细集料对抗滑沥青磨耗层的影响研究

缪鹏辉，丛 林

（1.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510000；2.同济大学交通运输工程学院，上海市 201804）

0 引言

交通事故是人、车、路和环境共同作用的结果。过去大多数人都简单地认为交通事故的主要因素是人与车，在一定程度上降低了道路环境，特别是道路本身条件的影响。随着国民安全意识的提高，道路本身对交通安全的影响作用更加明显。有研究表明，70%的交通事故与道路状况有直接或间接关系。路面因素作为道路条件的一部分，其抗滑性能对道路安全有重要影响[1]。良好的抗滑性能能为高速行驶的车辆提供与路面的良好附着力，减少交通事故的发生[2]。然而沥青路面的早期损坏和抗滑性能衰减过快，对交通事故的发生产生了很大的隐患，所以很有必要研究路面抗滑性能的一般规律。

影响路面抗滑性能的因素很多，其中沥青路面材料组成和性质是一项很重要的影响因素[3]。细集料是沥青混合料的重要组成成分，对沥青混合料的性能有重要影响[4]。当混合料的其他材料都确定时，细集料将成为影响沥青混合料的主要因素。本文就是在粗集料、沥青和级配类型都确定的条件下，研究细集料对沥青路面抗滑性能的影响，重点分析了细集料棱角性的作用。

通过此课题的研究，可以解决路面抗滑磨耗层中细集料的选择应用问题，也为今后其他工程应用提供一定的参考。

1 不同细集料组成的SMA-13混合料设计

该试验通过改变不同的细集料来研究细集料对沥青混合料抗滑性能衰变的影响，选取的细集料有石灰岩、玄武岩、钢渣以及玄武岩和黄砂的混合砂，采用的沥青是壳牌SBS改性沥青，粗集料是辉绿岩石料，填料是石灰岩矿粉，纤维是德国木质素纤维，混合料级配类型选择SMA-13。其中SMA-13选用的工程设计级配见表1。该试验中为了避免矿料级配的不同对沥青混合料抗滑性能产生影响，不同细集料形成的混合料均采用同一矿料级配。

表1 SMA-13工程设计级配范围

1.1 不同细集料的物理指标

根据规范要求，测试不同细集料的物理指标，结果见表2。

表2 不同细集料的物理指标

从表中可以看出，石灰岩、钢渣和玄武岩细集料的表观相对密度和棱角性指标都能满足要求。玄武岩和黄砂的混合砂棱角性指标不能满足要求，主要原因是在混合砂中黄砂掺量为70%，玄武岩掺量为30%，由于黄砂属于天然砂，颗粒浑圆，棱角性差，从而使混合砂棱角性较差。但该试验是为了研究不同细集料对沥青混合料抗滑性能的影响，棱角性又作为一个重要的考虑因素，所以要求不同细集料间的棱角性存在一定差异，故混合砂棱角性虽低于规范要求，仍可用于试验研究。

1.2 计算法确定四种混合料的最佳油石比

该试验采用同济大学林绣贤教授[5]提出的SMA最佳油石比快速确定方法直接计算得到四种不同细集料形成的SMA-13混合料的最佳油石比，结果见表3。

表3 计算法确定的四种混合料最佳油石比

根据上述确定的最佳油石比，就可以进行沥青混合料相关性能检测。其中，混合料SMA-13（1）的细集料是石灰岩，SMA-13（2）的细集料是钢渣，SMA-13（3）的细集料是玄武岩，SMA-13（4）的细集料是玄武岩和黄砂的混合砂。

1.3 四种沥青混合料的性能试验

在确定最佳油石比后，需对混合料进行各项性能检测，包括马歇尔体积指标、马歇尔稳定度、流值、高温稳定性、水稳定性、析漏和飞散损失以及抗滑性能，试验结果见表4。

表4 四种混合料各项性能检测结果

由表4中的试验结果可知，四种混合料的各项性能均能满足规范要求。通过不同沥青混合料的性能对比可以发现，棱角性较好的玄武岩细集料形成的沥青混合料的高温稳定性、水稳性和摩擦系数都比其他三种混合料要好。而由钢渣细集料形成的SMA-13（2）由于空隙率最大，所以构造深度比其他混合料要大。

2 沥青混合料抗滑衰变研究

路面抗滑性能是保证车辆安全行驶的一个重要因素。路面抗滑指标必须要满足相关规范要求，但规范中只对路面建成时的抗滑指标有规定的要求，却没有对路面长期抗滑性能提出要求。这也导致目前很多公路工程在建成初期抗滑指标都能很好地满足要求，但经过短时间的运营，抗滑性能下降迅速，从而为交通带来安全隐患。事实上，路面的长期抗滑性能才是需要更加关注的对象，最终目的就是要确保在路面的使用寿命期间抗滑水平都能保持在一个较高的水平。因此研究路面沥青混合料抗滑衰变规律是很有必要的。

2.1 抗滑衰减加速磨耗试验仪

目前国内外研发的室内加速磨耗仪多种多样，其使用原理和方法也有所区别，但至今仍未形成一种较为统一的测试方法。该试验中采用的是小型加速加载仪MMLS3来进行沥青混合料室内加速磨耗模拟试验。

MMLS3由4个循环轴构成，每一个轴都有一个直径为300 mm的单轮，带花纹充气轮胎（见图1），向试件施加单一方向的荷载。轮胎充气压力可以达到自主调节，轴载荷可以在2.1～2.9 kN变化。采用一种专利悬架系统可以使轴载按预先设定的水平保持不变。正常的轮载速度为2.5 m/s，每小时可以加载7 200次。每小时加载次数也可以根据需要进行调节。试验时先成型300 mm×300 mm×50 mm的车辙板，再按图2试件放置方式进行试验。

图1 MMLS3作用轮胎

图2 试件放置方式

通过MMLS3对车辙板试件进行磨耗，每隔一定时间测试一次车辙板摩擦系数和构造深度，直至达到稳定值。

2.2 抗滑指标检测结果分析

目前国内外常用的路面抗滑指标是构造深度和摩擦系数[6]。其中，构造深度可以通过铺砂法、激光断面构造仪和环形表面纹理测量仪等进行测量，摩擦系数可以通过英式摆式仪、动态摩擦系数测定仪和连续摩擦系数测定仪进行测定。

结合该试验实际特点，初步确定沥青路面抗滑衰变试验采用的测试抗滑性能手段为摆式摩擦仪和手工铺砂法。因此该试验采用的抗滑性能评价指标就是摆式仪摆值（BPN）和构造深度（TD）。同时为了更好地评价试验结果，还将测试结果转化成国际摩擦指数IFI进行评价。

2.2.1 MTD衰变分析

从图 3 中可以看出，SMA-13（1）、SMA-13（2）、SMA-13（3）和 SMA-13（4）四种混合料的 MTD 衰减规律是比较相似的。在荷载作用前期，衰减速度比较快；在作用次数达到10万次后构造深度就基本趋于一个比较稳定的数值。主要是因为在荷载作用前期，试件在荷载作用下会产生二次压密变形，从而使构造深度迅速降低；随着荷载作用次数的增加，除了磨耗过程中产生的一些细集料和橡胶颗粒脱落堵塞空隙外，构造深度基本保持一个较为稳定的数值。其中，细集料为钢渣的混合料SMA-13（2）构造深度比其他三种混合料要大，而且从初始值至稳定值一直都保持在较高的水平。

图3 MTD衰减趋势

2.2.2 BPN的衰变分析

各国BPN都以20℃为标准温度，所以不同温度下测定的BPN都将通过公式进行修正，转化为标准温度下的摆值，得试验结果如图4所示。

图4 BPN衰减趋势

从图4可以看出，4种混合料的BPN衰减规律非常相似，但和MTD衰减速度是有所不同的。在荷载作用下，混合料的集料表面一些比较尖锐的构造由于被磨光而使微观构造降低，从而使混合料的BPN降低。从图4可知，在整个荷载作用过程中，四种沥青混合料的摆值大小尽管略有波动，但基本都保持在同一水平上。

2.2.3 细集料棱角性对混合料BPN和MTD的影响

细集料是沥青混合料中的重要组成成分，对混合料的各项性能都有很大的影响[7]。下面就细集料棱角性指标对混合料的抗滑性能影响进行分析。不同细集料形成的混合料的初始、稳定摆值和构造深度的试验结果见表5。

表5 混合料的初始、稳定摆值和构造深度及细集料棱角性

可以看出，4种混合料初始构造深度和稳定时的构造深度都存在较大差异。其中，由钢渣细集料形成的SMA-13（2）构造深度最大，由混合砂细集料形成的SMA-13（4）构造深度最小。4种混合料在设计时采用的是相同的粗集料、沥青、矿粉、纤维和级配，唯一不同的就是细集料。由此可见，细集料对SMA沥青混合料构造深度有很大影响。对比分析四种细集料的棱角性可知，SMA沥青混合料构造深度受细集料棱角性影响，棱角性越大，构造深度越大。原因在于棱角性越大，表面越粗糙，使集料之间接触点增加，故能在混合料表面形成较大的构造深度。

同时还可以看到，4种混合料的BPN相差不大，基本处于同一水平，没有受不同细集料的影响。原因是选取的混合料级配类型为SMA类，而SMA类混合料属于骨架型结构，其中粗集料多、细集料少，在混合料形成过程中，由沥青、矿粉、纤维和细集料形成沥青玛蹄脂填充在粗集料形成的骨架中，使粗集料突出在沥青混合料表面。在测试摆值时，摆式仪橡胶主要是和突出的粗集料接触，所以细集料对于骨架结构的SMA类混合料的摩擦系数影响不大，而主要是由粗集料的表面粗糙程度决定。而该试验中的四种混合料的粗集料都是采用同种辉绿岩，故4种混合料的BPN变化不大。

通过进一步分析可以得到，混合料初始和稳定构造深度不仅随着细集料棱角性的增大而增大，而且两者之间还存在很明显的线性相关性。通过线性函数拟合发现，相关系数超过0.99。

综上可知，对于SMA类混合料来说，细集料的棱角性指标对混合料的构造深度有较大影响，对摩擦系数影响不大。

2.2.4 混合料BPN和MTD的衰变回归分析

为了更好地分析抗滑指标BPN和MTD与轴载次数的关系，采用拟合和回归的方法对数据进行处理。这里采用对数公式对混合料抗滑指标与标准轴载次数关系曲线进行拟合与回归分析[8]。

式中：y为抗滑指标（BPN或MTD）；x为轴载作用次数，万次；A、B为经验系数。

下面采用上述给出的公式对MTD和BPN衰变数据进行拟合，结果见表6。

从表6看到，当采用对数公式时，不管是构造深度还是摆值都能很好地进行拟合，摆值的相关系数都在0.95或0.95以上，因此采用此种方法可以很好地反映摆值与荷载次数的关系。对于构造深度，它的相关系数也都接近或大于0.9，因此对数公式也可以反映构造深度的变化趋势。

表6 衰变的对数回归系数和相关系数

2.2.5 将结果转化为国际摩擦指数 IFI（F60，Sp）的应用

该试验采用PIARC模型[9]来计算IFI：

式中：Tx为路表构造参数，其值由路面粗糙构造测试设备检测获得。当采用激光断面仪时，所测得的为平均断面深度（MPD）；当采用铺砂法时，所测得的为平均构造深度（MTD）。a和b为回归系数，亦可理解为不同路表面构造深度测定方法的标定参数；FRS是在滑动速度S下的摩擦系数；A和B（对于花纹轮还有C）是摩擦系数设备的系统标定参数，在PIARC报告中均已给出。

通过上述公式将试验测得的BPN和MTD转化成IFI（F60，Sp），计算时选择美国系统参数值进行计算。根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）可知，要求 BPN≥45，MTD≥0.55。由此可以计算出 IFI评价标准为 IFI（0.183 6，50.90）。

由图 5 的结果可知，当用 IFI（F60，Sp）来评价四种SMA沥青混合料抗滑性能时，SMA-13（2）和SMA-13（3）两种混合料在整个磨耗过程中，混合料抗滑性能都良好，在图5中的体现就是所有点都位于 A 区。而 SMA-13（1）和 SMA-13（4）都有一部分点位于B区和D区，表明两种混合料在磨耗后期抗滑性能已不能满足要求，从实际施工中考虑，则这两种沥青混合料就不适合用于公路抗滑表层。

图5 四种沥青混合料IFI（F60，Sp）分区状况

2.2.6 细集料棱角性对IFI（F60，Sp）的影响

与混合料的BPN和MTD衰变趋势相同，IFI（F60，Sp）也是随着荷载累计作用次数的增加而降低，在荷载作用初期衰变速率快，后期衰变速度减慢，直至最后维持在一个稳定的数值。细集料棱角性与混合料 IFI（F60，Sp）的关系见表 7。

由表7可以看出，混合料的初始速度数Sp、初始标准摩擦系数F60、稳定速度数Sp和稳定标准摩擦系数F60都会随着细集料棱角性的增大而增大。

用拟合函数对细集料棱角性与Sp和F60的关系进行拟合分析，可以发现细集料棱角性与初始和稳定速度数Sp之间有很好的线性相关性，用一次线性函数拟合时相关系数超过0.99；同时，初始和稳定标准摩擦系数F60与细集料棱角性之间也有很明显的函数相关性，不过不是一次线性函数相关，而是二次多项式函数相关，用二次函数拟合时相关系数也超过0.99。

表7 细集料棱角性与混合料初始、稳定F60和Sp数值

综上，细集料棱角性与混合料国际摩擦指数之间是有很密切的关系，细集料棱角性越大的混合料，其IFI也会更大。

3 结 语

（1）细集料对路面的宏观构造影响较大，对路面的微观构造影响很小，尤其是细集料的棱角性指标。根据试验结果分析可知，细集料棱角性越大，沥青混合料的表面构造深度也会越大，但对BPN的影响却不明显。但通过分析不同细集料对国际摩擦指数的影响又发现，细集料棱角性对于F60的影响同样很明显。总之，细集料是影响沥青混合料抗滑性能的一个重要成分，其中细集料棱角性与沥青混合料抗滑性能之间有一个比较明显的函数相关性。

（2）沥青混合料的抗滑指标是随着荷载的作用而降低的，在荷载作用前期，下降速度快，随着累计作用次数的增加，最后趋于一个稳定的数值。所以为了提高路面的使用寿命，应该更加关注路面抗滑性达到稳定时的抗滑力。