細(xì)集料對(duì)抗滑瀝青磨耗層的影響研究

繆鵬輝，叢 林

（1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510000；2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海市 201804）

0 引言

交通事故是人、車、路和環(huán)境共同作用的結(jié)果。過(guò)去大多數(shù)人都簡(jiǎn)單地認(rèn)為交通事故的主要因素是人與車，在一定程度上降低了道路環(huán)境，特別是道路本身?xiàng)l件的影響。隨著國(guó)民安全意識(shí)的提高，道路本身對(duì)交通安全的影響作用更加明顯。有研究表明，70%的交通事故與道路狀況有直接或間接關(guān)系。路面因素作為道路條件的一部分，其抗滑性能對(duì)道路安全有重要影響[1]。良好的抗滑性能能為高速行駛的車輛提供與路面的良好附著力，減少交通事故的發(fā)生[2]。然而瀝青路面的早期損壞和抗滑性能衰減過(guò)快，對(duì)交通事故的發(fā)生產(chǎn)生了很大的隱患，所以很有必要研究路面抗滑性能的一般規(guī)律。

影響路面抗滑性能的因素很多，其中瀝青路面材料組成和性質(zhì)是一項(xiàng)很重要的影響因素[3]。細(xì)集料是瀝青混合料的重要組成成分，對(duì)瀝青混合料的性能有重要影響[4]。當(dāng)混合料的其他材料都確定時(shí)，細(xì)集料將成為影響瀝青混合料的主要因素。本文就是在粗集料、瀝青和級(jí)配類型都確定的條件下，研究細(xì)集料對(duì)瀝青路面抗滑性能的影響，重點(diǎn)分析了細(xì)集料棱角性的作用。

通過(guò)此課題的研究，可以解決路面抗滑磨耗層中細(xì)集料的選擇應(yīng)用問(wèn)題，也為今后其他工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 不同細(xì)集料組成的SMA-13混合料設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)通過(guò)改變不同的細(xì)集料來(lái)研究細(xì)集料對(duì)瀝青混合料抗滑性能衰變的影響，選取的細(xì)集料有石灰?guī)r、玄武巖、鋼渣以及玄武巖和黃砂的混合砂，采用的瀝青是殼牌SBS改性瀝青，粗集料是輝綠巖石料，填料是石灰?guī)r礦粉，纖維是德國(guó)木質(zhì)素纖維，混合料級(jí)配類型選擇SMA-13。其中SMA-13選用的工程設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表1。該試驗(yàn)中為了避免礦料級(jí)配的不同對(duì)瀝青混合料抗滑性能產(chǎn)生影響，不同細(xì)集料形成的混合料均采用同一礦料級(jí)配。

表1 SMA-13工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍

1.1 不同細(xì)集料的物理指標(biāo)

根據(jù)規(guī)范要求，測(cè)試不同細(xì)集料的物理指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同細(xì)集料的物理指標(biāo)

從表中可以看出，石灰?guī)r、鋼渣和玄武巖細(xì)集料的表觀相對(duì)密度和棱角性指標(biāo)都能滿足要求。玄武巖和黃砂的混合砂棱角性指標(biāo)不能滿足要求，主要原因是在混合砂中黃砂摻量為70%，玄武巖摻量為30%，由于黃砂屬于天然砂，顆粒渾圓，棱角性差，從而使混合砂棱角性較差。但該試驗(yàn)是為了研究不同細(xì)集料對(duì)瀝青混合料抗滑性能的影響，棱角性又作為一個(gè)重要的考慮因素，所以要求不同細(xì)集料間的棱角性存在一定差異，故混合砂棱角性雖低于規(guī)范要求，仍可用于試驗(yàn)研究。

1.2 計(jì)算法確定四種混合料的最佳油石比

該試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)林繡賢教授[5]提出的SMA最佳油石比快速確定方法直接計(jì)算得到四種不同細(xì)集料形成的SMA-13混合料的最佳油石比，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算法確定的四種混合料最佳油石比

根據(jù)上述確定的最佳油石比，就可以進(jìn)行瀝青混合料相關(guān)性能檢測(cè)。其中，混合料SMA-13（1）的細(xì)集料是石灰?guī)r，SMA-13（2）的細(xì)集料是鋼渣，SMA-13（3）的細(xì)集料是玄武巖，SMA-13（4）的細(xì)集料是玄武巖和黃砂的混合砂。

1.3 四種瀝青混合料的性能試驗(yàn)

在確定最佳油石比后，需對(duì)混合料進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)，包括馬歇爾體積指標(biāo)、馬歇爾穩(wěn)定度、流值、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、析漏和飛散損失以及抗滑性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 四種混合料各項(xiàng)性能檢測(cè)結(jié)果

由表4中的試驗(yàn)結(jié)果可知，四種混合料的各項(xiàng)性能均能滿足規(guī)范要求。通過(guò)不同瀝青混合料的性能對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，棱角性較好的玄武巖細(xì)集料形成的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性和摩擦系數(shù)都比其他三種混合料要好。而由鋼渣細(xì)集料形成的SMA-13（2）由于空隙率最大，所以構(gòu)造深度比其他混合料要大。

2 瀝青混合料抗滑衰變研究

路面抗滑性能是保證車輛安全行駛的一個(gè)重要因素。路面抗滑指標(biāo)必須要滿足相關(guān)規(guī)范要求，但規(guī)范中只對(duì)路面建成時(shí)的抗滑指標(biāo)有規(guī)定的要求，卻沒(méi)有對(duì)路面長(zhǎng)期抗滑性能提出要求。這也導(dǎo)致目前很多公路工程在建成初期抗滑指標(biāo)都能很好地滿足要求，但經(jīng)過(guò)短時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，抗滑性能下降迅速，從而為交通帶來(lái)安全隱患。事實(shí)上，路面的長(zhǎng)期抗滑性能才是需要更加關(guān)注的對(duì)象，最終目的就是要確保在路面的使用壽命期間抗滑水平都能保持在一個(gè)較高的水平。因此研究路面瀝青混合料抗滑衰變規(guī)律是很有必要的。

2.1 抗滑衰減加速磨耗試驗(yàn)儀

目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)的室內(nèi)加速磨耗儀多種多樣，其使用原理和方法也有所區(qū)別，但至今仍未形成一種較為統(tǒng)一的測(cè)試方法。該試驗(yàn)中采用的是小型加速加載儀MMLS3來(lái)進(jìn)行瀝青混合料室內(nèi)加速磨耗模擬試驗(yàn)。

MMLS3由4個(gè)循環(huán)軸構(gòu)成，每一個(gè)軸都有一個(gè)直徑為300 mm的單輪，帶花紋充氣輪胎（見(jiàn)圖1），向試件施加單一方向的荷載。輪胎充氣壓力可以達(dá)到自主調(diào)節(jié)，軸載荷可以在2.1～2.9 kN變化。采用一種專利懸架系統(tǒng)可以使軸載按預(yù)先設(shè)定的水平保持不變。正常的輪載速度為2.5 m/s，每小時(shí)可以加載7 200次。每小時(shí)加載次數(shù)也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)時(shí)先成型300 mm×300 mm×50 mm的車轍板，再按圖2試件放置方式進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 MMLS3作用輪胎

圖2 試件放置方式

通過(guò)MMLS3對(duì)車轍板試件進(jìn)行磨耗，每隔一定時(shí)間測(cè)試一次車轍板摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度，直至達(dá)到穩(wěn)定值。

2.2 抗滑指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果分析

目前國(guó)內(nèi)外常用的路面抗滑指標(biāo)是構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)[6]。其中，構(gòu)造深度可以通過(guò)鋪砂法、激光斷面構(gòu)造儀和環(huán)形表面紋理測(cè)量?jī)x等進(jìn)行測(cè)量，摩擦系數(shù)可以通過(guò)英式擺式儀、動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)定儀和連續(xù)摩擦系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。

結(jié)合該試驗(yàn)實(shí)際特點(diǎn)，初步確定瀝青路面抗滑衰變?cè)囼?yàn)采用的測(cè)試抗滑性能手段為擺式摩擦儀和手工鋪砂法。因此該試驗(yàn)采用的抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)就是擺式儀擺值（BPN）和構(gòu)造深度（TD）。同時(shí)為了更好地評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，還將測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)化成國(guó)際摩擦指數(shù)IFI進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.1 MTD衰變分析

從圖 3 中可以看出，SMA-13（1）、SMA-13（2）、SMA-13（3）和 SMA-13（4）四種混合料的 MTD 衰減規(guī)律是比較相似的。在荷載作用前期，衰減速度比較快；在作用次數(shù)達(dá)到10萬(wàn)次后構(gòu)造深度就基本趨于一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值。主要是因?yàn)樵诤奢d作用前期，試件在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生二次壓密變形，從而使構(gòu)造深度迅速降低；隨著荷載作用次數(shù)的增加，除了磨耗過(guò)程中產(chǎn)生的一些細(xì)集料和橡膠顆粒脫落堵塞空隙外，構(gòu)造深度基本保持一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值。其中，細(xì)集料為鋼渣的混合料SMA-13（2）構(gòu)造深度比其他三種混合料要大，而且從初始值至穩(wěn)定值一直都保持在較高的水平。

圖3 MTD衰減趨勢(shì)

2.2.2 BPN的衰變分析

各國(guó)BPN都以20℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，所以不同溫度下測(cè)定的BPN都將通過(guò)公式進(jìn)行修正，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)溫度下的擺值，得試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 BPN衰減趨勢(shì)

從圖4可以看出，4種混合料的BPN衰減規(guī)律非常相似，但和MTD衰減速度是有所不同的。在荷載作用下，混合料的集料表面一些比較尖銳的構(gòu)造由于被磨光而使微觀構(gòu)造降低，從而使混合料的BPN降低。從圖4可知，在整個(gè)荷載作用過(guò)程中，四種瀝青混合料的擺值大小盡管略有波動(dòng)，但基本都保持在同一水平上。

2.2.3 細(xì)集料棱角性對(duì)混合料BPN和MTD的影響

細(xì)集料是瀝青混合料中的重要組成成分，對(duì)混合料的各項(xiàng)性能都有很大的影響[7]。下面就細(xì)集料棱角性指標(biāo)對(duì)混合料的抗滑性能影響進(jìn)行分析。不同細(xì)集料形成的混合料的初始、穩(wěn)定擺值和構(gòu)造深度的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 混合料的初始、穩(wěn)定擺值和構(gòu)造深度及細(xì)集料棱角性

可以看出，4種混合料初始構(gòu)造深度和穩(wěn)定時(shí)的構(gòu)造深度都存在較大差異。其中，由鋼渣細(xì)集料形成的SMA-13（2）構(gòu)造深度最大，由混合砂細(xì)集料形成的SMA-13（4）構(gòu)造深度最小。4種混合料在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是相同的粗集料、瀝青、礦粉、纖維和級(jí)配，唯一不同的就是細(xì)集料。由此可見(jiàn)，細(xì)集料對(duì)SMA瀝青混合料構(gòu)造深度有很大影響。對(duì)比分析四種細(xì)集料的棱角性可知，SMA瀝青混合料構(gòu)造深度受細(xì)集料棱角性影響，棱角性越大，構(gòu)造深度越大。原因在于棱角性越大，表面越粗糙，使集料之間接觸點(diǎn)增加，故能在混合料表面形成較大的構(gòu)造深度。

同時(shí)還可以看到，4種混合料的BPN相差不大，基本處于同一水平，沒(méi)有受不同細(xì)集料的影響。原因是選取的混合料級(jí)配類型為SMA類，而SMA類混合料屬于骨架型結(jié)構(gòu)，其中粗集料多、細(xì)集料少，在混合料形成過(guò)程中，由瀝青、礦粉、纖維和細(xì)集料形成瀝青瑪蹄脂填充在粗集料形成的骨架中，使粗集料突出在瀝青混合料表面。在測(cè)試擺值時(shí)，擺式儀橡膠主要是和突出的粗集料接觸，所以細(xì)集料對(duì)于骨架結(jié)構(gòu)的SMA類混合料的摩擦系數(shù)影響不大，而主要是由粗集料的表面粗糙程度決定。而該試驗(yàn)中的四種混合料的粗集料都是采用同種輝綠巖，故4種混合料的BPN變化不大。

通過(guò)進(jìn)一步分析可以得到，混合料初始和穩(wěn)定構(gòu)造深度不僅隨著細(xì)集料棱角性的增大而增大，而且兩者之間還存在很明顯的線性相關(guān)性。通過(guò)線性函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.99。

綜上可知，對(duì)于SMA類混合料來(lái)說(shuō)，細(xì)集料的棱角性指標(biāo)對(duì)混合料的構(gòu)造深度有較大影響，對(duì)摩擦系數(shù)影響不大。

2.2.4 混合料BPN和MTD的衰變回歸分析

為了更好地分析抗滑指標(biāo)BPN和MTD與軸載次數(shù)的關(guān)系，采用擬合和回歸的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這里采用對(duì)數(shù)公式對(duì)混合料抗滑指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)關(guān)系曲線進(jìn)行擬合與回歸分析[8]。

式中：y為抗滑指標(biāo)（BPN或MTD）；x為軸載作用次數(shù)，萬(wàn)次；A、B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

下面采用上述給出的公式對(duì)MTD和BPN衰變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6看到，當(dāng)采用對(duì)數(shù)公式時(shí)，不管是構(gòu)造深度還是擺值都能很好地進(jìn)行擬合，擺值的相關(guān)系數(shù)都在0.95或0.95以上，因此采用此種方法可以很好地反映擺值與荷載次數(shù)的關(guān)系。對(duì)于構(gòu)造深度，它的相關(guān)系數(shù)也都接近或大于0.9，因此對(duì)數(shù)公式也可以反映構(gòu)造深度的變化趨勢(shì)。

表6 衰變的對(duì)數(shù)回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)

2.2.5 將結(jié)果轉(zhuǎn)化為國(guó)際摩擦指數(shù) IFI（F60，Sp）的應(yīng)用

該試驗(yàn)采用PIARC模型[9]來(lái)計(jì)算IFI：

式中：Tx為路表構(gòu)造參數(shù)，其值由路面粗糙構(gòu)造測(cè)試設(shè)備檢測(cè)獲得。當(dāng)采用激光斷面儀時(shí)，所測(cè)得的為平均斷面深度（MPD）；當(dāng)采用鋪砂法時(shí)，所測(cè)得的為平均構(gòu)造深度（MTD）。a和b為回歸系數(shù)，亦可理解為不同路表面構(gòu)造深度測(cè)定方法的標(biāo)定參數(shù)；FRS是在滑動(dòng)速度S下的摩擦系數(shù)；A和B（對(duì)于花紋輪還有C）是摩擦系數(shù)設(shè)備的系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)，在PIARC報(bào)告中均已給出。

通過(guò)上述公式將試驗(yàn)測(cè)得的BPN和MTD轉(zhuǎn)化成IFI（F60，Sp），計(jì)算時(shí)選擇美國(guó)系統(tǒng)參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）可知，要求 BPN≥45，MTD≥0.55。由此可以計(jì)算出 IFI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為 IFI（0.183 6，50.90）。

由圖 5 的結(jié)果可知，當(dāng)用 IFI（F60，Sp）來(lái)評(píng)價(jià)四種SMA瀝青混合料抗滑性能時(shí)，SMA-13（2）和SMA-13（3）兩種混合料在整個(gè)磨耗過(guò)程中，混合料抗滑性能都良好，在圖5中的體現(xiàn)就是所有點(diǎn)都位于 A 區(qū)。而 SMA-13（1）和 SMA-13（4）都有一部分點(diǎn)位于B區(qū)和D區(qū)，表明兩種混合料在磨耗后期抗滑性能已不能滿足要求，從實(shí)際施工中考慮，則這兩種瀝青混合料就不適合用于公路抗滑表層。

圖5 四種瀝青混合料IFI（F60，Sp）分區(qū)狀況

2.2.6 細(xì)集料棱角性對(duì)IFI（F60，Sp）的影響

與混合料的BPN和MTD衰變趨勢(shì)相同，IFI（F60，Sp）也是隨著荷載累計(jì)作用次數(shù)的增加而降低，在荷載作用初期衰變速率快，后期衰變速度減慢，直至最后維持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。細(xì)集料棱角性與混合料 IFI（F60，Sp）的關(guān)系見(jiàn)表 7。

由表7可以看出，混合料的初始速度數(shù)Sp、初始標(biāo)準(zhǔn)摩擦系數(shù)F60、穩(wěn)定速度數(shù)Sp和穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)摩擦系數(shù)F60都會(huì)隨著細(xì)集料棱角性的增大而增大。

用擬合函數(shù)對(duì)細(xì)集料棱角性與Sp和F60的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，可以發(fā)現(xiàn)細(xì)集料棱角性與初始和穩(wěn)定速度數(shù)Sp之間有很好的線性相關(guān)性，用一次線性函數(shù)擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.99；同時(shí)，初始和穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)摩擦系數(shù)F60與細(xì)集料棱角性之間也有很明顯的函數(shù)相關(guān)性，不過(guò)不是一次線性函數(shù)相關(guān)，而是二次多項(xiàng)式函數(shù)相關(guān)，用二次函數(shù)擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)也超過(guò)0.99。

表7 細(xì)集料棱角性與混合料初始、穩(wěn)定F60和Sp數(shù)值

綜上，細(xì)集料棱角性與混合料國(guó)際摩擦指數(shù)之間是有很密切的關(guān)系，細(xì)集料棱角性越大的混合料，其IFI也會(huì)更大。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）細(xì)集料對(duì)路面的宏觀構(gòu)造影響較大，對(duì)路面的微觀構(gòu)造影響很小，尤其是細(xì)集料的棱角性指標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，細(xì)集料棱角性越大，瀝青混合料的表面構(gòu)造深度也會(huì)越大，但對(duì)BPN的影響卻不明顯。但通過(guò)分析不同細(xì)集料對(duì)國(guó)際摩擦指數(shù)的影響又發(fā)現(xiàn)，細(xì)集料棱角性對(duì)于F60的影響同樣很明顯?？傊?，細(xì)集料是影響瀝青混合料抗滑性能的一個(gè)重要成分，其中細(xì)集料棱角性與瀝青混合料抗滑性能之間有一個(gè)比較明顯的函數(shù)相關(guān)性。

（2）瀝青混合料的抗滑指標(biāo)是隨著荷載的作用而降低的，在荷載作用前期，下降速度快，隨著累計(jì)作用次數(shù)的增加，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。所以為了提高路面的使用壽命，應(yīng)該更加關(guān)注路面抗滑性達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的抗滑力。