基于沥青路面抗滑特性的实验系统开发与石灰岩优选关键技术研究

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目前我国高速公路沥青路面抗滑表层通常推荐采用玄武岩,然而玄武岩等硬质碎石在国内的分布较不均匀,某些地区不存在玄武岩,一味的强调采用玄武岩,将造成工程造价的大幅上升和资源的不可持续性;相对于玄武岩等硬质碎石,石灰岩的分布相对较为普遍且价格低廉,因此论文对石灰岩类集料应用于沥青路面抗滑表层的关键技术进行了系统研究。研究内容主要包含沥青路面抗滑性能试验仪器研发、粗集料抗滑性能测试方法及抗滑性能技术指标研究、沥青混合料抗滑性能影响因素及评价指标研究和优质石灰岩类集料应用于高速公路沥青路面抗滑表层的技术方案研究等。通过对集料和沥青混合料抗滑性能测试方法的调研,研制了“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”,该测试仪为一个微型直道试验系统,模拟在滑溜率100%情况下的动态行车所受的摩擦力作用,自动化测定路面材料摩擦过程中的动态摩擦系数,实时显示路面材料抗滑性能随磨耗时间的变化规律,预估基于抗滑性能的沥青路面使用寿命。基于“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”,研究提出了抗滑耐磨综合指标N(t)、动态摩擦系数Dμ试验终、抗滑性能衰减速率△Dμ、抗滑寿命等指标,并通过双变量相关性分析对其适用性进行了研究。研究表明:1)集料的磨光值、抗滑耐磨综合指标N(t)、Dμ试验终(time=4h)和抗滑寿命(Dμ集-临=0.46)4个指标之间的相关性均显著,4个指标对集料抗滑耐磨性能的评价具有一致性,可以用于集料抗滑性能评价和筛选;2)沥青混合料动态摩擦系数Dμ试验终(time=4h)和沥青混合料抗滑寿命(Dμ混-临=0.40)与集料的各个抗滑耐磨技术指标均具有显著或特别显著的线性相关性,可作为沥青混合料抗滑耐磨性能的评价指标;3)确定了集料的抗滑性能控制指标Dμ集-临值,潮湿区的Dμ集-临值为0.46。选择云南地区石灰岩、玄武岩以及其他地区玄武岩、花岗岩、辉绿岩等二十几种集料进行试验,研究了粗集料常规技术指标与其抗滑耐磨特性的相关性;研究了石灰岩矿物成分与集料特性的相关性。研究表明:1)互掺集料的压碎值、磨耗值、磨光值均与其互掺比例之间存在良好的线性相关性,在已知单一集料的压碎值、磨耗值与磨光值的前提下,能够预测出不同比例下互掺集料的压碎值、磨耗值与磨光值;2)研究确定了利用矿物组成筛选石灰岩的原则:首先选择白云石和石英含量较多的石灰岩,其次选择方解石含量相对较少的石灰岩,再次选择粘土矿物含量要少,甚至为0的石灰岩。基于“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”,系统研究了集料特性、集料掺配、混合料类型及级配、荷载、温度等因素对沥青路面抗滑性能的影响。研究表明:1)经过优选的石灰岩,抗滑性能明显优于普通石灰岩;抗滑性能最优的兴磊石灰岩的抗滑寿命为普通石灰岩的2倍左右,并可以达到优质玄武岩的59%左右;2)对于SMA-13,只需在优质石灰岩中掺配S10或者S12任意1档玄武岩粗集料,即可大大改善其长期抗滑性能,抗滑寿命可提高50%左右;掺配2档玄武岩粗集料,可基本达到纯玄武岩的抗滑寿命;3)对于AC-13,在优质石灰岩中掺配一粗一细2档玄武岩集料,可大大改善其长期抗滑性能,抗滑寿命可提高50%以上;掺配2档玄武岩粗集料,可基本达到纯玄武岩的抗滑寿命;特别值得注意的是,对于SMA-13,只需在优质石灰岩中掺配S10或者S12任意1档玄武岩粗集料,即可达到纯玄武岩AC-13的抗滑寿命;4)级配越粗抗滑性能越好,对于SMA-13,通过调节级配,抗滑寿命可提高48%;对于AC-13,通过调节级配,抗滑寿命可提高18%;相同掺配方案下,SMA-13级配的抗滑寿命大于AC-13级配的抗滑寿命,选择SMA-13级配,抗滑寿命可提高50%200%。通过在实际运营高速公路取样,研究了摩擦特性测试仪加载时间或次数与实际交通的等效关系,提出了基于摩擦特性测试仪的沥青路面抗滑寿命预估方法,确定了动态摩擦系数Dμ混-加铺阀值为0.42。经预估十五标石灰岩的抗滑寿命为5.4年,按方案B互掺的玄石互掺试验路的抗滑寿命为9.0年。利用优选出的十五标石灰岩和兴磊石灰岩集料铺筑了纯石灰岩试验路和玄石互掺试验路,试验路分4个技术方案,合计6km。经测试4条试验路构造深度TD(mm)均大于0.80,横向力系数SFC60均大于54,满足设计文件及规范要求。经测算,采用优质石灰岩铺筑的试验路经济效益显著。在此基础上,总结提出了石灰岩优选及应用于沥青路面抗滑表层的技术流程、设计方法和技术指标,形成了优质石灰岩用于高速公路沥青路面抗滑表层的全套技术。
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