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环氧沥青混凝土多气象条件抗滑性能试验研究

作者:szbadmin888    发布时间:2017-04-12    点击:

长期以来,国内外学者对沥青路面的抗滑性能进行了大量的研究。罗桑等对环氧沥青混凝土铺装的表面特性进行了试验评价,研究发现环氧沥青混凝土铺装密水性好,抗滑性能满足设计要求,但在雨天车辆行驶速度高时,易出现车辆打滑现象。张肖宁分析了现有钢桥面铺装环氧沥青混凝土设计理论和方法的不足,采用改进的粗集料孔隙填充法(CAVF)来提高环氧沥青混凝土的抗滑性能。曹平研究了各种污染物对常见沥青路面抗滑性能的影响,试验表明,路面污染物的存在会严重影响沥青路面抗滑性能,且污染物分布越集中,影响的程度越大。Do等采用高分辨率光学系统分析发现,在冲刷后路面污染物仍会有部分残留在路面上,对路面抗滑性能产生影响。综上所述,目前涉及环氧沥青混凝土铺装表面抗滑性能的研究相对较少,且主要侧重于室内试验模拟正常气候下路面的抗滑性能。而对于多种气候作用下环氧沥青混凝土表面抗滑性能问题更是鲜有研究。

  因此,本文通过分析我国常见气候,结合不利气候条件对行车安全及路表宏观构造的影响程度,选取沙尘气候、雨水气候和冰冻气候,试验研究3种气候作用下环氧沥青混凝土表面抗滑性能的变化规律,可为钢桥环氧沥青混凝土路面安全行车警示提供理论依据。

  试验材料与测试方法

  试验用环氧沥青混合料

  选取最大公称粒径为13.2mm的玄武岩为集料,其主要技术指标参考环氧沥青混合料的研究成果。采用马歇尔试验确定环氧沥青混合料最佳油石比为6.5%。试验采用轮碾法成型大小为300mm×300mm×50mm的EA-10车辙板试件,在车辙板上标记大小为126mm×75mm的矩形区域作为摩擦接触区。

  表面抗滑性能测试方法

  环氧沥青混合料EA-10采用悬浮密实结构,构造深度普遍较小,试验数据区分度不大。本研究采用BM-III型摆式摩擦系数仪进行车辙板试件表面摆值(BPN)的测量,以此来表征试件抗滑性能的大小。使用摆式摩擦仪进行BPN测量时需要对路面进行洒水处理,并换算成20℃时的BPN值。本研究由于需要研究不同气候作用下干、湿两种路面状况的抗滑性能,所以并未对路面进行洒水处理,且所测得的BPN也未进行相应地换算。本文所测的BPN值具有特定含义,用BPN表示,主要用于抗滑能力的比较。

  沙尘气候作用对环氧沥青混凝土表面抗滑性能的影响

  结合现有的沙尘气候分级情况,按照能见度大小将沙尘气候划分为3个级别:浮尘、扬尘和沙尘暴。进行路面沙尘气候模拟时,浮尘气候选用泥粉(6号集料,粒径小于0.075mm),扬尘气候选用泥粉及细砂(5号集料,粒径约为0.6~0.3mm)的混合物,沙尘暴气候选用泥粉、细砂及粗砂(4号集料,粒径为2.36mm~1.18mm),使用前对集料进行烘干处理。

  为分析沙尘物质分布情况对环氧沥青混凝土表面抗滑性能的影响,将沙尘物质在摩擦接触区的分布情况划为3档:清洁路面、局部覆盖、全覆盖。

  采用摆式摩擦仪对干燥状态下的摩擦接触区进行试验测量,步骤如下。

  (1)测量清洁车辙板试件摩擦接触区的BPN*,测量5次(5次数值差应不大于3,否则重新测量)。

  (2)在车辙板试件的摩擦接触区内添加对应沙尘物质至局部覆盖,测量其BPN*,直到3次BPN*没有明显变化为止。测量完用毛刷清除接触区内的沙尘物质。

  (3)在车辙板试件的摩擦接触区内添加对应沙尘物质至全覆盖,测量其BPN*,直到3次BPN*没有明显变化为止。测量完换用高压水清除接触区内的沙尘物质。

  湿润状态下的摩擦接触区试验测量步骤与上述步骤相似,只需在添加对应沙尘物质后进行洒水,对沙尘物质充分润湿,并在每个步骤完成后换用高压水把试样冲洗干净即可。进行多次平行试验取平均值,进而得到沙尘气候下路表面抗滑性能的变化规律。首先测量干燥清洁状态下的车辙板试样的BPN*,将其作为对照组。

  可知,沙尘气候对环氧沥青混凝土表面抗滑性能具有较明显的影响,路面沙尘物质覆盖率越高,抗滑性能下降越明显。在干燥状态下,路表面抗滑性能下降幅度达23%~44%,在湿润状态下,路表面抗滑性能下降幅度达16%~34%。另外,相比于湿润状态,干燥路表面抗滑性能随着沙尘等级提高而下降更加明显。究其原因,附着在表面的沙尘物质介入到了车胎橡胶与路面之间,阻碍了橡胶与路表面的直接接触,使得橡胶部分或全部与路表面脱离,实际上发生与沙尘物质的滑动或滚动摩擦。在湿润路面状态下,环氧沥青混凝土表面的抗滑性能的衰减起始于湿摩擦作用,表面抗滑值的下降量要比起始于干摩擦作用的下降量小。

  雨水气候作用对环氧沥青混凝土表面抗滑性能的影响

  为研究雨水气候作用对环氧沥青混凝土表面抗滑性能的影响,根据雨水气候对于路面干湿状态的影响程度,将雨水气候分为2种情况:小雨量(路面潮湿,但无积水存在);大雨量(路面存有积水)。

  在进行室内试验模拟时,首先测量正常状态下即干燥(无雨)状态下车辙板试件的BPN*,将其作为对照组。然后将达到饱水状态的车辙板试件擦拭至表干状态,以此模拟小雨量情况;在进行大雨量模拟时,在表干的车辙板试件上洒水至全覆盖摩擦接触区后测量BPN*。

  可知,雨水气候作用对于环氧沥青混凝土表面抗滑性能具有较明显的影响。与干燥状态相比,小雨量时的表面抗滑值平均下降约20%,大雨量时的表面抗滑值平均下降约27%。究其原因,表面被雨水浸润后,车胎橡胶与路表面的直接接触被破坏,小雨量时根据弹性流体动力润滑机理,薄水层的存在将导致车胎橡胶相对于路表面滑动,产生黏性滑水,引起BPN*的减小;而大雨量时根据雷诺方程,路表面积水会对橡胶产生上抬作用,形成动力滑水,使BPN*进一步下降。

  冰冻气候作用对环氧沥青混凝土表面抗滑性能的影响

  为了研究冰冻气候作用对于环氧沥青混凝土表面抗滑性的影响,参考马歇尔冻融劈裂试验操作规程,进行冰冻气候的室内试验模拟。首先测量干燥(无雨)状态下的车辙板试样的BPN*作为对照组,再将车辙板试样饱水后加入少量的水置于塑料袋内,扎紧袋口,放入温度为-18℃的恒温冰箱中,保温16h;最后,取出试样测量BPN*,至完全解冻为止。

  可知,冰冻气候对于表面抗滑性能的影响具有较明显的3个阶段性,分别为:(1)冰晶阶段(测试次数点1),低温凝结而成的冰晶体覆盖摩擦接触区,呈针片状,分布不均匀;(2)冰膜阶段(测试次数点4~点21),在橡胶摩擦作用下冰晶体融化成水后由于低温又冻结形成薄冰层附于表面,冰膜厚由于试件表面宏观构造差异而不均匀;(3)积水阶段(测试次数点35~点41),随着车胎橡胶的摩擦作用及试件温度回升,冰膜全部融化成水覆盖在摩擦接触区。其他测试点的抗滑值为相邻两阶段之间抗滑值的过渡区段。

  可知,相较于干燥状态,冰晶阶段表面抗滑值下降40%,冰膜阶段表面抗滑值下降70%,积水阶段表面抗滑值下降30%。在冰晶阶段,冰晶体并未完全覆盖路表构造,路表面的抗滑功能未完全丧失,并且针片状的冰晶体所形成的表面凸起可以起到一定的抗滑作用;在冰膜阶段,路表面构造完全被薄冰层所覆盖,车胎橡胶实际上是与薄冰层相接触,路表抗滑功能完全丧失,抗滑值最小;在积水状态,表面抗滑性能与雨水气候作用时的下降机理相同,而与冰相比,水对路面抗滑性能的影响明显较小,即积水阶段抗滑值的下降程度小于冰晶阶段和冰膜阶段。

  结语

  本文通过室内试验模拟研究了沙尘、雨水和冰冻3种气候作用下环氧沥青混凝土表面抗滑性能的变化规律,研究结论如下。

  (1)沙尘气候作用对环氧沥青混凝土表面抗滑性能具有较明显的影响,路面沙尘物质覆盖率越高,抗滑性能下降越明显。在干燥状态下,路表面抗滑性能下降幅度达23%~44%,在湿润状态下,路表面抗滑性能下降幅度达16%~34%。且相比于湿润状态,干燥路表面的抗滑性能随着沙尘等级提高而下降更加明显。

  (2)与干燥状态相比,小雨量时的表面抗滑值平均下降约20%;大雨量时的表面抗滑值平均下降约27%。

  (3)冰冻气候作用对环氧沥青混凝土表面抗滑性能的影响存在明显的冰晶、冰膜、积水3个阶段。相比于干燥状态,表面抗滑值在3个阶段下降幅度分别为40%、70%和30%。

  (4)冰冻气候对环氧沥青混凝土表面抗滑性能影响最大,行车安全性能最差;沙尘气候次之;雨水气候相对最小。

  不同气候作用下环氧沥青混凝土表面微观结构的变化、行车速度和抗滑性能关系等尚待进一步研究。