300min時(shí)的最大變形量為參考序列的灰關(guān)聯(lián)分析。60min動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果見(jiàn)圖3，60min和300min時(shí)的最大變形量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果見(jiàn)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(duì)于路面結(jié)構(gòu)整體抗車(chē)轍性能，上面層瀝青混合料抗車(chē)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(chē)轍性能具有一定的合理性。為了對(duì)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(dòng)穩(wěn)定度與路面結(jié)構(gòu)整體動(dòng)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(dòng)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(dòng)穩(wěn)定度（次／mm）。

從式（２）可以看出：上面層瀝青混合料對(duì)組合結(jié)構(gòu)的抗車(chē)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(chē)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(chē)轍性能對(duì)路面結(jié)構(gòu)整體的抗車(chē)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(shí)表明：在路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的車(chē)轍總變形中，下面層混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也有明顯的影響。從式（３）、（４）可以看出：對(duì)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(chē)轍是在車(chē)輪長(zhǎng)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?，F(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(dòng)型變形也最大，因此下面層瀝青混合料的抗車(chē)轍性能對(duì)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(chē)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(chē)轍試驗(yàn)，探討了瀝青混合料類(lèi)型和路面結(jié)構(gòu)組合對(duì)路面抗車(chē)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(jí)配、瀝青混合料物理性能對(duì)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(chē)轍需要從瀝青材料、礦料級(jí)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(dòng)穩(wěn)定度對(duì)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(dòng)穩(wěn)定度。

（３）在瀝青路面產(chǎn)生的永久變形（車(chē)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(chē)轍能力設(shè)計(jì)時(shí)，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(chē)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(duì)于中國(guó)常用的半剛性基層路面，尚需今后進(jìn)一步研究。