叢 林，譚 樂，2，吳 敏，陳 芳

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.湖州市公路管理局，浙江 湖州 313000；3.廣東省機(jī)場(chǎng)管理集團(tuán)有限公司工程建設(shè)指揮部，廣東 廣州 510470；4.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

瀝青路面的抗滑能力是影響道路安全的重要因素[1-2].研究表明[3-5]，路面抗滑值的提高能顯著減小交通事故率；相反，抗滑能力不足會(huì)導(dǎo)致交通事故上升.因此，研究者嘗試通過多種方法來維持或提高瀝青路面的抗滑性能，如修筑具有良好級(jí)配類型的抗滑表層[6]、選用耐磨耗礦料或硬度差異大的分異型礦料[7].目前，玄武巖廣泛應(yīng)用于我國(guó)高等級(jí)公路路面的抗滑表層[8]，但這并非表示玄武巖是唯一抗滑表層集料，事實(shí)上，凡是符合路用集料各項(xiàng)性能要求的硬質(zhì)巖石都可用于抗滑表層.

我國(guó)公路相關(guān)規(guī)范主要以磨光值和磨耗值來評(píng)價(jià)集料的抗滑耐磨性能，磨光值越大表示抗磨光性能越好，磨耗值越小表明抵抗磨損、撞擊性能越好[9].國(guó)外評(píng)價(jià)集料的抗滑耐磨性能方法更趨多元，如美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)采用集料硅含量表征集料的抗滑耐磨性能，田納西理工大學(xué)嘗試用集料燃燒損失法評(píng)價(jià)集料的抗滑耐磨性能[10].近些年，研究者對(duì)集料抗滑耐磨性能研究更多集中于表面構(gòu)造特征——微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造，如Cafiso根據(jù)集料描述符和功率譜函數(shù)探索了路面摩擦力和集料表面微觀特性關(guān)系[11]；錢振東運(yùn)用三維紋理模型建立了分形維數(shù)與抗滑性能指標(biāo)的關(guān)系[12].然而，一般新建瀝青路面在選用品質(zhì)良好集料和級(jí)配良好抗滑表層后，其抗滑指標(biāo)都能達(dá)到技術(shù)要求，但隨著時(shí)間的推移，抗滑性能逐漸衰減，最終可能無法滿足安全行車的要求.因此，路面在長(zhǎng)期使用過程中能否保持較好的抗滑性能，也是道路使用者非常關(guān)心的問題[13].

MMLS3加速加載儀主要由Hugo于1993年研發(fā)，設(shè)備尺寸為2 400 mm×600 mm×1 150 mm，采用四組充氣輪胎，加載輪胎寬80 mm，最大胎壓為0.8 MPa，可施加1.9～2.7 kN的荷載，最大加載頻次達(dá)7 200次·h-1[14].加速加載試驗(yàn)不僅能較好模擬路面實(shí)際荷載作用，而且能在較短時(shí)間內(nèi)得到路面在長(zhǎng)期行車荷載作用下的使用性能衰變情況，相關(guān)學(xué)者運(yùn)用MMLS3加速加載儀進(jìn)行瀝青混合料路面高溫性能、路面結(jié)構(gòu)模型等方面的研究[14-16]，均取得較好效果.

本文運(yùn)用MMLS3對(duì)輝綠巖、玄武巖和石灰?guī)r集料的GAC-13C瀝青混合料進(jìn)行長(zhǎng)期抗滑性能衰減試驗(yàn)研究，建立長(zhǎng)期性能衰減預(yù)測(cè)模型，同時(shí)探索集料力學(xué)特性與模型參數(shù)影響關(guān)系.

1 集料特性

集料由自然界硬質(zhì)巖石加工而成，巖石本身的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對(duì)集料的物理力學(xué)特性具有重要影響，而集料的某些特性在很大程度上影響其瀝青混合料的抗滑性能.其中，從密度和堅(jiān)固性可以看出集料的致密程度和抵抗破壞的能力，而壓碎值、磨耗值和磨光值可以反映集料潛在的耐磨性能[17].

選取石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖3種粗集料，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程:JTGE 42—2005》測(cè)試主要力學(xué)性能，結(jié)果見表1.由表可知，除石灰?guī)r的磨光值不能達(dá)到技術(shù)要求外，其余2種集料的各性能都能滿足技術(shù)要求.另外可以看出，玄武巖和輝綠巖粗集料的各項(xiàng)物理力學(xué)性能要優(yōu)于石灰?guī)r，其中因磨耗值和磨光值較大，壓碎值較小，故其耐磨性能要明顯優(yōu)于石灰?guī)r粗集料.

表1 集料的特性測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of aggregate characteristics

2 瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能試驗(yàn)

2.1 瀝青混合料材料組成

GAC-13C是一種AC-13C改進(jìn)型的間斷級(jí)配瀝青混合料，其組成結(jié)構(gòu)為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，通過增大公稱最大粒徑、降低4.75 mm篩孔通過率,來提高混合料的高溫穩(wěn)定性和抗滑性能，并成功應(yīng)用于廣東省高速公路抗滑表層[18].本文按照馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行不同集料組成GAC-13C瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，相關(guān)測(cè)試結(jié)果如表2所示.

表2 不同集料組成的GAC-13C技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of GAC-13C technical index of different aggregate types

2.2 試驗(yàn)參數(shù)及方案

我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法中，采用雙輪組單軸100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，每個(gè)輪胎荷載為25 kN.因此，根據(jù)相似原理和模型設(shè)計(jì)理論，對(duì)MMLS3加速加載下的路面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證：MMLS3加速加載設(shè)備輪胎尺寸相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)輪胎相似常數(shù)為1/3，而輪載的相似常數(shù)為輪胎尺寸相似常數(shù)的平方為1/9，對(duì)輪胎荷載進(jìn)行相似縮放后為2.7 kN，因此，MMLS3加速加載儀可以滿足荷載要求[19].另外，MMLS3加速加載儀模擬試驗(yàn)中，加載方式為單向循環(huán)，而非直道試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)等雙向反復(fù)，這與路面上實(shí)際情況相符.

本次試驗(yàn)MMLS3加速加載儀每次對(duì)3個(gè)平行試件進(jìn)行測(cè)試.在最佳瀝青用量下制備300 mm×300 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件，每種類型成型2塊做平行試驗(yàn).MMLS3加速加載儀加載胎壓采用0.7 MPa，加載轉(zhuǎn)速采用6 000 r·h-1，試驗(yàn)溫度控制在20 ℃左右.

試驗(yàn)時(shí)，將車轍板固定在MMLS3輪底下，并設(shè)置好試驗(yàn)參數(shù)，待試輪轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定次數(shù)即停止.取出試件，分別用擺式儀測(cè)輪跡帶上的擺值(BPN)，手工鋪砂法測(cè)構(gòu)造深度(MTD)，測(cè)試后放置按原擺放位置繼續(xù)加載試驗(yàn)，如此循環(huán).需要注意的是，試驗(yàn)前期試件表面抗滑性能衰減較快，后期較慢，因而試驗(yàn)時(shí)前期加載時(shí)間應(yīng)較短，后期宜較長(zhǎng).

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)測(cè)得的3種GAC-13C瀝青混合料的擺值和構(gòu)造深度衰減結(jié)果分別見圖1和圖2.由圖可知，3種不同集料的GAC-13C瀝青混合料的擺值和構(gòu)造深度都經(jīng)歷前期衰減較快，然后逐漸減緩,最后趨于穩(wěn)定的過程.依照非線性指數(shù)函數(shù)形式建立抗滑衰減模型，見式(1)，方程示意圖見圖3.

y=Ae-tx+B

(1)

式中:y表征擺值或構(gòu)造深度;x為MMLS3軸載作用次數(shù);t為衰減速率;A為擺值或構(gòu)造深度的衰減幅度；A+B的值表示擺值或構(gòu)造深度的初始值BPN0或MTD0;B為擺值或構(gòu)造深度穩(wěn)定最終值BPNf或MTDf.

圖1 擺值擬合曲線Fig.1 Fitting curve of BPN

圖3 抗滑性能衰減方程示意圖Fig.3 Diagram of anti-sliding performance attenuation equation

采用抗滑衰減模型對(duì)擺值和構(gòu)造深度的衰減曲線進(jìn)行擬合，置信水平為0.95，結(jié)果見表3和表4、圖1和圖2.由圖表可知，所建立的抗滑衰減模型對(duì)3種GAC-13C混合料的擺值和構(gòu)造深度衰減曲線擬合較好，決定系數(shù)R2均大于0.98.

表3 擺值衰減方程及衰減參數(shù)Tab.3 Attenuation equation and parameters of BPN

表4 構(gòu)造深度衰減方程及衰減參數(shù)Tab.4 Attenuation equation and parameters of MTD

3 集料特性與瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能的灰關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種用灰色關(guān)聯(lián)度順序來描述影響因素關(guān)系強(qiáng)弱的方法[20].通過灰色關(guān)聯(lián)度來分析確定影響因素的主次關(guān)系，在參數(shù)優(yōu)化、方案優(yōu)選等問題的解決上具有優(yōu)越性[21].其基本思想是以因素的數(shù)據(jù)序列為依據(jù)，用數(shù)學(xué)方法研究因素間的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系，幾何形狀越接近，則它們之間的灰關(guān)聯(lián)度越大，反之越小[22].灰色關(guān)聯(lián)分析用灰色關(guān)聯(lián)度描述了各因素對(duì)目標(biāo)因素的影響程度，關(guān)聯(lián)度越大，影響程度越大[23].為了研究不同集料特性對(duì)瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能影響，本文通過灰色關(guān)聯(lián)分析建立不同集料特性指標(biāo)與抗滑性能的灰色關(guān)聯(lián)度排序，從而得出集料特性指標(biāo)對(duì)抗滑性能的影響程度.

3.1 集料特性與擺值的灰關(guān)聯(lián)分析

3.1.1集料特性與擺值初始值A(chǔ)1+B1的灰關(guān)聯(lián)分析

擺值衰減模型中，A+B表示的物理意義為擺值初始值，將表3中A1+B1值，與表1中3種集料特性指標(biāo)進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，得到相關(guān)度從大到小依次為：磨光值(0.979 6)、壓碎值(0.728 8)、磨耗值(0.665 1)、堅(jiān)固性(0.471 2).表明集料磨光值對(duì)瀝青混合料初始擺值影響程度最大.集料磨光值越大，表面越粗糙，擺式儀的橡膠與路面接觸時(shí)阻力就越大，因而初始擺值就越大.將初始擺值A(chǔ)1+B1與集料磨光值(PSV)進(jìn)行線性回歸，得到如下回歸方程:

A1+B1=0.679 8PSV+34.808,

R2=0.986

(2)

3.1.2集料特性與擺值終值B1的灰關(guān)聯(lián)分析

擺值衰減模型中，B表示的物理意義是擺值終值.將表3中B1與集料特性指標(biāo)進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，得到相關(guān)度從大到小依次為：磨光值(0.970 5)、壓碎值(0.716 8)、磨耗值(0.654 5)、堅(jiān)固性(0.465 0).說明集料磨光值對(duì)瀝青混合料擺值終值影響程度最大.集料抗磨光作用決定了瀝青路面摩擦系數(shù)，磨光值較大的集料組成的混合料，因集料表面粗糙且有足夠硬度而不容易被磨光,從而使混合料具有相對(duì)較高擺值終值.建立擺值終值B1與集料磨光值的線性回歸方程如下:

B1=0.530 5PSV+22.86,R2=0.933 8

(3)

將式(3)代入式(2),得到A1與集料磨光值的關(guān)系

A1=0.149 3PSV+11.948

(4)

3.1.3集料特性與擺值衰減速率t1的灰關(guān)聯(lián)分析

將表3中擺值衰減速率t1與集料特性指標(biāo)進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，得到相關(guān)度從大到小依次為：壓碎值(0.970 9)、磨耗值(0.817 0)、磨光值(0.590 3)、堅(jiān)固性(0.465 1).可以認(rèn)為，集料壓碎值是影響瀝青混合料擺值衰減速率的主要因素.這是由于壓碎值大的集料形成的混合料，在行車荷載作用下集料更容易被磨耗導(dǎo)致微觀構(gòu)造減小.建立擺值衰減速率t1與集料壓碎值(CV)的線性回歸方程如下:

t1=0.030 9CV+0.025,R2=0.993 8

(5)

將式(3)、(4)和(5)代入式(1),得到關(guān)于集料特性指標(biāo)的擺值衰減方程

(6)

3.2 集料特性與構(gòu)造深度的灰關(guān)聯(lián)分析

3.2.1集料特性與構(gòu)造深度初始值A(chǔ)2+B2的灰關(guān)聯(lián)分析

構(gòu)造深度衰減模型中，A+B表示的物理意義為構(gòu)造深度初始值，將表4中A2+B2值與表1中3種集料特性指標(biāo)進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，得到相關(guān)度從大到小依次為：磨光值(0.966 0)、壓碎值(0.710 5)、磨耗值(0.648 8)、堅(jiān)固性(0.460 2).說明集料磨光值對(duì)瀝青混合料初始構(gòu)造深度影響程度最大.建立初始構(gòu)造深度A2+B2與集料磨光值的線性回歸方程如下:

A2+B2=0.011 3PSV+0.479 2,

R2=0.994 2

(7)

3.2.2集料特性與構(gòu)造深度終值B2的灰關(guān)聯(lián)分析

構(gòu)造深度衰減模型中，B表示的物理意義是構(gòu)造深度終值.將表4中B2與集料特性指標(biāo)進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，得到相關(guān)度從大到小依次為：磨光值(0.969 6)、壓碎值(0.743 7)、磨耗值(0.677 1)、堅(jiān)固性(0.476 1).表明集料磨光值對(duì)瀝青混合料構(gòu)造深度終值影響程度最大.建立構(gòu)造深度終值B2與集料磨光值線性回歸方程如下:

B2=0.004PSV+0.381,R2=0.982 4

(8)

將式(8)代入式(7),得到A2與集料磨光值的關(guān)系

A2=0.007 3PSV+0.098 2

(9)

3.2.3集料特性與構(gòu)造深度衰減速率t2灰關(guān)聯(lián)分析

將表4構(gòu)造深度衰減速率t2與集料特性指標(biāo)進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，得到相關(guān)度從大到小依次為：壓碎值(0.890 3)、磨光值(0.783 9)、磨耗值(0.780 0)、堅(jiān)固性(0.494 8).可以認(rèn)為,壓碎值是影響構(gòu)造深度衰減速率的主要因素.建立構(gòu)造深度衰減速率t2與集料壓碎值的線性回歸方程如下:

t2=0.019CV+0.293,R2=0.990 1

(10)

將式(8)、(9)和(10)代入式(1),得到關(guān)于集料特性的構(gòu)造深度衰減方程

(11)

應(yīng)該說明的是，本文巖石樣本選取了石灰?guī)r、玄武巖和輝綠巖，雖然具有一定代表性，但尚需其他巖石樣本進(jìn)行補(bǔ)充研究，同時(shí)，研究長(zhǎng)期抗滑性能衰減規(guī)律的瀝青混合料級(jí)配類型為GAC-13C瀝青混合料，不針對(duì)其他級(jí)配類型瀝青混合料.

4 結(jié)論

(1)采用MMLS3加速加載試驗(yàn)?zāi)M了瀝青混合料在車輛荷載作用下抗滑性能的變化，結(jié)果表明,瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能衰減速率逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定.依照非線性指數(shù)函數(shù)形式建立的抗滑衰減模型，符合瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑衰減規(guī)律.

(2)借助灰色關(guān)聯(lián)分析法建立了集料特性指標(biāo)與瀝青混合料抗滑性能之間的關(guān)聯(lián)度排序，建立了集料特性指標(biāo)與抗滑性能的函數(shù)關(guān)系.集料磨光值是影響瀝青混合料抗滑性能初始值和最終穩(wěn)定值的主要因素，壓碎值是影響瀝青混合料抗滑性能衰減速率的主要因素.

(3)本文尚未研究其他級(jí)配類型瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能衰減規(guī)律，得到的抗滑衰減模型限于GAC-13C瀝青混合料，在以后的工作中將進(jìn)一步擴(kuò)充和完善，以提高該抗滑衰減模型的普適性和準(zhǔn)確性.