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計院有限公司, 重慶 400067; 2.四川秦巴高速公路有限責任公司, 四川 巴中 636000)

瀝青路面作為一種無縫連續路面,因具有平整度好、行車舒適性高、施工周期短、養護簡單、適合分期施工等優點而在國內外得到廣泛應用。但我國許多地區的瀝青路面在使用早期就出現了龜裂、剝落、車轍等病害,這些病害會使瀝青路面的抗滑性能下降,易導致車輛制動距離過長從而引發交通事故,特別是在雨雪天氣下,更易發生事故[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護的首要問題。目前,常規方法是加鋪具有抗滑性能的超薄罩面層恢復瀝青路面的表面抗滑功能[4-6]。

開級配超薄罩面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,不僅有非常優異的排水性能,還能改善路面的抗滑性能、恢復道路的表面功能,是一種用于高等級公路表面層的優質瀝青混凝土。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,但當鋪筑更薄的罩面層時,則需更細粒徑的瀝青混合料。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,并易導致瀝青發生離析和老化,影響工程使用。干法工藝使用簡單、操作性強,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。由于現行規范中 4.75 mm～9.5 mm 篩孔相差較大,故增加 7.2 mm 的篩孔,并借助逐級填充法設計粗集料級配,可確保粗集料級配的均勻性,使粗集料更好地形成嵌擠結構[7]。同時,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防性養護工程。

但目前國內外對OGFC-7的研究還較少,尤其對OGFC-7的抗滑性能及其衰減規律研究鮮有報道,無法驗證OGFC-7混合料在施工運營后,即經過一定次數的軸載作用后,其仍能保持足夠的抗滑性能。因此,為了驗證OGFC-7的抗滑性能衰減程度,本文采用加速加載試驗方法,對比了在經過不同軸載次數作用后OGFC-10與OGFC-7的抗滑性能變化情況,以驗證OGFC-7的抗滑性能耐久性。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料制備

為了研究OGFC-7的抗滑性能衰減情況,采用常用OGFC-10混合料作為對照組,對比2種混合料的抗滑性能衰減。根據前期準備試驗確定了OGFC-10、OGFC-7最佳油石比分別為5.1%、5.2%,其級配范圍如表1所示。

為更真實模擬OGFC-7超薄罩面在車輛荷載作用下的受力狀況,選擇成型復合車轍板試件進行加速加載試驗,如圖1所示。本試驗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,并通過碾壓制備復合車轍板。

表1 混合料礦料級配范圍

1.2 試驗方法

1) MMLS3加速加載試驗方法

MMLS3是一種小型加速加載試驗方法,其設備由南非的PAVE TESTING公司生產,如圖2所示。該設備體積小、加載速度快、可測試范圍大,可用于室內和現場試驗。與傳統路面車轍儀相比,MMLS3的加載方式更接近路面實際情況,測量數據更精確,其主要功能有:

(1) 可通過可控的試驗溫度和軸載對路面材料進行連續加載,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) 可調節試驗濕度,能夠模擬各種濕度條件下的路面狀態。

(3) 可調節加載速度,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,輪胎內部氣壓可調節。

(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試驗設備

2) 抗滑性能測試方法

采用直接與間接手段對OGFC-7超薄罩面的抗滑性能進行測試,根據MMLS3加速加載試驗加載次數的不同,測試節點加載次數為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下的抗滑性能。其原理是當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克服摩擦力所做的功,來測定路面的摩擦系數擺值。擺式儀操作簡單方便,既可用于室內試驗,也可用于現場試驗。擺式儀按照顯示方式的不同,可分為指針式擺式儀和數字式擺式儀,本文采用 BM-V 型電腦數字擺式儀。

(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造深度TD。但本文只測定試件加載后輪跡帶處構造深度的變化,因此傳統手工鋪砂法不適用于本試驗。為了更加準確地測定加載后的構造深度,本試驗將砂在輪跡帶處鋪成矩形,矩形寬度等于 MMLS3 輪胎寬度,構造深度的計算公式為:

(1)

式中:TD為被測試件加載后輪跡帶處的構造深度,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計算法。由于瀝青路面表面紋理變化不規則,傳統的抗滑參數會隨著測量區域的變化表現出不穩定性,因此,需選取一些合適穩定的參數表征瀝青路面復雜的紋理結構。分形理論作為一門用于定量描述幾何形體復雜程度及空間填充能力的新興邊緣學科,廣泛應用于研究自然界中不穩定的、不規則的現象。計算瀝青路面灰度圖像的分形維數,就可表征車轍板表面紋理結構隨加載次數增加的變化情況[10-12]。工作步驟:

①采用CCD圖像傳感器對車轍板表面進行拍攝,拍攝時調節CCD相機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等濾波功能對圖像進行降噪處理,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個波峰。Image J軟件可根據圖像灰度值波峰中間的波谷位置自動選擇一個閾值K,將大于K的灰度值均設為255,小于K的灰度值設為0,形成二值圖[13],如此即可根據二值圖自動計算圖像的分形維數。

(a) 噪點

(b) 二值

(3) 分形維數計算

采用差分盒維數法計算分形維數[14-15],其具體計算原理為:

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為切割的網格邊長,為整數)的網格(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個網格,每個網格上是s×s×h的盒子,令h=s/M。

③設三維空間曲面高度在第(x,y)網格中最小值落在第k個盒子里,最大值落在第l個盒子里:

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

(2)

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

(3)

④分形維數d為:

(4)

2 試驗結果與分析

2.1 摩擦系數試驗

不同加載次數下,3種試樣的摩擦系數試驗結果平均值如圖4所示。從圖4可見,未加載時,OGFC-10的摩擦系數大于OGFC-7,2種OGFC-7的摩擦系數差異較小。隨著加載次數的增加,雖然3組試件樣本的摩擦系數均在減小,但OGFC-7B的摩擦系數明顯高于其他2組試件樣本,而OGFC-10與OGFC-7A的摩擦系數則差異較小。這說明OGFC-10的初始抗滑性能優于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 構造深度試驗

不同加載次數下,3組試樣的構造深度試驗結果平均值如圖5所示。從圖5可見,在不同加載次數下,OGFC-10的構造深度始終大于OGFC-7的構造深度,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,整體嵌擠結構的緊湊度小于OGFC-7,且OGFC-10的摩擦系數僅在初始階段大于OGFC-7。由此可見,OGFC-10中的部分構造深度對其抗滑性能沒有直接貢獻,這有可能是由于孔隙結構過大,混合料表面部分較深的孔隙對擺錘的阻力不夠明顯,從而產生了構造深度對摩擦系數無貢獻的情況。而在實際交通運行時,過深的孔隙與車輛輪胎間無法產生有效的摩擦行為時,也有可能產生類似結果。因此,評價不同混合料間的抗滑性能時,僅采用構造深度作為評價指標不具備完全統一性及代表性。

圖4 摩擦系數試驗結果

圖5 構造深度的試驗結果

2.3 圖像分析法

采用Image J軟件對圖像處理后的二值圖計算得到的分形維數數據結果如表2所示。從表2可見,未加載時,2種OGFC-7的分形維數差異較小,且均大于OGFC-10的分形維數,主因是OGFC-7整體粒徑小于OGFC-10,形成了更復雜的表觀結構、表面紋理更為粗糙。而隨著加載次數的增加,3組試樣的分形維數的大小順序基本呈:OGFC-7B >OGFC-7A >OGFC-10。由此可見,OGFC-7B的表觀結構復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2種混合料級配組合相同時,分形維數越大,其抗滑性能越好。

表2 不同加載次數下試樣二值圖的分形維數分析計算結果

3 結論

通過對比研究OGFC-10與2種OGFC-7車轍板在經過不同加載次數后的構造深度及摩擦系數變化情況,主要得出以下結論:

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構造深度在明顯大于OGFC-7的情況下,二者摩擦系數并未有顯著差異,表明OGFC-10中部分構造深度并未提供有效的抗滑性能,采用構造深度單一指標表征不同混合料的抗滑性能不具備統一性及代表性。

3) 分形維數可表征混合料表面的粗糙、復雜程度,當混合料級配結構接近時,分形維數越大,其抗滑性能越好。