基于MMLS3的OGFC-7超薄罩面抗滑性能研究

周浩南, 張 躍, 王火明, 徐周聰

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067; 2.四川秦巴高速公路有限責(zé)任公司, 四川 巴中 636000)

瀝青路面作為一種無縫連續(xù)路面,因具有平整度好、行車舒適性高、施工周期短、養(yǎng)護(hù)簡單、適合分期施工等優(yōu)點(diǎn)而在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。但我國許多地區(qū)的瀝青路面在使用早期就出現(xiàn)了龜裂、剝落、車轍等病害,這些病害會(huì)使瀝青路面的抗滑性能下降,易導(dǎo)致車輛制動(dòng)距離過長從而引發(fā)交通事故,特別是在雨雪天氣下,更易發(fā)生事故[1-3]。因此,改善瀝青路面的抗滑性能,提高行車安全是道路養(yǎng)護(hù)的首要問題。目前,常規(guī)方法是加鋪具有抗滑性能的超薄罩面層恢復(fù)瀝青路面的表面抗滑功能[4-6]。

開級(jí)配超薄罩面OGFC(Open Graded Friction Course)是一種代表性的超薄鋪裝材料,其厚度薄、粒徑小,不僅有非常優(yōu)異的排水性能,還能改善路面的抗滑性能、恢復(fù)道路的表面功能,是一種用于高等級(jí)公路表面層的優(yōu)質(zhì)瀝青混凝土。目前,我國通常采用最大公稱粒徑大于 10 mm 的 OGFC 瀝青混合料鋪筑路面,但當(dāng)鋪筑更薄的罩面層時(shí),則需更細(xì)粒徑的瀝青混合料。由于OGFC空隙較大,需使用高黏瀝青作為膠結(jié)料才能保證其具有良好的使用性能和使用壽命。目前高黏瀝青OGFC 的制備多采用濕法,但該法制備過程繁瑣,并易導(dǎo)致瀝青發(fā)生離析和老化,影響工程使用。干法工藝使用簡單、操作性強(qiáng),可克服濕法工藝中瀝青離析、老化等問題,較濕法工藝有顯著優(yōu)勢。

OGFC-7是一種引入7.2 mm 篩孔,最大公稱粒徑為 7 mm 的 OGFC瀝青混合料。由于現(xiàn)行規(guī)范中 4.75 mm～9.5 mm 篩孔相差較大,故增加 7.2 mm 的篩孔,并借助逐級(jí)填充法設(shè)計(jì)粗集料級(jí)配,可確保粗集料級(jí)配的均勻性,使粗集料更好地形成嵌擠結(jié)構(gòu)[7]。同時(shí),使用高黏直投改性劑可在一定程度上簡化施工流程,提升施工效率。由于OGFC-7 最大公稱粒徑較OGFC-10小,可減小路面厚度[8-9],更適合作為超薄罩面用于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程。

但目前國內(nèi)外對(duì)OGFC-7的研究還較少,尤其對(duì)OGFC-7的抗滑性能及其衰減規(guī)律研究鮮有報(bào)道,無法驗(yàn)證OGFC-7混合料在施工運(yùn)營后,即經(jīng)過一定次數(shù)的軸載作用后,其仍能保持足夠的抗滑性能。因此,為了驗(yàn)證OGFC-7的抗滑性能衰減程度,本文采用加速加載試驗(yàn)方法,對(duì)比了在經(jīng)過不同軸載次數(shù)作用后OGFC-10與OGFC-7的抗滑性能變化情況,以驗(yàn)證OGFC-7的抗滑性能耐久性。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料制備

為了研究OGFC-7的抗滑性能衰減情況,采用常用OGFC-10混合料作為對(duì)照組,對(duì)比2種混合料的抗滑性能衰減。根據(jù)前期準(zhǔn)備試驗(yàn)確定了OGFC-10、OGFC-7最佳油石比分別為5.1%、5.2%,其級(jí)配范圍如表1所示。

為更真實(shí)模擬OGFC-7超薄罩面在車輛荷載作用下的受力狀況,選擇成型復(fù)合車轍板試件進(jìn)行加速加載試驗(yàn),如圖1所示。本試驗(yàn)選擇添加高黏直投劑 A(記為 OGFC-7A)和高黏直投劑 B(記為 OGFC-7B)拌和制作的試件,高黏劑添加量為瀝青用量的 13%。制備步驟:1) 制作 30 mm 厚度的AC-13車轍試件;2) 在AC-13試件上灑布改性乳化瀝青黏層油,灑布量為1.3 L/m2～1.5 L/m2;3) 待黏層油破乳后,加鋪20 mm的OGFC-10與 OGFC-7 瀝青混合料,并通過碾壓制備復(fù)合車轍板。

表1 混合料礦料級(jí)配范圍

1.2 試驗(yàn)方法

1) MMLS3加速加載試驗(yàn)方法

MMLS3是一種小型加速加載試驗(yàn)方法,其設(shè)備由南非的PAVE TESTING公司生產(chǎn),如圖2所示。該設(shè)備體積小、加載速度快、可測試范圍大,可用于室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)。與傳統(tǒng)路面車轍儀相比,MMLS3的加載方式更接近路面實(shí)際情況,測量數(shù)據(jù)更精確,其主要功能有:

(1) 可通過可控的試驗(yàn)溫度和軸載對(duì)路面材料進(jìn)行連續(xù)加載,加載頻率、輪載、輪壓最大值分別為7 200次/h、2.9 kN、850 kPa。

圖1 車轍板試樣

(2) 可調(diào)節(jié)試驗(yàn)濕度,能夠模擬各種濕度條件下的路面狀態(tài)。

(3) 可調(diào)節(jié)加載速度,能夠模擬不同車速下的路面加載情況。

(4) 加油軸載輪胎采用空心橡膠胎,輪胎寬度為80 mm,輪胎內(nèi)部氣壓可調(diào)節(jié)。

(5) 配備斷面測量儀,可通過激光掃描測定試件加載后的車轍深度。

圖2 MMLS3試驗(yàn)設(shè)備

2) 抗滑性能測試方法

采用直接與間接手段對(duì)OGFC-7超薄罩面的抗滑性能進(jìn)行測試,根據(jù)MMLS3加速加載試驗(yàn)加載次數(shù)的不同,測試節(jié)點(diǎn)加載次數(shù)為0、5、10、20、30、40、50、60、70萬次。

(1) 直接測試方法

擺式儀法:模擬路面在潮濕狀態(tài)下的抗滑性能。其原理是當(dāng)擺錘下落至路面并上升至某一高度,依靠擺錘與路面接觸時(shí)克服摩擦力所做的功,來測定路面的摩擦系數(shù)擺值。擺式儀操作簡單方便,既可用于室內(nèi)試驗(yàn),也可用于現(xiàn)場試驗(yàn)。擺式儀按照顯示方式的不同,可分為指針式擺式儀和數(shù)字式擺式儀,本文采用 BM-V 型電腦數(shù)字?jǐn)[式儀。

(2) 間接測試方法

手工鋪砂法:將一定體積的砂在試件表面鋪成正圓形,通過測量圓的直徑求構(gòu)造深度TD。但本文只測定試件加載后輪跡帶處構(gòu)造深度的變化,因此傳統(tǒng)手工鋪砂法不適用于本試驗(yàn)。為了更加準(zhǔn)確地測定加載后的構(gòu)造深度,本試驗(yàn)將砂在輪跡帶處鋪成矩形,矩形寬度等于 MMLS3 輪胎寬度,構(gòu)造深度的計(jì)算公式為:

(1)

式中:TD為被測試件加載后輪跡帶處的構(gòu)造深度,mm;V為所鋪砂的平均體積,mm3;b為鋪砂長度,mm。

圖像分析法:基于CCD圖像傳感器的分形維數(shù)計(jì)算法。由于瀝青路面表面紋理變化不規(guī)則,傳統(tǒng)的抗滑參數(shù)會(huì)隨著測量區(qū)域的變化表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,因此,需選取一些合適穩(wěn)定的參數(shù)表征瀝青路面復(fù)雜的紋理結(jié)構(gòu)。分形理論作為一門用于定量描述幾何形體復(fù)雜程度及空間填充能力的新興邊緣學(xué)科,廣泛應(yīng)用于研究自然界中不穩(wěn)定的、不規(guī)則的現(xiàn)象。計(jì)算瀝青路面灰度圖像的分形維數(shù),就可表征車轍板表面紋理結(jié)構(gòu)隨加載次數(shù)增加的變化情況[10-12]。工作步驟:

①采用CCD圖像傳感器對(duì)車轍板表面進(jìn)行拍攝,拍攝時(shí)調(diào)節(jié)CCD相機(jī)鏡頭與車轍板的距離為20 cm,并垂直于車轍板,保持光源、角度和焦距固定。

②拍攝完成后,采用Image J軟件來處理圖像,并用Smooth等濾波功能對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理,如圖3所示。從圖3可見,顏色較淺接近淺灰色處為試件的凸起部分,顏色較深接近黑色部分為試件的凹陷部分,二者的灰度值存在明顯差異,其圖像灰度值分布有2個(gè)波峰。Image J軟件可根據(jù)圖像灰度值波峰中間的波谷位置自動(dòng)選擇一個(gè)閾值K,將大于K的灰度值均設(shè)為255,小于K的灰度值設(shè)為0,形成二值圖[13],如此即可根據(jù)二值圖自動(dòng)計(jì)算圖像的分形維數(shù)。

(a) 噪點(diǎn)

(b) 二值

(3) 分形維數(shù)計(jì)算

采用差分盒維數(shù)法計(jì)算分形維數(shù)[14-15],其具體計(jì)算原理為:

①將M×M(M為三維空間曲面垂直投影邊長)的三維曲面在平面上分割為s×s(s為切割的網(wǎng)格邊長,為整數(shù))的網(wǎng)格(M/2≥s≥2)。

②在三維空間中,x軸和y軸表示水平面,z軸表示高度(用h表示),將水平面分割為s×s個(gè)網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格上是s×s×h的盒子,令h=s/M。

③設(shè)三維空間曲面高度在第(x,y)網(wǎng)格中最小值落在第k個(gè)盒子里,最大值落在第l個(gè)盒子里:

nr(i,j)=l-k+1

(2)

式中:nr(i,j)為覆蓋第(i,j)網(wǎng)格中的盒子數(shù)。覆蓋整個(gè)曲面的總盒子數(shù)N(r)為:

(3)

④分形維數(shù)d為:

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦系數(shù)試驗(yàn)

不同加載次數(shù)下,3種試樣的摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果平均值如圖4所示。從圖4可見,未加載時(shí),OGFC-10的摩擦系數(shù)大于OGFC-7,2種OGFC-7的摩擦系數(shù)差異較小。隨著加載次數(shù)的增加,雖然3組試件樣本的摩擦系數(shù)均在減小,但OGFC-7B的摩擦系數(shù)明顯高于其他2組試件樣本,而OGFC-10與OGFC-7A的摩擦系數(shù)則差異較小。這說明OGFC-10的初始抗滑性能優(yōu)于OGFC-7,但OGFC-7的抗滑性能衰減程度更小、耐久性更好,且通過添加合適的高黏劑,如高黏直投劑B,可提升OGFC-7的抗滑性能及其耐久性。

2.2 構(gòu)造深度試驗(yàn)

不同加載次數(shù)下,3組試樣的構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果平均值如圖5所示。從圖5可見,在不同加載次數(shù)下,OGFC-10的構(gòu)造深度始終大于OGFC-7的構(gòu)造深度,主因是OGFC-10整體粒徑更大,混合料間的開口孔隙更多且深度更深,整體嵌擠結(jié)構(gòu)的緊湊度小于OGFC-7,且OGFC-10的摩擦系數(shù)僅在初始階段大于OGFC-7。由此可見,OGFC-10中的部分構(gòu)造深度對(duì)其抗滑性能沒有直接貢獻(xiàn),這有可能是由于孔隙結(jié)構(gòu)過大,混合料表面部分較深的孔隙對(duì)擺錘的阻力不夠明顯,從而產(chǎn)生了構(gòu)造深度對(duì)摩擦系數(shù)無貢獻(xiàn)的情況。而在實(shí)際交通運(yùn)行時(shí),過深的孔隙與車輛輪胎間無法產(chǎn)生有效的摩擦行為時(shí),也有可能產(chǎn)生類似結(jié)果。因此,評(píng)價(jià)不同混合料間的抗滑性能時(shí),僅采用構(gòu)造深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)不具備完全統(tǒng)一性及代表性。

圖4 摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

圖5 構(gòu)造深度的試驗(yàn)結(jié)果

2.3 圖像分析法

采用Image J軟件對(duì)圖像處理后的二值圖計(jì)算得到的分形維數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。從表2可見,未加載時(shí),2種OGFC-7的分形維數(shù)差異較小,且均大于OGFC-10的分形維數(shù),主因是OGFC-7整體粒徑小于OGFC-10,形成了更復(fù)雜的表觀結(jié)構(gòu)、表面紋理更為粗糙。而隨著加載次數(shù)的增加,3組試樣的分形維數(shù)的大小順序基本呈:OGFC-7B >OGFC-7A >OGFC-10。由此可見,OGFC-7B的表觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的衰減情況小于OGFC-7A,即抗滑性能衰減程度小于OGFC-7A。當(dāng)2種混合料級(jí)配組合相同時(shí),分形維數(shù)越大,其抗滑性能越好。

表2 不同加載次數(shù)下試樣二值圖的分形維數(shù)分析計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

通過對(duì)比研究OGFC-10與2種OGFC-7車轍板在經(jīng)過不同加載次數(shù)后的構(gòu)造深度及摩擦系數(shù)變化情況,主要得出以下結(jié)論:

1) OGFC-7混合料的粒徑整體小于OGFC-10,更適宜于超薄罩面,且通過添加適宜的高黏劑可有效改善OGFC-7的抗滑性能及其抗滑耐久性。

2) OGFC-10構(gòu)造深度在明顯大于OGFC-7的情況下,二者摩擦系數(shù)并未有顯著差異,表明OGFC-10中部分構(gòu)造深度并未提供有效的抗滑性能,采用構(gòu)造深度單一指標(biāo)表征不同混合料的抗滑性能不具備統(tǒng)一性及代表性。

3) 分形維數(shù)可表征混合料表面的粗糙、復(fù)雜程度,當(dāng)混合料級(jí)配結(jié)構(gòu)接近時(shí),分形維數(shù)越大,其抗滑性能越好。