熱拌超薄罩面Superpave-5抗滑性能影響因素分析

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(1．武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023； 2．普渡大學(xué)建筑建設(shè)管理系，印第安納州 西拉法葉 47906； 3．印第安納州交通運(yùn)輸廳，印第安納州 西拉法葉 47906)

1 前 言

高性能瀝青路面(Superior Performing Asphalt Pavement，簡稱Superpave)，是美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)的研究成果之一。Superpave-5是公稱最大粒徑為4.75mm且采用Superpave設(shè)計(jì)方法制備的熱拌瀝青混合料超薄罩面，其鋪裝厚度僅為10～15mm，具有能迅速恢復(fù)路表功能、校正路表缺陷、節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本以及提高資源利用率等優(yōu)勢(shì)，是一種新型的路面養(yǎng)護(hù)材料可用于瀝青路面或水泥路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)[1-2]。而且Superpave-5對(duì)結(jié)構(gòu)自重和路面標(biāo)高影響甚小，因此，也適用于橋面、高架或隧道等特殊路段。受到公稱最大粒徑的嚴(yán)格限制，Superpave-5路表紋理較小，往往會(huì)導(dǎo)致抗滑性能不足，對(duì)行車安全造成隱患[3-4]。實(shí)踐證明，抗滑性能及其持久性不足已成為影響Superpave-5路面行車安全的關(guān)鍵問題，也是未來研究中亟待突破的方向。Williams[5]等通過試驗(yàn)路段對(duì)Superpave-5和Superpave-13路面抗滑性能進(jìn)行觀測，對(duì)比得出Superpave-5的抗滑性能良好，能適用于交通量不大的一般路面。Li[6]等通過對(duì)美國印第安納州四條Superpave-5路面為期5年的抗滑性能觀測，提出Superpave-5路面的總體抗滑性能不佳，具體表現(xiàn)為新建Superpave-5路面的抗滑系數(shù)通常較高，但通車后其抗滑系數(shù)急劇下降且1年后逐漸趨于穩(wěn)定。Meegoda[7]等提出Superpave-5路面紋理較小、抗滑性能不佳的主要原因是其集料尺寸較小。Li[8]等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究提出，Superpave-5抗滑性能受其集料性質(zhì)、級(jí)配、混合料體積指標(biāo)等的影響。在影響Superpave-5抗滑性能的眾多因素中，與其實(shí)際路面抗滑性能聯(lián)系最為密切的關(guān)鍵因素才最值得我們關(guān)注和研究，然而目前針對(duì)Superpave-5抗滑性能關(guān)鍵因素的研究還未見報(bào)道。本文在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)性分析建立礦料性質(zhì)、混合料體積指標(biāo)與六條Superpave-5路面通車1年后的抗滑系數(shù)之間的聯(lián)系，從而獲得影響Superpave-5瀝青混合料抗滑性能的關(guān)鍵因素，為提高Superpave-5路面的抗滑性能提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)用原材料

用于測試抗滑性能的六條Superpave-5路面分別位于美國印第安納州的州道(SR32、SR64、SR29)和國道(US24、US40、US27)上。路面所用集料的種類由該路段的單軸荷載(ESAL)所決定，瀝青等級(jí)由ESAL和當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r所決定，其原材料的具體組成百分比見表1。其中：抗磨耗集料(Polish Resistant Aggregates，簡稱PRA)、機(jī)制砂(Manufactured Fine Aggregates，簡稱MAF)、天然砂(Natural Sand，簡稱NS)、高爐礦渣(Blast Furnace Slag，簡稱BFS)、回收瀝青瓦(Recycled Asphalt Shingles，簡稱RAS)、生產(chǎn)石料時(shí)產(chǎn)生的石粉(Agg Lime，簡稱AL)、礦渣砂(Slag Sand，簡稱SS)、石料拌和過程中所收集的粉塵(Baghouse Fines，簡稱BF)、空氣污染設(shè)備所收集的石灰加工廠粉塵(Plant Fines，簡稱PF)和回收瀝青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，簡稱RAP)。室內(nèi)試驗(yàn)所使用的原材料均來自鋪筑現(xiàn)場，與實(shí)際路面所用材料相同。

表1 六條Superpave-5路面的材料組成Table 1 Material compositions of six Superpave-5 test roads

3 Superpave-5路面抗滑系數(shù)測試結(jié)果

采用通車1年后路面的抗滑系數(shù)(Friction Number，簡稱FN)來表征Superpave-5的抗滑性能?？够禂?shù)采用ASTM E274中的鎖輪式測定車測定，輪胎為光面輪胎，行車速度為40mph，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2中的路面抗滑系數(shù)測試結(jié)果可知，六條Superpave-5路面的抗滑系數(shù)均不大(15～50之間)，小于文獻(xiàn)[9]中Superpave-13的抗滑系數(shù)，這進(jìn)一步佐證了Superpave-5路面的抗滑性能低于集料粒徑較大的Superpave路面。其中SR64和US24的抗滑系數(shù)達(dá)到了40以上，抗滑性能相對(duì)較好；SR32和US40的抗滑性能適中；而US27和SR29的抗滑系數(shù)較低，抗滑性能較差。除SR32外，各測試路面南、北行車道的抗滑系數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，因此在下文分析中采用兩車道抗滑系數(shù)的平均值。

表2 各Superpave-5路面通車1年后抗滑系數(shù)Table 2 Friction numbers of the Superpave-5 test roads after one year in service

4 Superpave-5路面抗滑性影響因素分析

4.1 集料及混合料體積指標(biāo)對(duì)Superpave-5抗滑性的影響

瀝青路面的抗滑性能與路表的紋理有關(guān)，包括宏觀紋理和微觀紋理。影響瀝青路面紋理的因素十分復(fù)雜，除級(jí)配外，集料種類、來源、尺寸形狀、表面形貌、耐磨性、細(xì)集料的棱角性和砂當(dāng)量等均會(huì)對(duì)路表的紋理產(chǎn)生影響。集料諸多性能的交互作用使集料對(duì)路面抗滑性能的影響變得非常復(fù)雜，且集料的某些指標(biāo)(如洛杉磯磨耗值等)不太適用于Superpave-5，目前在Superpave-5集料的眾多性能指標(biāo)中可控的是集料的種類、細(xì)集料棱角性和砂當(dāng)量[10-11]。因此，本文在分析Superpave-5路面抗滑性影響因素時(shí)，集料的性能指標(biāo)采用細(xì)集料棱角性和砂當(dāng)量兩個(gè)指標(biāo)。

根據(jù)美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(AASHTO)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件，并分別對(duì)六條Superpave-5路面所用集料性質(zhì)及混合料指標(biāo)進(jìn)行測試，包括0.075mm篩孔通過率(Filler)、貝雷法的三個(gè)參數(shù)(CA、FAc和FAf)、細(xì)集料棱角性(FAA)、砂當(dāng)量(Se)、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)和瀝青飽和度(VFA)等指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 集料性質(zhì)與混合料體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of properties of aggregates and volume indicators of mixture

采用斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)來建立各指標(biāo)與Superpave-5路面抗滑系數(shù)之間的關(guān)系。斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)是用來反映兩個(gè)變量相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量，用R表示，其值為正時(shí)說明兩個(gè)變量呈正相關(guān)，反之呈負(fù)相關(guān)，絕對(duì)值越大表明相關(guān)性越強(qiáng)[12-13]。得到的相關(guān)系數(shù)矩陣能很好地反映各影響因素之間的相互關(guān)系。當(dāng)R的絕對(duì)值在0～0.19之間表示相關(guān)性極低；在0.2～0.39之間表示相關(guān)性低；在0.4～0.59之間表示相關(guān)性適中；0.6～0.79表示相關(guān)性高；0.8～1.0表示相關(guān)性極高。各指標(biāo)與Superpave-5路面抗滑系數(shù)間的斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)如圖1所示，各指標(biāo)間的斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)矩陣見表4。

圖1 各指標(biāo)與FN間的斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)Fig.1 Spearman rank correlations between FN and indicators

從圖1可以看出，F(xiàn)iller、CA、FAA、VV和WMA與FN呈正相關(guān)，而FAc、FAf、Se和VFA與FN呈負(fù)相關(guān)。所有指標(biāo)中與FN相關(guān)系數(shù)最大的是VV，相關(guān)系數(shù)為0.8281，屬于相關(guān)性極高；其次是VFA，相關(guān)系數(shù)為-0.6571，屬于高度相關(guān)；隨后是FAA和FAc，相關(guān)系數(shù)分別為0.5508和-0.4058，屬于中度相關(guān)；CA、FAf、Se和VMA相關(guān)系數(shù)均低于0.39，屬于低度相關(guān)；Filler與FN的相關(guān)性極低。由此可見，VV和VFA是影響Superpave-5路面抗滑性能的主要因素，F(xiàn)AA和FAc對(duì)其抗滑性能的影響也不容忽視。增加VV和FAA與減小VFA和FAc均能提高Superpave-5路面的抗滑性能。

路面良好的抗滑能力主要是由路面的宏觀構(gòu)造，微觀構(gòu)造及防止滑溜性污染三個(gè)因素構(gòu)成[14]?？障堵适怯绊懧访婧暧^構(gòu)造的主要因素，VV越小路表構(gòu)造深度也就越小，對(duì)路面的抗滑性能不利，由此可知增大VV可有效提高路面的抗滑性能。結(jié)合表2～3的試驗(yàn)結(jié)果可知，US27和SR29的VV均為4%，通車1年后路面抗滑系數(shù)均較低，抗滑性能不理想。為了提高Superpave-5路面的抗滑性能，將VV提高到5%后，其余的幾條Superpave-5路面的抗滑性能均得到了較大的改善。

表4 各指標(biāo)間的斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Spearman rank correlations matrix of the indicators

從表4可以看出，與FN高度相關(guān)的兩個(gè)指標(biāo)VV和VFA間存在著密切的聯(lián)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.8281，說明VV和VFA之間相關(guān)性高且呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)VV偏小時(shí)會(huì)造成瀝青用量相對(duì)較多，從而使VFA偏高，高溫時(shí)路面容易出現(xiàn)泛油。泛油使得瀝青路面變得光滑，降低了路表的構(gòu)造深度，從而導(dǎo)致路面抗滑性能下降。因此，VFA對(duì)瀝青路面抗滑性的影響很大程度上受VV的影響。FAA與VV的相關(guān)系數(shù)最高為-0.8402，與VMA和VFA間的相關(guān)性適中，相關(guān)系數(shù)分別為-0.5218和0.5508?？梢?，F(xiàn)AA會(huì)對(duì)瀝青混合料的體積指標(biāo)產(chǎn)生影響。FAA主要受集料形狀和表面形貌的影響，形狀接近正方體且表面粗糙集料的FAA較大。研究表明FAA對(duì)路面的抗車轍性能影響顯著，且瀝青路面的車轍隨著FAA的增大而降低[15-16]。而一般有車轍問題的路面都會(huì)有不同程度的抗滑性問題。由此可見，F(xiàn)AA越大對(duì)瀝青路面抗滑性越有利。FAc反映了細(xì)集料中粗、細(xì)顆粒間的嵌擠和填充情況。FAc越大，表明細(xì)集料中起填充作用的細(xì)料顆粒含量越大，從而使細(xì)集料形成更為緊密的結(jié)構(gòu)，過大的FAc會(huì)使混合料中細(xì)料含量過多，對(duì)路面抗滑性不利。

4.2 級(jí)配對(duì)Superpave-5抗滑性的影響

為了避免過多的細(xì)料或圓粒天然砂造成車轍、擁包等病害，Superpave級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)在最大密度曲線與0.3～2.36mm篩孔之間設(shè)置了一個(gè)限制區(qū)域，并采用控制點(diǎn)對(duì)Superpave-5的級(jí)配進(jìn)行控制。近年研究表明，在集料的FAA與混合料的性能滿足要求的情況下，限制區(qū)域?qū)旌狭系穆酚眯阅苡绊懖淮?。因此，在AASHTO規(guī)范M323中取消了限制區(qū)，但仍然保留了控制點(diǎn)[17]。依照貝雷法的觀點(diǎn)，1.18mm篩孔為Superpave-5主骨料和填隙料的分界篩孔，也就是第一控制篩孔(PCS)。當(dāng)級(jí)配在PCS處的通過率大于控制點(diǎn)的通過率(39%)，即控制點(diǎn)在最大密度曲線(MDL)上的通過率，則該級(jí)配相對(duì)較細(xì)；反之則認(rèn)為級(jí)配相對(duì)較粗。試驗(yàn)用級(jí)配與各Superpave-5路面實(shí)際級(jí)配相同，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)用級(jí)配Fig.2 Gradations used in the test

從圖2中可以看出，除了SR64的級(jí)配在PCS處的通過率(39.9%)接近控制點(diǎn)外，其它路面的級(jí)配在PCS的通過率均大于控制點(diǎn)，級(jí)配曲線的絕大部分位于MDL上方，即均為較細(xì)級(jí)配。其中US27的級(jí)配曲線位于所有級(jí)配曲線的上方，級(jí)配最細(xì)，通車1年后路面的抗滑系數(shù)最小，僅為26.3，抗滑性能較差。此外，SR32和US40級(jí)配在1.18mm篩孔處通過率分別比SR64大4.2%和5.3%，抗滑系數(shù)分別比SR64小16.1和12.4?？梢?，級(jí)配中細(xì)料含量過大對(duì)路面抗滑性能不利。這是因?yàn)檫^大的細(xì)集料含量會(huì)降低路面的宏觀紋理?？梢姡谝欢ǚ秶鷥?nèi)，適當(dāng)降低PCS的通過率，有利于提高Superpave-5路面的抗滑性能。US24和US27的級(jí)配曲線很接近，但US24的抗滑系數(shù)高達(dá)43.4，而SR29的抗滑系數(shù)僅為25.5。這與兩條路面的實(shí)際行車荷載和所用的材料有關(guān)，US24中使用了改性瀝青，且集料中使用了更耐磨的機(jī)制砂。研究表明，使用改性瀝青可以改善路表的微觀紋理，從而提高路面的抗滑性能[8]。抗滑系數(shù)最高的兩條試驗(yàn)路SR64和US24在2.36mm篩孔上集料的含量分別為29.5%和22.5%，大于其它路面?？梢娫谝欢ǚ秶鷥?nèi)適當(dāng)增加2.36mm篩孔上集料的含量對(duì)提高路面的抗滑性能有利。

為了進(jìn)一步分析各篩孔通過率對(duì)Superpave-5路面抗滑性能的影響，采用灰關(guān)聯(lián)熵分析方法，建立各篩孔通過率與路面抗滑系數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 各篩孔通過率與路面抗滑系數(shù)間的灰熵關(guān)聯(lián)度Fig.3 Gray Entropy Correlations between the passing rates and indicators

從圖3可以看出，與Superpave-5路面抗滑性能相關(guān)性最大的篩孔是4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.6mm篩孔，灰熵關(guān)聯(lián)度分別為0.9859、0.9861、0.9914和0.9846?？梢?，與路面抗滑系數(shù)相關(guān)性高的篩孔是集料中粒徑相對(duì)較大的篩孔，其中1.18mm以上篩孔的集料共同構(gòu)成了Superpave-5的主骨架，對(duì)抗滑性能有重要影響。因此，為了保證Superpave-5路面的抗滑性能，應(yīng)對(duì)其主骨架級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.18mm篩孔通過率與路面抗滑系數(shù)間的相關(guān)性最高，對(duì)抗滑性的影響最大，這與前面級(jí)配分析所得到的結(jié)果一致。綜合來看，優(yōu)化Superpave-5主骨架級(jí)配和控制PCS的通過率，對(duì)提高Superpave-5超薄罩面的抗滑性能具有重要作用。

5 結(jié) 論

1.由于受到公稱最大粒徑的限制，Superpave-5混合料的抗滑系數(shù)整體偏小，抗滑性能不足。

2.VV和VFA是影響Superpave-5路面抗滑性能的主要因素，且VFA受VV的影響顯著，兩者間的斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.8281，F(xiàn)AA和FAc對(duì)Superpave-5路面抗滑性能也有重要影響。增大VV和FAA、減小VFA和FAc均有利于提高Superpave-5路面的抗滑性能。

3.4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.6mm篩孔通過率與Superpave-5路面抗滑性能密切相關(guān)，其中1.18mm篩孔通過率對(duì)Superpave-5路面抗滑性影響最為顯著，是影響Superpave-5路面抗滑性能的關(guān)鍵篩孔。在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)降低1.18mm篩孔通過率、增大2.36mm篩孔上集料含量均有利于提高Superpave-5路面的抗滑性能。

4.綜合來看，采用表面粗糙、耐磨性較好的集料來代替普通集料，使用改性瀝青來代替基質(zhì)瀝青，優(yōu)化Superpave-5主骨架級(jí)配和控制PCS的通過率，使級(jí)配走向位于PCS下方均對(duì)提高Superpave-5路面的抗滑性能具有重要作用。