環(huán)氧瀝青混凝土多氣象條件抗滑性能試驗研究

  長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對瀝青路面的抗滑性能進行了大量的研究。羅桑等對環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝的表面特性進行了試驗評價，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝密水性好，抗滑性能滿足設(shè)計要求，但在雨天車輛行駛速度高時，易出現(xiàn)車輛打滑現(xiàn)象。張肖寧分析了現(xiàn)有鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土設(shè)計理論和方法的不足，采用改進的粗集料孔隙填充法(CAVF)來提高環(huán)氧瀝青混凝土的抗滑性能。曹平研究了各種污染物對常見瀝青路面抗滑性能的影響，試驗表明，路面污染物的存在會嚴(yán)重影響瀝青路面抗滑性能，且污染物分布越集中，影響的程度越大。Do等采用高分辨率光學(xué)系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，在沖刷后路面污染物仍會有部分殘留在路面上，對路面抗滑性能產(chǎn)生影響。綜上所述，目前涉及環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝表面抗滑性能的研究相對較少，且主要側(cè)重于室內(nèi)試驗?zāi)M正常氣候下路面的抗滑性能。而對于多種氣候作用下環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能問題更是鮮有研究。

  因此，本文通過分析我國常見氣候，結(jié)合不利氣候條件對行車安全及路表宏觀構(gòu)造的影響程度，選取沙塵氣候、雨水氣候和冰凍氣候，試驗研究３種氣候作用下環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能的變化規(guī)律，可為鋼橋環(huán)氧瀝青混凝土路面安全行車警示提供理論依據(jù)。

  試驗材料與測試方法

  試驗用環(huán)氧瀝青混合料

  選取最大公稱粒徑為13.2mm的玄武巖為集料，其主要技術(shù)指標(biāo)參考環(huán)氧瀝青混合料的研究成果。采用馬歇爾試驗確定環(huán)氧瀝青混合料最佳油石比為6.5%。試驗采用輪碾法成型大小為300mm×300mm×50mm的EA-10車轍板試件，在車轍板上標(biāo)記大小為126mm×75mm的矩形區(qū)域作為摩擦接觸區(qū)。

  表面抗滑性能測試方法

  環(huán)氧瀝青混合料EA-10采用懸浮密實結(jié)構(gòu)，構(gòu)造深度普遍較小，試驗數(shù)據(jù)區(qū)分度不大。本研究采用BM-III型擺式摩擦系數(shù)儀進行車轍板試件表面擺值(BPN)的測量，以此來表征試件抗滑性能的大小。使用擺式摩擦儀進行BPN測量時需要對路面進行灑水處理，并換算成20℃時的BPN值。本研究由于需要研究不同氣候作用下干、濕兩種路面狀況的抗滑性能，所以并未對路面進行灑水處理，且所測得的BPN也未進行相應(yīng)地換算。本文所測的BPN值具有特定含義，用BPN表示，主要用于抗滑能力的比較。

  沙塵氣候作用對環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能的影響

  結(jié)合現(xiàn)有的沙塵氣候分級情況，按照能見度大小將沙塵氣候劃分為3個級別：浮塵、揚塵和沙塵暴。進行路面沙塵氣候模擬時，浮塵氣候選用泥粉(6號集料，粒徑小于0.075mm)，揚塵氣候選用泥粉及細砂(5號集料，粒徑約為0.6~0.3mm)的混合物，沙塵暴氣候選用泥粉、細砂及粗砂(4號集料，粒徑為2.36mm~1.18mm)，使用前對集料進行烘干處理。

  為分析沙塵物質(zhì)分布情況對環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能的影響，將沙塵物質(zhì)在摩擦接觸區(qū)的分布情況劃為3檔：清潔路面、局部覆蓋、全覆蓋。

  采用擺式摩擦儀對干燥狀態(tài)下的摩擦接觸區(qū)進行試驗測量，步驟如下。

  (1)測量清潔車轍板試件摩擦接觸區(qū)的BPN＊，測量5次(5次數(shù)值差應(yīng)不大于3，否則重新測量)。

  (2)在車轍板試件的摩擦接觸區(qū)內(nèi)添加對應(yīng)沙塵物質(zhì)至局部覆蓋，測量其BPN＊，直到3次BPN＊沒有明顯變化為止。測量完用毛刷清除接觸區(qū)內(nèi)的沙塵物質(zhì)。

  (3)在車轍板試件的摩擦接觸區(qū)內(nèi)添加對應(yīng)沙塵物質(zhì)至全覆蓋，測量其BPN＊，直到3次BPN＊沒有明顯變化為止。測量完換用高壓水清除接觸區(qū)內(nèi)的沙塵物質(zhì)。

  濕潤狀態(tài)下的摩擦接觸區(qū)試驗測量步驟與上述步驟相似，只需在添加對應(yīng)沙塵物質(zhì)后進行灑水，對沙塵物質(zhì)充分潤濕，并在每個步驟完成后換用高壓水把試樣沖洗干凈即可。進行多次平行試驗取平均值，進而得到沙塵氣候下路表面抗滑性能的變化規(guī)律。首先測量干燥清潔狀態(tài)下的車轍板試樣的BPN＊，將其作為對照組。

  可知，沙塵氣候?qū)Νh(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能具有較明顯的影響，路面沙塵物質(zhì)覆蓋率越高，抗滑性能下降越明顯。在干燥狀態(tài)下，路表面抗滑性能下降幅度達23%~44%，在濕潤狀態(tài)下，路表面抗滑性能下降幅度達16%~34%。另外，相比于濕潤狀態(tài)，干燥路表面抗滑性能隨著沙塵等級提高而下降更加明顯。究其原因，附著在表面的沙塵物質(zhì)介入到了車胎橡膠與路面之間，阻礙了橡膠與路表面的直接接觸，使得橡膠部分或全部與路表面脫離，實際上發(fā)生與沙塵物質(zhì)的滑動或滾動摩擦。在濕潤路面狀態(tài)下，環(huán)氧瀝青混凝土表面的抗滑性能的衰減起始于濕摩擦作用，表面抗滑值的下降量要比起始于干摩擦作用的下降量小。

  雨水氣候作用對環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能的影響

  為研究雨水氣候作用對環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能的影響，根據(jù)雨水氣候?qū)τ诼访娓蓾駹顟B(tài)的影響程度，將雨水氣候分為2種情況：小雨量(路面潮濕，但無積水存在)；大雨量(路面存有積水)。

  在進行室內(nèi)試驗?zāi)M時，首先測量正常狀態(tài)下即干燥(無雨)狀態(tài)下車轍板試件的BPN＊，將其作為對照組。然后將達到飽水狀態(tài)的車轍板試件擦拭至表干狀態(tài)，以此模擬小雨量情況；在進行大雨量模擬時，在表干的車轍板試件上灑水至全覆蓋摩擦接觸區(qū)后測量BPN＊。

  可知，雨水氣候作用對于環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能具有較明顯的影響。與干燥狀態(tài)相比，小雨量時的表面抗滑值平均下降約20%，大雨量時的表面抗滑值平均下降約27%。究其原因，表面被雨水浸潤后，車胎橡膠與路表面的直接接觸被破壞，小雨量時根據(jù)彈性流體動力潤滑機理，薄水層的存在將導(dǎo)致車胎橡膠相對于路表面滑動，產(chǎn)生黏性滑水，引起B(yǎng)PN＊的減?。欢笥炅繒r根據(jù)雷諾方程，路表面積水會對橡膠產(chǎn)生上抬作用，形成動力滑水，使BPN＊進一步下降。

  冰凍氣候作用對環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能的影響

  為了研究冰凍氣候作用對于環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性的影響，參考馬歇爾凍融劈裂試驗操作規(guī)程，進行冰凍氣候的室內(nèi)試驗?zāi)M。首先測量干燥(無雨)狀態(tài)下的車轍板試樣的BPN＊作為對照組，再將車轍板試樣飽水后加入少量的水置于塑料袋內(nèi)，扎緊袋口，放入溫度為-18℃的恒溫冰箱中，保溫16h；最后，取出試樣測量BPN＊，至完全解凍為止。

  可知，冰凍氣候?qū)τ诒砻婵够阅艿挠绊懢哂休^明顯的3個階段性，分別為：(1)冰晶階段(測試次數(shù)點1)，低溫凝結(jié)而成的冰晶體覆蓋摩擦接觸區(qū)，呈針片狀，分布不均勻；(2)冰膜階段(測試次數(shù)點4~點21)，在橡膠摩擦作用下冰晶體融化成水后由于低溫又凍結(jié)形成薄冰層附于表面，冰膜厚由于試件表面宏觀構(gòu)造差異而不均勻；(3)積水階段(測試次數(shù)點35~點41)，隨著車胎橡膠的摩擦作用及試件溫度回升，冰膜全部融化成水覆蓋在摩擦接觸區(qū)。其他測試點的抗滑值為相鄰兩階段之間抗滑值的過渡區(qū)段。

  可知，相較于干燥狀態(tài)，冰晶階段表面抗滑值下降40%，冰膜階段表面抗滑值下降70%，積水階段表面抗滑值下降30%。在冰晶階段，冰晶體并未完全覆蓋路表構(gòu)造，路表面的抗滑功能未完全喪失，并且針片狀的冰晶體所形成的表面凸起可以起到一定的抗滑作用；在冰膜階段，路表面構(gòu)造完全被薄冰層所覆蓋，車胎橡膠實際上是與薄冰層相接觸，路表抗滑功能完全喪失，抗滑值最??；在積水狀態(tài)，表面抗滑性能與雨水氣候作用時的下降機理相同，而與冰相比，水對路面抗滑性能的影響明顯較小，即積水階段抗滑值的下降程度小于冰晶階段和冰膜階段。

  結(jié)語

  本文通過室內(nèi)試驗?zāi)M研究了沙塵、雨水和冰凍3種氣候作用下環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能的變化規(guī)律，研究結(jié)論如下。

  (1)沙塵氣候作用對環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能具有較明顯的影響，路面沙塵物質(zhì)覆蓋率越高，抗滑性能下降越明顯。在干燥狀態(tài)下，路表面抗滑性能下降幅度達23%~44%，在濕潤狀態(tài)下，路表面抗滑性能下降幅度達16%~34%。且相比于濕潤狀態(tài)，干燥路表面的抗滑性能隨著沙塵等級提高而下降更加明顯。

  (2)與干燥狀態(tài)相比，小雨量時的表面抗滑值平均下降約20%；大雨量時的表面抗滑值平均下降約27%。

  (3)冰凍氣候作用對環(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能的影響存在明顯的冰晶、冰膜、積水3個階段。相比于干燥狀態(tài)，表面抗滑值在３個階段下降幅度分別為40%、70%和30%。

  (4)冰凍氣候?qū)Νh(huán)氧瀝青混凝土表面抗滑性能影響最大，行車安全性能最差；沙塵氣候次之；雨水氣候相對最小。

  不同氣候作用下環(huán)氧瀝青混凝土表面微觀結(jié)構(gòu)的變化、行車速度和抗滑性能關(guān)系等尚待進一步研究。