瀝青路面薄層環氧鋪裝材料抗滑性能衰變規律

譚祺琦，朱洪洲*，2，代 思，馬 濤，葛 琦

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程研究中心，重慶 400074；3.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096；4.淮安市城市開發建設有限公司，江蘇 淮安 223000)

0 引言

近年來，因瀝青路面抗滑性能衰減而引起一系列交通事故的比例呈上升趨勢。瀝青路面在受到車輛荷載反復作用時，其表面構造深度和抗滑系數會逐漸降低，加之雨水浸潤，致使汽車剎車時的制動距離增加，易造成汽車輪胎打滑、車輛追尾等交通安全事故[1]。

針對此問題，國內外相關研究人員陸續開發了不同類型的抗滑磨耗層，這對路面抗滑性能有較好的改善效果。在20世紀末由法國開發的Novachip超薄磨耗層和由我國沙慶林院士開發的SAC-10型瀝青混合料超薄層等不僅擁有良好的抗滑性能，還具有不錯的排水和降噪能力[2-3]。目前，采用環氧樹脂搭配骨料組成抗滑薄層的方式已日趨成熟，而該環氧樹脂類薄層結構就是以環氧樹脂膠A，B組分作為黏結劑，單一粒徑的骨料作為表層抗滑材料，通過環氧樹脂黏結劑將抗滑骨料與舊路面表層黏結為一體的一種抗滑磨耗層。關于樹脂類材料在道路工程領域的應用最早來源于Horn的研究報告，報告中明確提到環氧樹脂類混凝土的綜合性能要明顯強于甲基丙稀酸樹脂類混凝土[4]。Wang等[5]針對環氧樹脂類抗滑磨耗層進行了相關室內試驗，研究結果表明：該樹脂類抗滑磨耗層的抗壓強度約為40 MPa，彎曲強度約為13 MPa。Torbrueffe等[6]和Beyene等[7]的研究結果證明了骨料自身的物理力學性能是影響薄層抗滑耐久性能的重要因素。方星[8]深入研究了鋪裝在路橋表面的環氧樹脂類抗滑薄層的疲勞特性，并預估了其疲勞壽命。王兆侖等[9]研發了一種耐磨性能好、抗剪切能力強的高黏度抗滑封裝磨耗層，當該磨耗層與瀝青面層協同作用時能顯著增強瀝青路面的長效抗滑機制。李晶晶等[10]研究了耐磨顆粒用量、環氧樹脂類材料用量及施工工藝等因素對瀝青路面薄層環氧鋪裝材料抗滑衰變規律的影響，建立了關于抗滑指標TD和BPN的抗滑衰變模型，并通過實際工程案例對所建模型進行了驗證。王火明等[11]研發的超薄磨耗層材料Puas能顯著增加抗滑指標值。韓亞芳等[12-13]分析了抗滑薄層與舊路面間的黏結強度、抗滑指標等隨通車時間增加的衰變狀況。謝群等[14]采用加速加載試驗結合力學試驗的方法，分析了抗滑指標值、集料磨耗質量損失率隨磨耗時間增加的變化規律及不同集料類型與瀝青層基面對其力學及路用性能的影響。譚樂等[15]選用4種骨料研究了其磨耗值和磨光值的衰減規律。在現有關于抗滑薄層的研究中，雖在路面抗滑方面表現出較好的性能，但耐久性不足問題依然十分嚴重，易出現諸如脫皮、掉粒等不良現象，而目前對該問題的研究較少。為此，本研究基于加速加載試驗研究了不同粒徑耐磨顆粒、不同巖性抗滑骨料及不同施工工藝對環氧樹脂類薄層抗滑耐久性能的影響，以期為基于耐久性進行抗滑薄層材料的選擇及薄層結構的設計提供參考。

1 試驗原材料與方案設計

1.1 試驗原材料

1.1.1 抗滑骨料

抗滑骨料選擇粒徑在1～4 mm范圍內的玄武巖、輝綠巖、陶瓷顆粒及金剛砂。輝綠巖由廣東某公司提供，其余骨料由重慶某公司提供。首先對這4種抗滑骨料進行包括密度、吸水率、棱角性等在內的6項基本物理力學性能進行測試。按照相應試驗規程進行技術指標測試，結果見表1。

表1 四種骨料的性能指標Tab.1 Performance indicators of 4 aggregates

從表1可以看到，4種抗滑骨料的棱角性流動時間均未超過30 s，但該試驗所選用的抗滑骨料粒徑大部分處于3～4 mm范圍內，而相關試驗規范要求中則是對粒徑在0.075～4.75 mm范圍內的粗細集料進行整體流動試驗，因此，該技術要求僅做參考，其余指標均處于規范要求的范圍內。

1.1.2 環氧樹脂黏結劑

該試驗采用環氧樹脂膠A，B組分來作為黏結材料，A組分為環氧樹脂，B組分為環氧樹脂固化劑。各組分的主要技術指標要求見表2。

表2 A和B組分的主要技術要求Tab.2 Main technical requirements for components A and B

1.2 試驗設備與方案

1.2.1 試驗設備

試驗選用重慶某小型加速加載設備。輪胎直徑為250 mm，寬度為80 mm，接地壓強約為0.2 MPa。試驗前設定其加載頻率為12 480次/h，共進行10 h的加速加載試驗。

1.2.2 試驗方案

(1)不同粒徑的骨料對薄層抗滑性能的影響

選擇1～2，2～3，3～4 mm粒徑的陶瓷顆粒作為抗滑骨料，并采用單層鋪灑工藝成型環氧樹脂類抗滑薄層試件，薄層試件的制作首先采用輪碾法成型30 cm×30 cm×5 cm的瀝青混合料車轍板，隨后將環氧樹脂膠A，B組分與70～140目的石英砂進行混合攪拌后用作膠黏劑，均勻灑布在車轍板表面1～2 mm處，最后將抗滑骨料均勻鋪灑在膠黏劑表面直至完全鋪滿，待膠黏劑固化后將未黏結牢固的抗滑骨料清理掉以形成環氧樹脂類抗滑薄層試件。經大約10 h 加速磨耗試驗后，利用擺式儀和手工鋪砂法來測量薄層試件的摩擦系數Fr及構造深度MTD，并分析其衰變狀況。

(2)不同巖性的骨料對薄層抗滑性能的影響

以粒徑在3～4 mm范圍內的玄武巖、輝綠巖、陶瓷顆粒及金剛砂作為抗滑骨料，同樣采用單層鋪灑工藝成型環氧樹脂類薄層試件，經10 h磨耗試驗后，分析Fr及MTD的衰變狀況。

(3)不同施工工藝對薄層抗滑性能的影響

采用粒徑在3～4 mm范圍內的金剛砂作為抗滑骨料，并分別利用單層鋪灑工藝、雙層鋪灑工藝及單層砂漿涂抹工藝來制作成型環氧樹脂類抗滑薄層試件，經10 h磨耗試驗后，分析Fr及MTD的衰變狀況。

2 試驗結果及分析

2.1 不同粒徑耐磨顆粒薄層抗滑性能的衰變規律

經過10 h約12.5萬次磨耗試驗后，得到Fr及MTD值隨加載次數增加的衰變規律，并采用Shbeeb，Khasawneh等[16-17]提出的數學模型對試驗所獲取的Fr及MTD值數據進行曲線擬合與回歸分析：

(1)

(2)

式中，Fr為摩擦系數；MTD為構造深度；N為荷載作用次數；a，b，c為回歸系數。

從圖1及表3中可以得到：

圖1 耐磨顆粒粒徑不同時的回歸擬合曲線Fig.1 Regression fitting curves with different sized wear-resistant particles

表3 骨料粒徑不同時Fr及MTD的回歸參數Tab. 3 Regression parameters of Fr and MTD with different aggregate particle sizes

抗滑指標Fr及MTD值隨加載次數的增加而逐漸減小，且這2項指標均表現出初期階段衰變幅度較大而后趨于平緩的現象。

摩擦系數與構造深度的初、終值大小順序一致，依次為3～4 mm>2～3 mm>1～2 mm?？梢?，不同粒徑耐磨顆粒的薄層環氧鋪裝材料其抗滑性能差異顯著，在滿足路面行車基本要求的合理粒徑范圍內，耐磨顆粒粒徑越大，Fr及MTD的初、終值也越大，且在表面相同條件下進行的加速磨光作用過程中，耐磨顆粒粒徑越大的抗滑薄層，其抗滑性能表現越優良。

在加速加載作用條件下，該環氧樹脂類薄層試件的抗滑衰變曲線大致分為快速衰變、緩慢衰變及衰變穩定3個不同階段。在加速加載初期，Fr值的衰減幅度較大，這主要是因為薄層環氧鋪裝材料在磨耗試驗中部分耐磨顆粒黏結不牢而出現的掉?，F象所導致，待這類骨料剝落完畢后即進入衰變緩慢階段，在此階段主要以抗滑骨料的表面磨光及磨損為主，磨光作用直接表現為Fr值的降低，而磨損作用則表現為MTD值的減小，當骨料的磨光磨損作用達到一定程度時即進入衰變穩定狀態。

采用該數學分析模型對薄層抗滑指標Fr及MTD值的擬合效果較好，且調整R2均超過0.920。

2.2 不同巖性骨料薄層抗滑性能的衰變規律

4種不同巖性骨料的環氧樹脂類薄層，其Fr及MTD值隨加載次數增加的變化規律及擬合曲線如圖2所示。

圖2 骨料巖性不同時Fr 和MTD的衰減規律及回歸擬合曲線Fig.2 Attenuation rules and regression fitting curves of Fr and MTD with different aggregate lithology

從圖2及表4中可以得到：

表4 骨料巖性不同時Fr及MTD的相關回歸參數Tab. 4 Regression parameters of Fr and MTD with different aggregate lithology

4種不同巖性骨料的薄層其抗滑性能衰變規律大體相似，Fr及MTD值同樣呈現加載初期衰減幅度較大然后趨于平緩的現象。

從Fr值的衰變過程中可以看出，采用陶瓷顆粒作為抗滑骨料的薄層環氧鋪裝材料其終值最小。而對于MTD值的表現則剛好相反。這說明采用陶瓷顆粒的抗滑薄層在加載過程中表面耐磨顆粒被車輪壓碎破損的程度較低，依然能夠保證薄層擁有較高的構造深度，但由于其表層被磨光的程度較高而導致Fr值偏低，這與表1中陶瓷顆粒的磨光值結果高度一致。

4種不同巖性骨料的環氧樹脂類薄層其Fr及MTD值在第5 h后逐漸趨于穩定狀態，Fr值始終在0.6以上，MTD值在1 mm以上。原因主要是所選用的4種骨料本身硬度大，耐磨性能好。在磨耗試驗中發現金剛砂出現的掉?，F象較其他3種骨料嚴重，可見金剛砂與黏結劑的黏結性能較差。若以Fr值作為該薄層抗滑性能的評價指標，則顯然是用玄武巖作為耐磨顆粒的薄層其抗滑性能更好，而陶瓷顆粒的抗滑性能較差。

采用該數學分析模型對薄層抗滑指標Fr及MTD值的擬合效果較好，且調整R2均超過0.930。

2.3 不同施工工藝下薄層抗滑性能的衰變規律

分別采用不同的施工工藝制作成型環氧樹脂類薄層車轍板，其中在單層鋪灑工藝下制作成型的薄層由1層環氧樹脂黏結劑+1層3～4 mm單一粒徑的金剛砂抗滑骨料組成；雙層鋪灑工藝下制作成型的薄層由1層環氧樹脂黏結劑+1層3～4 mm單一粒徑的金剛砂抗滑骨料+1層環氧樹脂黏結劑+1層3～4 mm 單一粒徑的金剛砂抗滑骨料組成；單層砂漿涂抹工藝下制作成型的薄層由1層環氧樹脂黏結劑+1層3～4 mm單一粒徑的金剛砂抗滑骨料與環氧樹脂黏結劑的混合砂漿組成。

分別對制作成型的不同抗滑薄層試件進行加速加載試驗，抗滑指標Fr及MTD值隨加載次數增加的變化規律及擬合曲線如圖3所示。

圖3 施工工藝不同時Fr 和MTD的衰減規律及回歸擬合曲線Fig.3 Attenuation rules and regression fitting curves of Fr and MTD with different construction techniques

從圖3及表5中可以得到：

表5 施工工藝不同時Fr和MTDF的回歸參數Tab.5 Regression parameters of Fr and MTD when construction technique is different

在3種施工工藝下制作成型的環氧樹脂類薄層試件所呈現出的抗滑衰變規律大體相似，同樣表現為在加載初期階段其Fr及MTD值的衰變幅度較大而后趨于平緩的現象。

從Fr及MTD值在抗滑性能衰減初期階段的表現來看，大小順序均表現為雙層鋪灑工藝>單層鋪灑工藝>單層砂漿涂抹工藝?？梢?，采用雙層鋪灑工藝成型的環氧樹脂類薄層在初期使用階段的抗滑性能最佳。

利用單層砂漿涂抹法制作成型的環氧樹脂類薄層其MTD值的初值較低而終值較高，Fr的初、終值均較低，說明抗滑指標的衰變幅度較小。這主要是由于采用單層砂漿涂抹工藝制作成型的環氧樹脂類薄層中的骨料與黏結劑的黏結效果較好，表面顆粒脫落現象較少，但因抗滑骨料與黏結劑混合攪拌后，導致Fr值下降。

采用該數學分析模型對薄層抗滑指標Fr及MTD值的擬合效果較好，且調整R2均超過0.930。

2.4 不同因素對薄層抗滑耐久性能的影響

以不同粒徑骨料的環氧樹脂類薄層的抗滑指標Fr及MTD值為例，利用Khasawneh[18-19]所提出的對數模型進行擬合與回歸分析如圖4所示：

圖4 耐磨顆粒粒徑不同時構造深度Fr和MTD的衰變情況及回歸擬合曲線Fig.4 Attenuation rules and regression fitting curves of Fr and MTD with different wear-resistant particle sizes

Fr=a·lnN+b，

(3)

MTD=a·lnN+b，

(4)

式中，N為荷載作用次數；a，b為回歸系數。

由表3、表6可知，表3中的調整R2明顯更高，因此，相較于式(3)～(4)，式(1)～(2)的分析模型對Fr及MTD值的擬合效果更好。將式(3)～(4)對荷載作用次數N進行求導：

表6 骨料粒徑不同時Fr和MTD的回歸參數Tab. 6 Regression parameters of Fr and MTD with different wear-resistant particle sizes

(5)

(6)

由式(5)～(6)可知，當荷載作用次數N相同時，|a|越大，則所擬合的趨勢線在固定荷載作用次數處切線的斜率越大，即表明Fr及MTD的衰變幅度越大，故|a|可用來作為評價該環氧樹脂類薄層抗滑耐久性能的直接參考指標。

為得到上述3種不同因素對該薄層抗滑耐久性的影響程度，可用該方程中的回歸系數|a|的變化幅度來評判3種因素的影響程度見表7。

表7 各個因素中|a|Fr和|a|MTD的變化幅度Tab.7 Variation amplitudes of |a|Fr and |a|MTD in each factor

從表7可知，不管是針對摩擦系數的回歸參數|a|還是針對構造深度的回歸參數|a|，不同巖性骨料之間最大與最小|a|的差值更大，即表明骨料巖性對環氧樹脂類薄層抗滑耐久性能的影響程度更大，其次是施工工藝和粒徑的影響。故在實際工程中，應對此引起重視，從而選擇最佳的骨料類型。

2.5 穩態方程

為了確定穩態Fr及MTD，當式(1)～(2)中的荷載作用次數N趨于無窮大時，對方程進行漸近展開，并忽略高階項，因為它們對回歸沒有任何明顯的改善，結果如下：

(7)

(8)

高階項(所需的精度)的Δ如下：

(9)

為求解達到穩態時的荷載作用次數，忽略O(1/N)2：

(10)

由式(10)可知，當Δ趨于0時，NSteady_State如預期一樣趨于無窮大。

為了顯示測量過程中不同加載次數處的穩態Fr，以1～2 mm粒徑的陶瓷顆粒作為耐磨骨料成型的薄層其Fr值的衰變情況為例，從加載次數為4.992萬次開始標記，每2 h標記1次，見圖5，表8為Fr在不同荷載作用次數處的參數估計值，表9為精度為0.001時在不同加載次數時的穩態Fr值。

圖5 1～2 mm粒徑耐磨顆粒薄層的Fr在不同荷載作用次數下的實測值與預測值Fig.5 Measured values and predicted values of Fr of thin layer of wear-resistant particles with sizes of 1-2 mm at different loading times

表8 1～2 mm粒徑耐磨顆粒薄層的Fr在不同荷載作用次數下的參數值Tab. 8 Parameters of Fr of thin layer of wear-resistant particles with sizes of 1-2 mm at different loading times

表9 1～2 mm粒徑耐磨顆粒薄層在不同加載次數處下的穩態Fr值Tab.9 Steady-state Fr values of thin layer of wear-resistant particles with particle sizes of 1-2 mm at different loading times

由表9可知，在加載次數為7.488萬次時，Fr值已趨于穩定狀態，此時的穩態Fr值為0.612，因此建議試驗可在此時停止，從而可節省40%左右的試驗時間。如果有更多的測試點，可在試驗期間增加數據測量的頻率，使加載次數進一步減少。

2.6 抗滑衰變通用模型

(11)

(12)

式中N為荷載作用次數。

將在以上3種不同因素影響下抗滑薄層的Fr及MTD值進行匯總，采用該模型進行擬合，并得到可靠度為95%時的置信區間如圖6所示。

圖6 不同影響因素下Fr 和MTD匯總值的回歸擬合曲線及95%置信區間范圍Fig.6 Regression fitting curves and 95% confidence interval ranges of Fr and MTD summary values with different influencing factors

(13)

(14)

3 結論

(1)在不同的影響因素作用下，該環氧樹脂類薄層的抗滑性能衰變規律大體相似，即在初期階段抗滑指標Fr及MTD值的衰減幅度較大，然后隨著加載次數的增加而趨于平緩。

(2)不同粒徑抗滑骨料的環氧樹脂類薄層，骨料粒徑越大其抗滑性能越好。不同巖性抗滑骨料的環氧樹脂類薄層其抗滑性能的差異性較大。采用陶瓷顆粒作為抗滑骨料的薄層其MTD值的衰變幅度雖不大，但表面被磨光的程度較高。而采用金剛砂作為抗滑骨料的薄層其抗滑指標初值雖較大，但其衰減幅度也較大。綜合來看，采用玄武巖或輝綠巖作為耐磨顆粒的薄層其抗滑性能的表現更加優異。

(3)采用單層砂漿涂抹工藝制作成型的抗滑薄層試件其抗滑性能衰減幅度雖不大，但由于抗滑骨料與黏結劑混合攪拌后導致顆粒表面的抗滑性能下降。此外，相較于單層鋪灑工藝，采用雙層鋪灑工藝制作成型的環氧樹脂類薄層其抗滑性能更加優異。

(4)通過對比分析回歸系數|a|的變化幅度，可以得到不同骨料巖性對該環氧樹脂類薄層抗滑耐久性能的影響程度最大，其次是不同施工工藝，而粒徑大小的影響程度最小。

(5)對方程進行漸進展開后得到基于Fr，MTD和N的穩態方程，利用該穩態方程來預測何時能達到穩定狀態，結果表明能夠節省40%左右的測試時間，顯著提升了試驗效率。

(6)與對數模型相比，式(1)～(2)對抗滑指標的擬合效果更好，調整后的R2均超過0.920，對Fr及MTD值進行總體回歸后得到可靠度為95%時的置信區間上下限范圍，并提出了該環氧樹脂類薄層的抗滑衰變通用模型。