橡膠瀝青對(duì)路面抗滑性能的影響研究

任京州

（西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 前言

路面設(shè)計(jì)和修復(fù)的重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分。然而，現(xiàn)在有大量關(guān)于路表特征影響道路使用性能的研究。因此，提高新建、改建及現(xiàn)存道路的表面特性是研究重點(diǎn)。

道路是否需要重建、表面重修及養(yǎng)護(hù)處理的關(guān)鍵是道路結(jié)構(gòu)的完整與否。道路損壞可能是結(jié)構(gòu)破損或者表面破損。設(shè)計(jì)不當(dāng)、荷載超重、排水不良或者施工管理不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破損，瀝青層間的粘度不夠也是原因之一。導(dǎo)致表面破損和結(jié)構(gòu)破損的原因在本質(zhì)上是不同的。表面破損是由使用年限的增長(zhǎng)、路表面磨耗、瀝青含量不當(dāng)、材料（集料質(zhì)地較軟）、施工管理不當(dāng)以及瀝青表處的不合理使用等引起的。

要研究表面特性，重要的是明確“摩擦力”和“抗滑性”的區(qū)別。摩擦力是指輪胎和路表在某一特定的時(shí)間及特殊的條件下產(chǎn)生的力。摩擦力受許多因素的影響：道路、輪胎和車輛停駐特性，環(huán)境溫度和水。抗滑性一般用來(lái)描述道路對(duì)摩擦力產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。把路面抗滑性定義為一個(gè)行車道表面防止滑溜的能力。“抗滑性”可應(yīng)用于任何涉及路表面摩擦性能的測(cè)試中。

在潮濕條件下，路表摩擦力是路面設(shè)計(jì)、維修及修復(fù)中需要考慮的主要安全因素之一。在潮濕條件下，隨著車輛行駛速度增加，抗滑性會(huì)降低，降低的程度取決于路表面構(gòu)造深度。一般地，構(gòu)造深度越小，摩擦力隨之越低。因此，路面必須保證具有足夠的摩擦力和抗滑性。

現(xiàn)在已有許多儀器和方法可以檢測(cè)道路的摩擦力和構(gòu)造深度。本文對(duì)試驗(yàn)室制備的試件用體積分塊法測(cè)量宏觀構(gòu)造，用英式擺式儀法測(cè)量微觀構(gòu)造。研究采用兩種級(jí)配和三種瀝青結(jié)合料：（1）常規(guī)瀝青;（2）濕法橡膠瀝青;（3）干法橡膠瀝青。在相同的混合料配比基礎(chǔ)上，以增加1%的橡膠瀝青來(lái)測(cè)試其含量對(duì)路面質(zhì)量的影響。

1 路表面構(gòu)造

國(guó)際道路協(xié)會(huì)PIARC在1987年布魯塞爾國(guó)際會(huì)議中，通過(guò)微觀構(gòu)造（micro texture）、宏觀構(gòu)造（macro texture）和最大構(gòu)造深度定義了三種表面構(gòu)造深度范圍[1]。

道路宏觀構(gòu)造是指路面與實(shí)際水平面的偏差。宏觀構(gòu)造的特征尺寸變化范圍為0.5～50 mm。峰間振幅通常取值范圍為0.01～20 mm。這種類型的構(gòu)造在輪胎與道路接觸面處產(chǎn)生的波長(zhǎng)相等。

道路微觀構(gòu)造是指骨料與實(shí)際水平面的偏差。微觀構(gòu)造的特征尺寸不超過(guò)0.5 mm。峰間振幅通常的取值范圍為0.001～0.5 mm。這種微觀構(gòu)造可或多或少的增加表面粗糙度，但是這種構(gòu)造太小不能用肉眼觀測(cè)到。

微觀構(gòu)造提供了砂質(zhì)表面來(lái)滲透薄水膜，并且在輪胎和路面之間產(chǎn)生良好的摩擦阻力。宏觀構(gòu)造提供了排水溝等，排除輪胎和路面之間的積水，增強(qiáng)了輪胎和路面之間的接觸，從而提高了摩阻力。現(xiàn)在還不能測(cè)量到車輛在高速行駛時(shí)的微觀構(gòu)造剖面圖，只能用低速行駛時(shí)產(chǎn)生的摩擦力來(lái)評(píng)價(jià)微觀構(gòu)造。圖1為宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造的區(qū)別。

表1根據(jù)道路使用者的需要提供了關(guān)于路表特征的指南。

2 宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造的測(cè)量

2.1 體積分塊法

圖1 宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造之間的區(qū)別

表1 路表面特征

體積分塊法也被稱為鋪砂法，在很多年前就被廣泛采用，是最早最常用的測(cè)量道路表面構(gòu)造深度的方法，使用的儀器也比較簡(jiǎn)單。本文的試驗(yàn)程序是按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程（JTG E60-2008）》中的T0961-1995手工鋪砂法測(cè)量道路的宏觀構(gòu)造。

這種方法主要是將已知體積的砂在路面上鋪平，將砂鋪成圓形，測(cè)出攤鋪的砂的直徑。用砂的體積除以所覆蓋的面積，所得值即為砂層的厚度，也即平均構(gòu)造深度（MTD）。平均構(gòu)造深度通過(guò)下式計(jì)算：

式中：MTD—道路宏觀構(gòu)造的平均構(gòu)造深度，mm；

V—所用試樣砂的體積，mm3；

D—被砂覆蓋區(qū)域的平均直徑，mm。

2.2 英式擺式儀法

英式擺式儀試驗(yàn)是檢測(cè)低速微觀構(gòu)造與道路表面抗滑性之間關(guān)系最常見(jiàn)的試驗(yàn)方法之一。英式擺式儀是一種便攜的動(dòng)態(tài)的擺式儀器，在野外或?qū)嶒?yàn)室都可以用這種方法測(cè)摩擦系數(shù)[2]。

英式擺式儀是在擺動(dòng)臂的終端裝有橡膠滑動(dòng)塊，當(dāng)擺從一定高度自由下擺時(shí)，橡膠滑塊同試驗(yàn)表面接觸，擺式儀的動(dòng)能由于摩擦而減少。記錄相應(yīng)的路面抗滑值為BPN。

BPN值的變化范圍為0～140，用儀器上的刻度來(lái)記錄BPN的值，測(cè)量接觸表面后擺臂所達(dá)到的最高點(diǎn)，并且在測(cè)試前，用噴水壺澆灑測(cè)點(diǎn)，使路面處于濕潤(rùn)狀態(tài)。

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，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 碎石技術(shù)指標(biāo)

（2）砂：采用灃河潔凈中砂，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 砂的技術(shù)指標(biāo)

（3）礦粉：礦粉采用石灰?guī)r磨制，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

3.2 瀝青結(jié)合料和橡膠粉

采用三種瀝青的如下：常規(guī)瀝青，SK90；濕法橡膠瀝青，Ⅰ和Ⅱ；干法橡膠瀝青Ⅲ。

濕法橡膠瀝青采用兩種橡膠粉含量。“Ⅰ”類橡膠粉含量18%，“Ⅱ”類橡膠粉含量13%。干法橡膠瀝青在實(shí)驗(yàn)室制備時(shí)特征如下：（1）20%橡膠粉；（2）90 min的老化時(shí)間；（3）溫度 175℃[3]。表 5是瀝青結(jié)合料的特性。

表5 瀝青結(jié)合料的性質(zhì)

3.3 混合料

為了優(yōu)化道路表面特性，用相同的集料制備兩種混合料，本文研究的變量是：（1）級(jí)配曲線；（2）瀝青類型和瀝青含量。本文對(duì)密級(jí)配混合料和間斷級(jí)配混合料進(jìn)行了研究。圖2是混合料的級(jí)配曲線。

圖2 混合料的級(jí)配曲線

混合料的級(jí)配規(guī)格如下：

AC-16；間斷級(jí)配；

通過(guò)下列變量的組合可得到7種類型的混合料，變量有：（1）空隙率（5%，7%）；（2）結(jié)合料含量（最佳含量，最佳含量+1%）（3）瀝青結(jié)合料類型（SK90,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ）（4）集料級(jí)配。瀝青混合料的矩陣組合見(jiàn)表6。

表6 瀝青混合料的矩陣組合

4 結(jié)果

4.1 宏觀構(gòu)造

考慮到不同路面的級(jí)配，首先用目測(cè)法來(lái)評(píng)估道路試件的宏觀構(gòu)造。用鋪砂法來(lái)量化路表宏觀構(gòu)造的差異。目測(cè)法觀察不同級(jí)配試件可知間斷級(jí)配混合料比密級(jí)配混合料的宏觀構(gòu)造好。間斷級(jí)配混合料的粗集料均勻、連續(xù)且充足，相比之下密間斷級(jí)配混合料的表面細(xì)集料過(guò)多。對(duì)表6中所有的試件用鋪砂法測(cè)量道路宏觀構(gòu)造深度。所有混合料的平均構(gòu)造深度MTD見(jiàn)表7。

對(duì)宏觀構(gòu)造分析的結(jié)果表明用橡膠瀝青制備的密級(jí)配混合料的構(gòu)造比間斷級(jí)配的低。當(dāng)粘結(jié)劑含量增加1%，濕法橡膠瀝青混合料的構(gòu)造深度降低。

另一方面，間斷級(jí)配的干法橡膠瀝青混合料，當(dāng)粘結(jié)劑含量增加1%，表面構(gòu)造增加。這是由于橡膠含量的增加提高了表面構(gòu)造。對(duì)密級(jí)配而言，結(jié)果沒(méi)有改變。圖3為兩種方法所得的橡膠瀝青混合料的平均構(gòu)造深度的對(duì)比。

表7 鋪砂法檢測(cè)結(jié)果

圖3 橡膠瀝青混合料試件的平均構(gòu)造深度

4.2 微觀構(gòu)造

潮濕試件的BPN是根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程（JTG E60-2008》中的 T0964-2005擺式儀測(cè)定路面摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法測(cè)量的，使用的橡膠墊是按照T0964-1中的標(biāo)準(zhǔn)。并按照T0964-1對(duì)抗滑值進(jìn)行溫度修正。道路試件的微觀構(gòu)造的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 瀝青混合料的BPN值

從這次測(cè)試中可以看出幾種橡膠瀝青混合料的微觀構(gòu)造值相似。另外，橡膠瀝青混合料的構(gòu)造值比常規(guī)瀝青混合料的高。

對(duì)濕法和干法橡膠瀝青混合料進(jìn)行分析，結(jié)果顯示兩種混合料都具有良好的微觀構(gòu)造值。當(dāng)結(jié)合料含量增大時(shí)，每種混合料的微觀構(gòu)造值增大，與橡膠瀝青的加工過(guò)程無(wú)關(guān)，其關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 所有橡膠瀝青混合料的BPN值

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)室研究將道路行駛安全性和宏觀構(gòu)造微觀構(gòu)造聯(lián)系起來(lái)，用鋪砂法和擺式儀法評(píng)價(jià)。

（2）目測(cè)分析表明間斷級(jí)配混合料的構(gòu)造深度比密級(jí)配混合料的高.

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明橡膠瀝青混合料可以提高道路安全性，與常規(guī)瀝青混合料相比，橡膠瀝青混合料表現(xiàn)出更好的宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造值。

（4）用濕法和干法橡膠瀝青制備的橡膠瀝青混合料的微觀構(gòu)造值都比較高。

[1]文靜.數(shù)字化技術(shù)評(píng)價(jià)瀝青路面構(gòu)造深度研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2009.

[2]劉勇,李榮濤,高德貴.淺談路面抗滑性能試驗(yàn)檢測(cè)方法[J].黑龍江交通科技,2003,26(5).

[3]曹榮吉.橡膠瀝青工藝參數(shù)對(duì)其性能影響的試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,38(2).