基于加速加載的微表處抗滑性能及耐磨耗性能研究

田素平

（長治市長興道橋試驗檢測有限公司，山西 長治 046000）

20世紀70年代，德國研發(fā)了微表處技術(shù)，19世紀末，我國以路面預防性養(yǎng)護的方法引入并得到了推廣應用[1-2]。在夏炎熱多雨地區(qū)，瀝青路面的溫度高于微表處瀝青的軟化點后，車輛荷載作用下，微表處層逐漸被壓密，瀝青逐漸浮于路表，引起路面的抗滑性能及磨耗性能下降。另外，由于降雨量大，在車輪泵吸作用下，微表處顆粒表面的瀝青逐漸被水剝離，致使瀝青路面微表處出現(xiàn)坑槽、掉粒等病害，導致路面綜合性能發(fā)生大幅度下降。

為了提升瀝青路面微表處養(yǎng)護后的抗滑及耐磨耗性能，研究人員在微表處中加入一定量的聚酯纖維、木質(zhì)素纖維等，既吸收了部分多余的瀝青，又填充、加筋了微表處混合料層[3]。鐘建超等從不同的材料、不同的級配及不同的纖維等方面進行了系列研究，得出添加纖維及優(yōu)選的材料、級配下，可明顯提高瀝青混合料的抗滑、耐久性能[4-5]。孫曉立等以輪胎與路面間的作用關(guān)系為基準，通過室內(nèi)加速加載試驗，研究了不同改性乳化瀝青對微表處性能的貢獻，發(fā)現(xiàn)乳化瀝青的性能對微表處結(jié)構(gòu)層的長期性能影響最為嚴重[6-7]。季節(jié)等人研究表明，水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青是以改性乳化瀝青為介質(zhì)，環(huán)氧樹脂顆粒分布于改性乳化瀝青中，在常溫下蒸干水分、固化，固化后的產(chǎn)物可以明顯提高微表處鋪裝層的強度[8]。

目前為止，國內(nèi)外研究人員對微表處長期性能方面的研究較少，文中主要采用室內(nèi)加速加載試驗機，研究瀝青用量、級配、石料的黏土含量對微表處加鋪層抗滑及耐磨耗性能的影響。

1 加速加載試驗機簡介

加速加載試驗機包括加速磨光系統(tǒng)和激光構(gòu)造深度測定系統(tǒng)，其原理為在加速磨光系統(tǒng)對試件加速磨光后，采用激光構(gòu)造深度測定系統(tǒng)測定經(jīng)磨光后試件的構(gòu)造深度及試件的質(zhì)量損失，可實現(xiàn)不同微表處材料的長期性能研究。采用的加速加載試驗機具有4個加載輪的加速磨光系統(tǒng)，見圖1；激光構(gòu)造深度測定系統(tǒng)見圖2。

圖1 加速磨光系統(tǒng)

圖2 激光構(gòu)造深度測定系統(tǒng)

該加速磨光系統(tǒng)采用可配重的空心輪胎，胎寬10 cm，直徑25 cm，控制輪胎加載接地壓強為0.7±0.5 MPa，試驗溫度15℃～25℃，轉(zhuǎn)動速度為1 s/圈。待測微表處層鋪于標準車轍板上，車轍板采用如圖3的方式放置，主軸中位置不放置車轍板。8塊車轍板由車轍成型機成型，成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。激光構(gòu)造深度測定系統(tǒng)測距精度為±0.01mm，激光構(gòu)造深度測定系統(tǒng)直線行走速度5cm/s。

圖3 試件放置方式（單位：cm）

2 材料與試驗

2.1 微表處原材料

5～10 mm、3～5 mm粗集料選用玄武巖石料，0～3 mm細集料采用石灰?guī)r制作的機制砂，集料性能試驗結(jié)果見表1；水泥采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，性能見表2；殼牌SBS改性乳化瀝青性能見表3。

表1 集料物理性能指標試驗結(jié)果

表2 水泥試驗結(jié)果

表3 SBS改性乳化瀝青試驗結(jié)果

2.2 試驗方法

首先制作足夠量的車轍板試件，車轍板試件采用標準試件，經(jīng)計算，該次加速加載車轍板試件需要8塊，車轍板試件混合料采用常規(guī)上面層使用的AC-13瀝青混合料。成型冷卻后，再在每塊車轍板上加鋪5 mm微表處層。借鑒《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）“T0752、T0756”方法，將制作好的試件放入60℃±3℃的烘箱中烘至恒重，一般不少于16 h。再將試件放成一排，采用激光斷面儀測量試件的初始表面紋理，記錄初始紋理。加速加載試驗之前，首先稱量每塊試件質(zhì)量，作為初始質(zhì)量。依據(jù)研究報告[9]采用的加載次數(shù)及考慮試驗時長，測試過程中，加載7 200次測定表面紋理變化及試件質(zhì)量變化。

2.3 試驗內(nèi)容

2.3.1 級配對微表處長期使用性能的影響

選擇4種MS-3型微表處級配，油石比從級配1～級配4分別采用6.6%、6.5%、6.5%、6.4%最佳油石比，通過微調(diào)不同級配微表處混合料的用水量，保證混合料的漿體流動性，4種級配見表4。

表4 4種不同級配曲線

圖4 4種級配的合成曲線

2.3.2 瀝青含量對微表處長期使用性能的影響

選擇級配2，以最佳油石比為基準，分別選擇5.5%、6.5%、7.5%油石比，研究不同油石比對微表處混合料的長期性能影響。

2.3.3 集料的含泥量對微表處長期使用性能的影響

合成級配的0.075 mm通過部分的含泥量對微表處性能的影響非常嚴重，過多的黏土可明顯降低改性乳化瀝青與集料的黏結(jié)性能，降低使用壽命。在級配2的基礎(chǔ)上，對3份相同的合成集料進行水洗篩分，篩除0.075 mm以下部分，計算0.075 mm以下部分質(zhì)量。礦粉采用0.075 mm篩網(wǎng)過篩，0.075 mm以下部分備用。以合成集料中0.075 mm通過部分的質(zhì)量為基準質(zhì)量，稱取3份礦粉篩下物，分別以黏土0%、10%、20%的比例替換礦粉篩下物，再分別回摻到去除0.075 mm以下部分的原合成集料中，形成3份不同黏土含量的合成集料。以上3份集料均采用6.5%的油石比，過程中適當調(diào)整含水量，保證微表處混合料的流動狀態(tài)。

2.4 評價參數(shù)定義

提出兩個指標，粗糙度和磨損率，粗糙度用于描述微表處表面經(jīng)車輪摩擦后剩余粗糙程度；磨損率表現(xiàn)微表處層在車輪摩擦后集料的脫離程度。

式中：S為測試面的粗糙度，mm；T為每個測點處的深度，mm；為所有測試深度的平均值，mm；n為測點數(shù)，以測試深度為縱坐標，測試行走方向為橫坐標，測試最深點定義為縱坐標0點，水平位移行走方向數(shù)據(jù)采集間隔為0.01 mm；U為磨損率，%；m2為磨耗后試件的質(zhì)量，g；m1為磨耗前的質(zhì)量，g。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 級配的影響

采用激光斷面掃描儀，掃描經(jīng)試驗后的微表處輪跡表面，掃描結(jié)果見圖5～圖9。

圖5 級配1掃描結(jié)果

圖6 級配2掃描結(jié)果

圖7 級配3掃描結(jié)果

圖8 級配4掃描結(jié)果

圖9 粗糙度降低率、磨損率與不同級配的關(guān)系

從圖5～圖9可以看出，隨級配的變粗，微表處表面深度逐漸變大，級配4表面深度變化最大。從粗糙度降低率來看，加速加載試驗后，級配3的粗糙度降低率最?。粡哪p率來看，級配2的磨耗損失最小。主要原因為，過粗或過細的級配拌和的微表處，集料間不能形成很好的嵌擠結(jié)構(gòu)，過細的級配成型的試件表面沙粒較多，比表面積較大，平均瀝青膜厚度相對較低，瀝青與集料的黏結(jié)力不強，掉粒較為容易；過粗的表面對輪胎的摩擦力過大，表面集料很容易被車輪帶走，對粗糙度的保持程度較差，最終表現(xiàn)為級配3的粗糙度保持能力最強，級配2的抵抗磨耗能力最強。

3.2 瀝青含量的影響

在級配2的基礎(chǔ)上，以6.5%為設計油石比，實際油石比在設計油石比上下±1%，進行不同油石比的加速加載試驗，試驗結(jié)果見圖10。

圖10 粗糙度降低率、磨損率與油石比的關(guān)系

從圖10可知，隨著油石比的提高，粗糙度降低率和磨損率均呈先急劇下降，后趨于平緩。當油石比小于最佳油石比，瀝青用量相對較低，集料表面裹覆瀝青相對較薄，集料不能形成穩(wěn)定、牢固的黏結(jié)，導致微表處表面構(gòu)造深度降低速度較快。所以，從微表處集料表面紋理及集料表面磨耗損失率來看，在瀝青用量選擇過程中，不得使用低于最佳設計瀝青用量。

3.3 集料含泥量的影響

通過對合成集料中小于0.075 mm部分以0%、10%、20%代替后，采用最佳油石比6.5%拌和，成型試件加速加載試驗后，測定粗糙度降低率及磨損率，試驗結(jié)果及規(guī)律見圖11。

圖11 粗糙度降低率、磨損率與不同黏土替換關(guān)系

從圖11可知，隨黏土替換率的提高，粗糙度降低率、磨損率均發(fā)生較大幅度的上升，主要表現(xiàn)為隨黏土含量的添加，微表處層表面抗滑性能下降越來越明顯，表面集料脫落程度越來越嚴重。瀝青與粗集料用量一定時，集料與瀝青的黏附性能及表面構(gòu)造深度的保持性能決定微表處混合料的初期使用性能，過多的黏土明顯降低了瀝青與集料的黏附性能，并且過多的黏土使微表處混合料的吸水性能提高，進一步劣化了微表處混合料的工作環(huán)境，在吸收水的作用下使瀝青與集料剝離更為迅速。所以，集料的潔凈程度可作為微表處混合料性能的關(guān)鍵控制指標。

4 結(jié)論

a）過粗或過細的級配對微表處混合料的粗糙度降低率、磨損率均產(chǎn)生大的影響，當設計級配位于級配2和級配3之間時，集料具有最佳的嵌擠狀態(tài)，瀝青具有最佳的黏結(jié)效果。

b）降低瀝青用量后，集料之間黏結(jié)性能變差，微表處表面構(gòu)造降低非常嚴重，集料被車輪帶走的可能性明顯提高，從糙度降低率、磨損率來講，微表處瀝青用量宜高不宜低，但從抗車轍方面講，瀝青用量高限需進一步控制。

c）集料潔凈程度嚴重影響微表處的性能，隨著集料中黏土含量的增加，糙度降低率、磨損率基本呈直線上升，表明集料中黏土含量越少，微表處表層被車輪磨光、剝落嚴重程度越小。