空隙率對PAC路面抗滑特性的影響研究

張 杰

(廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

瀝青混凝土道路在我國得到了廣泛應用，相較于常規水泥混凝土道路，其有著較好的抗滑性能。但在目前應用居多的是密級配瀝青路面材料，其抗滑能力仍相對有限，尤其是在降雨后，下降更明顯，從而影響到行車安全。

目前國內專家學者針對路面材料抗滑性能已有一定的研究基礎。長安大學叢卓紅等[1]著眼于水泥混凝土路面紋理展開研究，認為其構造包括微觀和宏觀兩方面，但并未針對路面材料空隙特性對抗滑性能的影響展開具體的分析；李會哲[2]為解決高速公路路面材料抗滑性能不足的問題，提出了一種抗滑表層施工技術，對施工工藝作出了具體的闡述，但并未對其表層瀝青路面材料的具體特性展開分析；屈甜等[3]改進出了一種薄層罩面并進行級配設計，研究其抗滑性能，得出HFC-3有著最佳路用性能的結論。利用水泥混凝土紋理特性實現路面抗滑，這一方案受限于水泥混凝土的性能缺陷，無法應用到高速公路等場景。瀝青路面抗滑表層及薄層罩面技術則會一定程度上降低瀝青混凝土路面綜合路用性能。

而PAC路面有著應用范圍廣、綜合路用性能好以及抗滑性能優異的特征，因此可以對其抗滑性能影響因素展開深入分析。東南大學的朱宇昊[4]設計了PAC-10和PAC-16兩種瀝青混合料，提出其具備較好的抗滑性能，但未對其具體影響因素展開分析。蔣瑋等[5]重點分析了PAC瀝青路面材料空隙率的影響因素，認為關鍵篩孔通過率是最為重要的原因，但未對空隙率影響路用性能及抗滑特性進行進一步探究。

PAC-13常作為瀝青路面上面層排水層材料，而PAC-20常作為雙層排水瀝青路面的中面層材料。本研究分別制備了5種不同空隙率的PAC-13瀝青混合料以及PAC-20瀝青混合料，選取摩擦系數、構造深度兩個指標用以衡量PAC路面材料的抗滑特性，從而分別得到空隙率對PAC抗滑特性的綜合影響效果。本研究成果可為行業內多孔瀝青路面材料的抗滑性能研究提供借鑒，促進抗滑型瀝青路面材料的推廣與應用。

1 PAC瀝青混合料理論選擇及組成設計

1.1 空隙率計算理論選擇

1.1.1 理論最大相對密度

現行規范[6]中規定了溶劑法和真空法兩種理論最大相對密度計算方案，本研究選取溶劑法對瀝青混合料的理論最大相對密度進行計算。

首先將干燥的瀝青混合料溶解于三氯乙烯溶劑，在25 ℃溫度環境下，檢測并計算理論最大相對密度γt：

(1)

式中：ma——試樣和溶劑總重(g)；

mb——試樣和瓶總重(g)；

mc——瓶重(g)；

me——裝滿溶劑時瓶重(g)；

γc——三氯乙烯相對密度，無量綱。

1.1.2 毛體積相對密度

考慮到本研究所成型PAC試件空隙率在15%以上，常規的蠟封測試法以及表干測試法對此類試件并不適用，因此本文采用了體積法進行測試和計算。測量并計算得到毛體積V，利用式(2)計算得到毛體積相對密度γs：

(2)

式中：ma——試件干燥重(g)；

ρw——水的密度(g/cm3)。

1.1.3 空隙率計算

PAC瀝青混合料中的孔隙可以分成3種，其中連通空隙指的是能夠連通起來的空隙，起到儲水的作用，也能當作排水通道；半連通空隙則是部分與其他空隙連通，同樣起到儲水的作用，但不能作為排水通道；而封閉空隙既不能起到儲水的作用，也不能作為排水通道。PAC瀝青混合料空隙率p的計算公式為：

(3)

1.2 PAC瀝青混合料組成設計

1.2.1 原材料

PAC瀝青混合料有著大空隙的特征，需要高黏度瀝青將集料緊密粘結起來以提高荷載抵抗能力。本研究選用復合改性瀝青中的HVA高黏改性劑含量為8%，SBS改性瀝青含量為92%。

通過高速剪切機剪切后，將其置于烘箱中，設置溫度180 ℃，保溫發育20 min。復合改性高黏瀝青的各項性能指標如表1所示。

表1 復合改性高黏瀝青性能指標數據表

粗細集料分別采用高強度玄武巖碎石和機制砂，技術指標檢測結果均滿足規范要求，所用填料為石灰巖礦粉。

1.2.2 級配設計

對于PAC瀝青混合料來說，現有研究表明其空隙率會受到4.75 mm及2.36 mm篩孔通過率的顯著影響[7]，因此在PAC級配設計時重點控制這兩個關鍵指標。PAC-13和PAC-20礦質集料級配設計方案如圖1和圖2所示。

圖1 PAC-13級配曲線圖

圖2 PAC-20級配曲線圖

1.2.3 最佳油石比

以第4組PAC-13級配為例，初試油石比范圍為3.7%～5.7%，間隔0.5%，對制備試件的析漏值進行檢測，計算出曲線圖擬合曲線的二階微分得到拐點。按照規范要求，通過析漏-油石比曲線圖拐點分析確定最佳油石比，如圖3所示。

圖3 PAC-13-4初擬油石比析漏圖

其他各組級配的最佳油石比確定同理，在此不再贅述計算過程，5組PAC-13最佳油石比分別為4.9%、4.5%、4.7%、4.8%以及3.6%；5組PAC-20最佳油石比分別為5.2%、4.4%、4.5%、4.2%以及3.6%。

1.2.4 空隙率

本研究通過上文方法測試并計算得到試件的毛體積相對密度以及最大理論相對密度，將其代入式(3)可以計算出空隙率，結果如表2所示。

表2 試件空隙率測試相關數據表

2 路面組合結構方案設計與成型

按照上文組成設計結果，通過輪碾儀制備得到車轍試件。而在實際的路面組合結構中，又可以將排水路面區分為單層以及雙層兩種，二者的主要區別在于其中面層是否設置為排水性瀝青混合料。

為了達到室內模擬的目的，本研究針對路面組合結構進行了設計，參照工程實際應用，得到了三類對照組，其中A組為上面層4 cm AC-13+中面層6 cm AC-20，即不透水組；B組為4 cm PAC-13+中面層6 cm AC-20，按照PAC-13的5種空隙率從小到大排列，分別為B1、B2、B3、B4以及B5，即單層透水組；C組為4 cm PAC-13+中面層6 cm PAC-20，將PAC-13和PAC-20，按空隙率從小到大的規律分別組合，分別為C1(空隙率16.32%+18.09%)、C2(空隙率18.09%+19.51%)、C3(空隙率19.64%+20.58%)、C4(空隙率20.89%+22.16%)以及C5(空隙率23.05%+24.29%)，即雙層透水組，如圖4所示。

圖4 路面組合結構方案示意圖

通過分層壓實的方案成型三類路面組合結構，首先對中面層試件進行壓實并冷卻，充分冷卻完成后撒布適量乳化瀝青，隨后加鋪上面層瀝青混合料并壓實。

3 PAC路面材料抗滑機理分析

瀝青路面材料的抗滑性能可以用路面-輪胎間摩擦力來體現。具體涉及到路面材料表面形貌和輪胎材質、花紋等。為控制變量，本研究僅考慮從路面材料表面形貌角度出發。驅動輪胎與PAC路面材料間的抗滑性能影響因素主要包括粘著剪切力和滯后能量損失。

3.1 粘著剪切力

當驅動輪胎與PAC路面接觸時，將會產生粘著作用，此時二者間的抗滑作用體現為橡膠輪套與瀝青混合料表面構造瞬時的粘結力。并且該粘結力發生在粘結期間，當粘結作用結束時，粘結力也隨之消失，其數值大小與粘著范圍內PAC瀝青混合料表面的微觀構造有關，如圖5所示。

圖5 瀝青混合料表面微觀構造示意圖

其中圓弧代指混合料中集料表面，凸起尖銳部分則代指集料表層紋理特征。粘結作用發生時，除了粘著帶來的粘著力外，集料表層紋理也會因為橡膠輪胎的變形嵌入而產生部分剪切力。這兩者共同作用下的瞬時粘著剪切力總體數值體現為PAC路面材料的摩擦系數。

3.2 滯后能量損失阻力

瀝青混合料作為粘彈性材料，在荷載作用時，會出現應變滯后于應力產生的特征，并伴隨滯后能量損失阻力。

當輪胎荷載開始作用時，輪胎內部應力變化情況可以簡化為應力-時間正弦變化模型：

σ=σmsin(ωt)

(4)

式中：σm——輪胎內部最大應力；

ω——輪胎轉動角速度。

而對應的輪胎應變-時間模型則為：

ε=εmsin(ωt-δ)

(5)

式中：εm——輪胎內部最大應變；

δ——特征相位角。

伴隨著應變-應力滯后作用會產生能量損失，其數值可以表征為：

(6)

將其與式(4)和式(5)聯立，并且考慮到輪胎內部最大應力與最大應變的比值為E(彈性模量)，可以計算得到能量損失W的變換式：

(7)

通過式(7)可以發現，最終影響到滯后能量損失阻力的根本原因為輪胎內部最大應力以及特征相位角。考慮到特征相位角與輪胎材質相關，而本研究認為輪胎材質為恒定值，所以滯后能量損失阻力僅與輪胎內部最大應力有關。

輪胎內部應力與車輛壓力F和接觸面積A有關，在壓力不變的情況下，則直接與路面構造深度相關。設A′為等效接觸面積，則有：

(8)

隨著路面材料構造深度的增加，有A′

4 空隙率對抗滑特性的影響數值分析

4.1 空隙率對PAC路面摩擦系數的影響

測試PAC路面材料摩擦系數的常見方案包括橫向力系數測定法(單輪或雙輪)和擺式儀測定法。考慮到模擬試驗精確度以及操作難度問題，本研究選取測試PAC路面材料摩擦系數的方案為擺式儀測定法。

測試前記錄測試環境溫度t，取試件碾壓方向及其垂直方向，分別測5個擺值數據，取其平均值，計算其摩擦系數μ：

μ=(BPNt+ΔBPN)/100

(9)

式中：BPNt——溫度t時所測擺值；

ΔBPN——對應溫度修正擺值。

測得不透水組、單層透水組以及雙層透水組試件的摩擦系數μ的相關數據見表3。

通過表3數據可以明顯發現，相較于單層透水B組和雙層透水C組總體平均摩擦系數，不透水A組的摩擦系數僅為0.71，遠低于B組和C組。為了進一步探究空隙率對各組試件摩擦系數的影響規律，以各組對應上面層PAC-13的空隙率作為橫坐標，分析B組和C組試件碾壓方向和垂直方向的溫度修正后擺值，如圖6所示。

表3 摩擦系數μ相關數據表

分析圖6可以發現，單層透水B組和雙層透水A組的擺值均隨著上面層PAC-13空隙率的增加而呈現上升趨勢。垂直方向上的擺值相較于碾壓方向更大一些，這說明碾壓方向的抗滑能力小于垂直方向，這是因為在碾壓過程中試件上表面集料顆粒在受力作用下排列順序變整齊引起的。

圖6 擺值隨空隙率變化圖

在空隙率為16.32%～19.64%時，雙層透水組的擺值更大，這說明雙層透水PAC在這一空隙率范圍內有著更好的抗滑性能；而在空隙率為20.89%～23.05%時，則表現為單層透水PAC具備很好的抗滑能力。

為模擬實際工程中路面材料空隙率對路面抗滑特性的具體影響，取4組數據中的2組碾壓方向的摩擦系數與空隙率之間的變化趨勢圖，并對其進行線性模擬，如圖7所示，擬合的各項特征指標如表4所示。

表4 擬合指標表

圖7 碾壓方向摩擦系數擬合結果圖

分析擬合結果可以發現，對于雙層透水組的PAC路面，調整后的R2高達0.970 9，其摩擦系數增長與空隙率有著很好的線性相關性。因此，在工程設計中采用此方案，能夠準確控制路面的摩擦系數，有助于達到預期路面抗滑特性指標。

4.2 空隙率對PAC路面構造深度的影響

試件組的構造深度的測試方案為手工鋪沙法。在清潔試件表面后，通過小鏟子鋪沙至測試筒內，叩擊試件使其密實，繼續鋪沙至鋪滿后抹平，最終鋪沙體積V為25 cm3。通過鋪平板將砂子攤鋪完成后測量兩個方向的直徑，得到二者平均值D，計算構造深度TD：

(10)

得到的構造深度值見表5，同時以各組對應上面層PAC-13的空隙率作為橫坐標，分析空隙率對兩類透水組試件構造深度的影響，如圖8所示。

表5 構造深度相關數據表

根據圖8可以明顯發現，單層排水組和雙層排水組試件構造深度均隨空隙率增大而顯著提升，但不再滿足線性擬合規律。本研究嘗試采用Exponential函數非線性擬合，具體選用Exp Dec1單指數擬合方案。單層排水組和雙層排水組擬合程度均很高，調整后的R2分別為0.985 2和0.987 9，這表明該擬合方案能夠很好地反映構造系數隨空隙率變化的規律，從而指導工程實踐。見表6。

圖8 構造深度擬合結果圖

表6 擬合指標表

5 結語

本研究對PAC-13和PAC-20進行了組成設計，各得到5組不同空隙率的試件，并設計了3種試件組，以分析空隙率對單層和雙層PAC路面抗滑特性的具體影響，主要得到了以下結論：

(1)驅動輪胎與PAC路面材料間的抗滑性能影響因素主要包括粘著剪切力和滯后能量損失；(2)粘著力和集料表層紋理特征共同作用下的瞬時粘著剪切力總體數值體現為PAC路面材料的摩擦系數；(3)當構造深度增加時，產生的滯后能量損失阻力將會變大，代表著PAC路面材料的抗滑特性提升；(4)雙層透水PAC路面摩擦系數增長與空隙率有著很好的線性相關性，單層排水和雙層排水PAC路面均符合Exp Dec1單指數擬合規律。

在工程設計中依照本研究擬合規律，能夠準確控制路面的摩擦系數，有助于達到預期路面抗滑特性指標，從而提升行車安全性。