沥青路面超薄磨耗层光滑成因分析:集料矿物组成的影响外文翻译资料

 2022-07-30 20:07:28

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沥青路面超薄磨耗层光滑成因分析:集料矿物组成的影响

Mengesha A. Beyenea*, Richard C. Meiningerb , Nelson H. Gibsonb , Jose F. Munozc and Jack Youtcheffb

aSES Group and Associate, LLC, 614 Biddle Street, Chesapeake City, MD 21915, USA; bTurner-Fairbank Highway Research Centre,Federal Highway Administration, 6300 Georgetown Pike, McLean, VA 22101, USA; cSES Group and Associate, LLC, 614 Biddle Street, Chesapeake City, MD 21915, USA

本文研究了沥青路面超薄磨耗层(UTBWC)光滑的原因。岩相分析表明,UTBWC中使用的集料主要是平均酸不溶残渣为5.1%的石灰石。把来自弗吉尼亚的UTBWC和不同矿物组成的VA—UTBWC和来自光滑的UTBWC路面覆盖层都做摩擦系数试验进行比较。试验清楚的表明,在整个抛光过程中滑UTBWC覆盖层急剧下降,与集料的矿物成分和少量的酸不溶物一致。相比之下,比较VA-UTBWC混合物显示逐渐增加,然后随着连续抛光的摩擦降低。这项调查清楚地表明,道路的滑溜沥青路面问题的原因主要是由于石灰石集料抛光。

关键词:抛光;光滑;超薄磨耗层(UTBWC);抗滑性;酸不溶性残留物;摩擦系数

介绍

1.1 背景

众所周之,沥青路面混合料的80%—90%由集料构成(Prowell et al. 2005)。假设路面磨耗层的设计和构造得当,许多以前的研究表明沥青路面磨耗层低抗滑能力的原因主要是被集料选择的影响(Nichols等人,1956,Dahir和Mullen1971,Wade 1971,Kandhal et al。 1993,Lavin 2003,Liang 2003,O#39;Brien和Haddock 2004)。集料的性能包括纹理、形状、大小和耐磨擦影响抗滑能力。(Beaton 1976)。

低研磨性集料如果应用于沥青路面的磨耗层可能导致低摩擦路面会变得湿滑,特别是湿的时候,会导致致命的事故。(Serafin 1970, Ahoet al. 2010).研究表明,路面表面层排水防滑的能力受微观和宏观结构高度的影响。 (Beaton 1976,Smith1977, Fwa et al. 2003, Orsquo;Brien and Haddock 2004).微纹理被定义为路面集料组成的小规模纹理(高度小于0.5mm的集料的表面特征),它控制轮胎与路面之间的接触面,从而控制路面抗滑性能 (Liang 2003,Burnett et al.1968,Skerritt 1993)。这是说,一个聚合矿物可能是在路面保持微纹理的能力最重要的因素,并由此确定路面磨耗层的抗滑性能(Orsquo;Brien and Haddock 2004)。宏观纹理另一方面是指大规模纹理(集料表面特征大于0.5毫米)的路面作为一个整体,由于总颗粒排列,有助于轮胎和路面之间有有效的表面排水。这减少了由于与车辆轮胎接触的突起导致的水膜厚度,使得路面表面适合于湿天气驾驶 (Kandhal et al.1993, Fwa et al. 2003, Liang 2003). Beaton (1976)。建议微观纹理和宏观纹理分别在较低速度和较高速度下影响路面的抗滑性。在较低速度下,防滑性主要是微观结构的函数,而在高速下在湿路面上,防滑性更多是宏观纹理的函数。然而,许多最近的研究强调,微纹理比宏观纹理对热混沥青(HMA)路面的抗滑性更重要(e.g. Skerritt 1993, Orsquo;Brien and Haddock 2004)。在HMA路面中,当它分别失去其微观结构和宏观结构时,沥青磨损过程被认为是抛光和磨损 (Orsquo;Brien and Haddock 2004)。

许多研究记录,碳酸盐岩,特别是纯石灰石,不应该用于沥青路面耐磨层,因为它具有低抗滑性能,并因此变得光滑由于在交通的磨光下(Nichols et al. 1956, Wade 1971,Manglorkar et al. 1991, Kandhal et al. 1993)。通常,碳酸盐集料比其他类型的集料抛光得更快,因为岩石主要由方解石组成,其莫氏硬度为3/10 (Dahir and Mullen 1971) Nichols et al. (1956)记录了自1947年以来在弗吉尼亚州的湿季发生的重大事故是由用石灰集料构建的沥青路面磨损路线的低抗滑性引起的,即使没有过量的沥青,并且混合物具有相当粗糙和开放的纹理。

如果必须在沥青沥青路线中使用石灰石集料,则应当评价从碳酸盐集料获得的砂粒大小不溶性残留物的量,残余物分级和不溶性残留物的总量,以确定集料是否具有潜在的抗滑性(Kandhal et al. 1993)。事实上,有证据表明,在其基质中具有较高百分比的较硬矿物杂质的碳酸盐岩具有更好的抗滑性能(Nichols et al. 1956, Wade 1971, Kandhal et al.1993)。许多研究提供了解释为什么由含有不同硬度的矿物的岩石制成的路面磨损程度比由具有均匀矿物组成的矿物制成的聚集物具有更好的抗滑性。研究表明,不同于具有均匀矿物组成的集料或具有窄硬度范围的矿物(例如石灰石,硅藻土/石英砂和石英砾石),具有不同矿物组成和硬度的聚集体(通过莫氏规模测量,例如砂岩,花岗岩片麻岩,片岩和某些含有均匀分散的小尖锐颗粒(例如石英和长石)的石灰石)在运输过程中差异磨损,导致不断更新的非抛光路面(Dahir和Mullen1971,Beaton 1976,Liang 2009)。Dahir和Mullen(1971)提出的50–70%硬矿物30–50%软矿物的最优比例合计达到高抗滑路面。不同国家DOT使用这种方法的经验(包括纽约,弗吉尼亚州,肯塔基州,田纳西州,路易斯安那州和德克萨斯等)表明,混合较硬的矿物质与较软的矿物质相比有不同程度的成功(Beaton 1976)。Dahir和Mullen(1971)的研究表明,任何给定集料的岩相性质和抗滑性之间存在着一般的相关性。作者指出,对于具有硬和软矿物的混合组成的集料,抗滑性高于主要由具有相同硬度的相同类型的矿物组成的集料。 然而,并非所有可用的集料都含有硬质和软质矿物的混合物。在这种情况下,另一种通常推荐的方法是混合不同硬度和矿物组成的集料,因为混合导致混合物具有在共混物中使用的集料类型的性质。研究表明,边缘集料与适当比例的耐波纹集料的混合产生具有可接受的抗滑性能的集料。许多路面研究人员建议,硅质集料与碳酸盐集料的组合应提供足够的路面结构组合,以允许安全车辆操作(Mullenet al. 1974, Nicholset al. 1956, Manglorkar et al. 1991, Liang 2009, Aho et al.2010)。

由于这个突出的问题,建筑工业已经开发了不同的抗滑性AASHTO和ASTM标准:(1)AASHTO T96-02-2010,(2)使用British Wheel的ASTM D3319-2000(3) )使用英制摆锤测试仪测量表面摩擦性能的方法,ASTM E303-1998,(4)使用全尺寸轮胎的铺路表面的防滑性的标准测试方法,ASTM E274-2011,以及用于路面滑动的光滑胎面轮胎,ASTM E524-20阻力08,(5)通过在盐水溶液中冷冻和解冻的稳定性以及健全性试验根据AASHTO T103-1991,程序A进行,(6)岩相研究 - 用于混凝土的集料的石油学检查的标准指南 (ASTM C295-2012)和酸不溶性残留物测试(ASTM方法D3042-2009)和(7)动态摩擦试验机(DFT)(ASTM E1911-1998)。

当路面抗滑性低且需要修复时,由于在路面耐磨层和/或铺面混合物中使用的集料没有按照标准方法进行测试,将超薄粘合的耐磨层(UTBWC)层放置在现有的路面表面是优选的路面表面处理技术之一。这种方法最近越来越受欢迎,用于修复结构良好的路面,需要防滑表面层或轻微的修复(轻微的裂缝和粗糙度损伤)。UTBWC是在1980年法国开发的路面表面处理技术以成本有效和高效的方式保存公路基础设施(Hanson 2001,Corley-Lay和Mastin2007)。UTBWC涉及间断级配的粗集料HMA混合物,目标厚度为9.5至19mm(3/8至3/4英寸),施加于聚合物改性的沥青乳液膜(PMEM)(Russell等人,2008)。乳液膜密封在UTBWC沥青材料下面的现有路面上(Russell等人2008)。由于新建筑的资源下降趋势,以及在发生重大失效之前对现有公路网络的保护需求增加,UTBWC不仅更多地关注保护现有的路面,而且还将其用作新路面施工中的罩层(Ruranika和 Geib 2007,Russell etal.2008)除了这种技术的高成本效益和高效性之外,UTBWC的部署具有额外的优点,例如最小车道关闭时间,一次性摊铺,减少滚动噪声和级配调整等(RuranikaandGeib2007)。在任何其他路面磨耗层中,选择合适的集料用于UTBWC覆盖层对于避免长期防滑问题至关重要。

1.2 问题陈述

在2011年的夏季UTBWC选择修复6公里(3.7miles)双车道绕行公路和2.7公里(1.7miles)双车道的国道,包括路边的通道和停车场。在177.8-355.6mm(7-14英寸)厚度的集料基础层上,两个路段的原始沥青路面厚度范围为114.3至241.3mm(41至291英寸)。 UTBWC应用于2个较老的稠密沥青路面,在UTBWC和下面的现有沥青路面之间使用相对厚的PMEM层。 总体等级以及由路面承包商提供的UTBWC的值和这些值的目标工作组合公式(JMF)值在项目规范(附录1)中。

在大约四个月的道路开放之后,UTBWC路面被报告由于滑动阻力的损失而出现问题,导致几次事故,特别是在弯道附近,大多数事故涉及离开道路并在这些弯道撞击护栏。据报道,这两条路摸起来都很光滑尤其是在潮湿的时候。由于报告的事件,启动了一个项目,以修复约3.7英里的绕行公路和1.7英里的国道,包括路边的通道和停车场。铺路一年后,使用滑动磨蚀器对路面进行喷砂处理,以除去光滑的涂层并改善表面摩擦。在喷砂之前,旁路的平均HFT摩擦系数在北向为0.48,而北曲线为0.42,在发生已知事故的南曲线位置为0.40。在滑动磨蚀处理过程之后,系统的摩擦力从约0.4(过低)到0.9(正常摩擦值)加倍。然而,在喷砂后九个月,据报道,在车轮路径中的表面再次变得光滑。北部和南部曲线的摩擦系数的系数下降到0.75和0.63。作为这些问题的结果,开展了广泛的研究以研究路面表面的这种低抗滑性(滑溜性)的原因。一个假设是,如果使用的粗集料是碳酸盐岩,如果酸溶性材料显着高(具有来自非碳酸盐矿物的低酸不溶性残留物),并且如果一些酸不溶性材料也是非耐久的集料,暴露的碳酸盐聚集体可能有助于表面抛光。为了证明这一假设,进行了广泛的岩相学工作,与来自UTBWC的集料的酸性不溶性残留物的定量结合。此外,将这些UTBWC集料的DFT和图像测量表征的结果与性能良好的集料进行比较。识别这条道路上的滑溜的原因,并为公众分享结果将有助于避免这种问题的再次发生。

2. 材料与方法

2.1 材料

本研究使用以下样品类型进行:

  1. 从用于岩相分析的沥青路面的UTBWC和用于测定碳酸盐聚集体中的酸不溶性残留物(ASTM D3042-2009 - 碳酸盐聚集体中的不溶性残留物)中提取六个集料样品。从中提取UTBWC集料核心样品编号:核心8(高速公路),核心13(高速公路)、16核心(旁路),核心21(旁路),核心25(旁路)和26核心(旁路)。此外,用核心10(高速公路)以表征暴露在UTBWC表面上的集料。
  2. 来自三个不同采石场用于UTBWC的集料被检查看看这些集料类型、矿物成分是否与在磨耗层中使用的相同。
  3. 集料从UTBWC沥青核心和从Virginia DOT UTBWC岩心提取出来,以比较集料的矿物成分,并用集料成像系统观察是否与DFT测试的结果相关,并且表征从UTBWC回收的集料的形状,角度和结构。

2.2 方法

2.2.1 岩相分析

进行岩石分析:(1)识别岩石和矿物类型,(2)研究磨损表面集料的物理特性,(3)记录回收的表面集料中是否存在任何不寻常或显着的特征。岩石分析和酸不溶性测试(下面讨论)的整合用于确定:(1)酸溶性岩石和矿物(碳酸盐)与酸不溶性成分在回收的集料中的类型和相对比例,和(2)如果酸不溶性材料主要是石英和其他硅酸盐,或是硅质和非硅质酸不溶性残留物(粘土质材料和杂铁矿物质)的混合物。从UTBWCs中提取的集料采用岩相分析,来自三个不同的采石场的集料和从VA-UTBWC芯提取的集料,使用目视观察,光学立体显微镜和偏振光显微镜(PLM)分析。

目视检查集料样品并记录照片。随后,使用立体显微镜以最大90pound;的放大倍数检查样品。在目视和立体光学观察之后,将代表性的聚集体包埋在环氧树脂中。在环氧树脂硬化之后,切割样品,并且将每个样品的所得表面之一研磨(抛光),并且用环氧树脂置于单独的玻璃显微镜载玻片上

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