瀝青路面磨耗層設(shè)計(jì)與現(xiàn)場檢測研究

0 引言

通常情況下，路面的磨耗層與行駛的汽車輪胎直接接觸，為避免兩者發(fā)生摩擦?xí)r造成路面損壞等異常，磨耗層在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮輪胎、汽車等多種自然因素與人為因素對其造成的損傷。與此同時(shí)，考慮到降雨后路面會發(fā)生積水，積水的下滲會增加路面結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞的概率，為保證行車的安全性與舒適性，在設(shè)計(jì)磨耗層時(shí)還需考慮滲透、抗滑等因素。

近年來，瀝青路面磨耗層技術(shù)已成為公路、橋梁建設(shè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。李向龍[對此展開研究，研究表明合理的磨耗層設(shè)計(jì)能有效地提高瀝青混合料的抗滑性能、耐磨性及平整度。安然[2闡明了潮濕、高溫等氣候條件下對道路使用性能的負(fù)面影響，指出采用超粘式磨耗層技術(shù)可有效地改善道面與磨耗層間的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而大幅提升道面的耐水損性能及耐久性能。張鳳根[3闡述了超薄罩面耐磨層工藝的特性和施工注意事項(xiàng)。本文從原材料選擇、混合料配比設(shè)計(jì)及原位測試等方面，對瀝青路面磨耗層開展設(shè)計(jì)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證。

在瀝青路面磨耗層設(shè)計(jì)中，需先進(jìn)行原材料性能進(jìn)行檢測[4]。瀝青原材料性能指標(biāo)如表1所示。結(jié)合性能檢測結(jié)果，選定石油瀝青作為磨耗層主要原材料，其各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足磨耗層對原材料的基本要求，可保障混合料的穩(wěn)定性與耐久性。

表1瀝青原材料性能指標(biāo)

1.2瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

目前，我國瀝青路面普遍存在大量細(xì)粒級集料，常規(guī)瀝青混合料雖能滿足目前瀝青路面抗車轍設(shè)計(jì)的需要，但難以達(dá)到抗滑要求[5]。為此本研究提出一種新型的瀝青路面磨耗層配合比方案，并通過性能試驗(yàn)驗(yàn)證，確保其符合工程標(biāo)準(zhǔn)。配合比設(shè)計(jì)方案如表2所示。

1瀝青路面磨耗層設(shè)計(jì)

1.1 原材料選定

綜合分析現(xiàn)有研究成果可知，在道路工程中，優(yōu)化瀝青路面原材料與配合比設(shè)計(jì)，可有效提高道路質(zhì)量與服役年限。為規(guī)范工程項(xiàng)目建設(shè)，保證建成的道路達(dá)到設(shè)計(jì)及投入使用標(biāo)準(zhǔn)，本次研究選用石油瀝青作為磨耗層的主要原材料。

表2配合比設(shè)計(jì)方案

為改善瀝青混合料的服役性能、延長其使用壽命，在以往建設(shè)中，瀝青路面磨耗層的鋪筑通常是由傳統(tǒng)攤鋪機(jī)向施工區(qū)域輸送拌合料，并通過橫向或斜向的刮刀來實(shí)現(xiàn)布料，不能進(jìn)行二次攪拌和升溫，易出現(xiàn)離析現(xiàn)象。為此，本文提出采用瀝青混合料的專用攤鋪機(jī)來實(shí)現(xiàn)路面磨耗層的鋪筑[6]。該攤鋪機(jī)采用螺旋輸送模式，在輸送過程中不斷地對拌合料進(jìn)行二次攪拌和加熱，確保拌合料的溫度，防止離析。同時(shí)，為了確保攤鋪穩(wěn)定，對攤鋪機(jī)進(jìn)行恒速控制，具體的控制公式為：

60m₁w₁=10⁶avT

式中： m₁ 代表行走泵轉(zhuǎn)速，單位為 r/min . W₁ 代表泵排量，單位為 L/min ；a代表散布量，單位為 L/m² v 代表運(yùn)行速度，單位為 km/h ； T 代表散布寬度，單位為m。

2現(xiàn)場檢測方法

2.1現(xiàn)場檢測準(zhǔn)備

選取典型路段，保證路面結(jié)構(gòu)、材料和施工技術(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)開始之前，必須對場地內(nèi)的垃圾進(jìn)行清除，并在場地內(nèi)設(shè)立安全警告，以保證試驗(yàn)場地不受干擾，保證試驗(yàn)人員和儀器的安全[]。

檢測儀器主要包括馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)裝置（測試混合料壓實(shí)性能）、磨耗測試儀（測試磨耗層的耐磨耗性能）、汽車模擬加載裝置（模擬車輛行駛荷載的作用）、游標(biāo)卡尺和規(guī)準(zhǔn)儀（測試試樣的尺寸和平面度）。在測試之前，必須對各種儀表進(jìn)行校驗(yàn)，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。現(xiàn)場檢測所需儀器設(shè)備如圖1所示。

圖1現(xiàn)場檢測所需儀器設(shè)備

在所選道路上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆孔、取樣，并記錄材料組成、級配和施工參數(shù)。樣品的規(guī)格要按照測試的要求確定，同時(shí)對其進(jìn)行編號、存放和保管，以備后續(xù)的測試分析使用。此外，采集路段的幾何尺寸和交通荷載等基本資料，為設(shè)計(jì)合理的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)提供理論基礎(chǔ)[8]。通過以上措施，保證實(shí)測結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映磨耗層的特性，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.2技術(shù)指標(biāo)設(shè)定

在瀝青路面磨耗層設(shè)計(jì)中，材料性質(zhì)及配比的選擇，直接關(guān)系到其耐久性及行車安全。根據(jù)現(xiàn)有《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定高溫穩(wěn)定性、抗滑性、壓實(shí)度、抗水破壞等性能指標(biāo)，并通過對施工全過程進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，確保達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2.1 高溫穩(wěn)定性

馬歇爾試驗(yàn)通過馬歇爾穩(wěn)定性（MS）試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)（DS）兩種方式進(jìn)行，以保證瀝青混合料具有良好的抗變形性能。采用動態(tài)穩(wěn)定性來表征路面的抗車轍能力，并對其進(jìn)行動態(tài)穩(wěn)定性評價(jià)。

2.2.2 抗滑性能

采用擺式摩擦計(jì)測量車輛在雨天行駛時(shí)的抗滑值（BPN），是保證車輛行駛安全性的重要依據(jù)，其計(jì)算公式為：

式中： F 為摩擦力，單位為N； W 為擺錘重量，單位為N。

2.2.3 抗水破壞性能

滲水性能采用滲水系數(shù) C_w 評價(jià)，反映磨耗層抗水滲透能力，試驗(yàn)中記錄1min內(nèi)滲入試件的水量。滲水性能 C_w 的計(jì)算公式為：

式中： V 為滲水量，單位為 mL A 為試件表面積，單位為 cm² t 為時(shí)間，單位為 min 。

2.2.4密實(shí)度及動態(tài)響應(yīng)特性

密實(shí)度通過現(xiàn)場鉆芯取樣測定壓實(shí)度，要求不低于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試件的 97% 。動態(tài)響應(yīng)特性通過間接拉伸試驗(yàn)?zāi)M車輛荷載，獲取動態(tài)模量 E^* 和相位角 δ ，從而分析混合料的黏彈性行為。

在施工檢測過程中，馬歇爾試驗(yàn)資料和車輪動穩(wěn)定度共同構(gòu)成了高溫性能的雙控制指標(biāo)。抗滑值保證了路面的抗滑破壞功能。滲透系數(shù)保證了路面的抗水破壞功能。而動力模量可以用來檢驗(yàn)長期荷載作用下的疲勞壽命。通過多指標(biāo)的協(xié)同調(diào)控，達(dá)到瀝青面層抗滑、低滲透、強(qiáng)穩(wěn)定性的目的，為重載道路的安全運(yùn)營提供一種可靠的道面設(shè)計(jì)方案。

2.3性能檢測方法

為了更好地評價(jià)瀝青路面磨耗層的服役狀態(tài)，本文提出了一種原位測試方法。首先，選擇城區(qū)一段 1000m 長的道路試驗(yàn)段為研究對象，采取分層隨機(jī)抽樣的方式，在試驗(yàn)段各設(shè)置5個(gè)測點(diǎn)，以保證采樣點(diǎn)的代表性。在測試過程中，利用磨耗試驗(yàn)機(jī)模擬真實(shí)車輛行駛時(shí)的磨耗行為。通過設(shè)置規(guī)范的磨耗參量（包括磨耗時(shí)間、磨耗距離等），開展加速磨耗實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)獲取磨耗等關(guān)鍵參數(shù)。

在檢測過程中，采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)機(jī)及汽車仿真加載裝置對其進(jìn)行了全面的試驗(yàn)。馬歇爾試驗(yàn)用于對混合料流變性能進(jìn)行測試，并以兩面各擊30次的標(biāo)準(zhǔn)試樣制備。利用汽車仿真加載裝置，對道路進(jìn)行動載試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)加載次數(shù)、振幅等參數(shù)，對道路進(jìn)行動態(tài)加載，模擬各種交通狀態(tài)。

圖2摩擦系數(shù)檢測結(jié)果

圖3路面滲水系數(shù)檢測結(jié)果

現(xiàn)場測試的主要內(nèi)容包括：使用鉆芯法直接測定磨耗層厚度；按照標(biāo)準(zhǔn)方法，采用擺式摩擦儀測量摩擦系數(shù)；滲透系數(shù)用滲透計(jì)來測定單位時(shí)間的滲透量。為了保證測試結(jié)果的可信度，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行多次測試，并進(jìn)行平均處理。為了簡化試驗(yàn)過程，對一些參數(shù)進(jìn)行非破壞性測試，以提高測試效率，并確保了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，綜合評價(jià)瀝青路面的耐磨性能、行車安全性及耐久性能。

3檢測結(jié)果與分析

3.1摩擦系數(shù)檢測

摩擦系數(shù)作為評價(jià)道路安全性的重要指標(biāo)，與汽車行駛時(shí)的穩(wěn)定性及剎車效果有著直接的關(guān)系。通過仿真輪胎和路面的動態(tài)接觸，可準(zhǔn)確測定各種工況下的路面摩擦力。在濕滑、雨雪等低黏附條件下，具有較高的摩擦系數(shù)，可有效縮短剎車?yán)锍蹋瑴p少車禍發(fā)生幾率。

測試時(shí)需考慮路面材料、路面結(jié)構(gòu)、濕度和溫度等多種因素，這些因素都會對路面摩擦系數(shù)產(chǎn)生較大的影響。比如，干燥且具有明顯結(jié)構(gòu)的路面，摩擦因數(shù)一般都比較高；但當(dāng)路面有水或磨耗嚴(yán)重時(shí)，其摩擦因數(shù)會顯著降低。通過對瀝青混合料摩擦系數(shù)的研究，既能有效評價(jià)其實(shí)際使用狀況，也能為道路養(yǎng)護(hù)提供有效的預(yù)警手段。

對設(shè)計(jì)方法應(yīng)用前后的路面摩擦系數(shù)進(jìn)行檢測，摩擦系數(shù)檢測結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，文中所述設(shè)計(jì)方法應(yīng)用后，路面摩擦系數(shù)增加，說明該方法能提高道路安全性，進(jìn)而優(yōu)化路面綜合性能。

3.2滲水系數(shù)檢測

滲透系數(shù)是評價(jià)瀝青混合料抗水性能的主要指標(biāo)。通過對路面降雨入滲進(jìn)行數(shù)值模擬，可得到各測點(diǎn)的滲透性變化規(guī)律。該指標(biāo)直接影響道路的防水性和耐久性。若滲透系數(shù)較高，水極易滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成路基軟化、強(qiáng)度降低，進(jìn)而引發(fā)路面破壞。當(dāng)滲透系數(shù)較小時(shí)，其耐水性能和抗沖蝕性能均較好。

定期測試瀝青混合料的透水系數(shù)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能引發(fā)裂縫的隱患，為修補(bǔ)或補(bǔ)強(qiáng)提供依據(jù)。路面滲水系數(shù)檢測結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，應(yīng)用設(shè)計(jì)的方法后，路面滲水系數(shù)顯著下降，表明道路防水性能得到優(yōu)化。通過這種方式，可以延長道路的使用年限，避免因高滲透系數(shù)導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等病害。

4結(jié)束語

針對我國高速公路的現(xiàn)狀，本文提出一種基于瀝青混合料的路面磨耗層構(gòu)造設(shè)計(jì)及現(xiàn)場試驗(yàn)方法，并對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在今后的研究工作中，還需對試驗(yàn)方案進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)與完善，以保證該項(xiàng)技術(shù)能更好地應(yīng)用于更多的工程實(shí)踐中，推動我國道路橋梁建設(shè)事業(yè)的良性發(fā)展。

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