褚晨楓， 李 雄, 劉宏富

(1. 武漢綜合交通研究院有限公司， 湖北 武漢 430015； 2.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114)

0 引言

瀝青路面的抗滑性是影響行車安全的重要因素之一[1]。新建瀝青路面的抗滑性能會因使用年限增加、環(huán)境因素及輪胎磨損的長期共同作用不斷下降，逐漸喪失服務(wù)能力，嚴(yán)重影響行車的安全性[2]。

瀝青路面超薄磨耗層技術(shù)是一種重要的瀝青路面養(yǎng)護手段，其造價較低、使用方便。對于超薄磨耗層而言，一方面要求其具有足夠優(yōu)秀的長期抗滑性能，另一方面需在滿足功能性要求的基礎(chǔ)上盡量減少其鋪裝厚度，降低工程造價。

超薄瀝青磨耗層的長期服役性能主要取決于其所使用粗集料的性質(zhì)[3]。目前我國對用于超薄磨耗層的SMA研究主要集中于SMA-10和SMA-5，由于4.75～9.5 mm的礦料粒徑之間大小相差較大，容易導(dǎo)致級配失控；在相同級配和相同瀝青含量情況下，SMA瀝青混合料的空隙率相差很大，導(dǎo)致瀝青混合料性能差異較大[4]。因此，本文參考國內(nèi)外級配設(shè)計，在4.75～9.5 mm粒徑的集料之間增加8 mm的控制篩孔，以更好地控制4.75～8 mm粒徑與8～9.5 mm粒徑集料的比例，并對適用于超薄磨耗層的SMA-8級配進行各項性能的對比研究，同時考慮不同集料對其性能的影響，通過加速加載試驗揭示超薄磨耗層抗滑性能的衰變規(guī)律，研究結(jié)果對進一步完善我國SMA類超薄磨耗層技術(shù)有積極作用。

1 原材料選擇及試驗方案

1.1 原材料

1.1.1SINOTPS高黏改性瀝青

SINOTPS高黏改性瀝青具有黏度高、抗剝落能力強的特點，因此被廣泛應(yīng)用于高等級公路的面層施工中，本文使用的SINOTPS高黏改性瀝青由70#道路石油瀝青改性得到。SINOTPS高黏改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SINOTPS高粘改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)項目針入度(25 ℃, 100 g,5 s)/0.1 mm軟化點(環(huán)球法)/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm彈性恢復(fù)(25 ℃)/%溶解度/%運動粘度(60 ℃)/(Pa·s)儲存穩(wěn)定性/℃RTFOT老化(163 ℃,5 h)質(zhì)量變化/%殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(5 ℃)/cm技術(shù)要求40～60≥75≥30≥85≥99≥20 000≤2.5±0.5≥70≥20測試結(jié)果51.384.595.2102.399.7143 8111.40.47931試驗方法T 0604T 0606T 0605T 0662T 0607T 0620T 0661T 0609T 0604T 0605

1.1.2集料

試驗采用石灰?guī)r、輝綠巖和玄武巖等3種粗集料，其中石灰?guī)r和玄武巖的最大公稱粒徑為8 mm，輝綠巖最大公稱粒徑分別為5、8、10 mm。細(xì)集料均為石灰?guī)r細(xì)集料。粗集料技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粗集料的主要技術(shù)指標(biāo)項目壓碎值/%磨光值洛杉磯磨耗值/%表觀密度/(g·cm-3)毛體積密度/(g·cm-3)技術(shù)要求≤26≥42≤25≥2.6實測輝綠巖11.850.315.62.9472.905石灰?guī)r17.442.118.92.8912.798玄武巖13.147.313.62.9142.885試驗方法T 0316T 0321T 0317T 0321T 0308

1.2 配合比設(shè)計和試驗方案

1.2.1級配曲線和配合比設(shè)計

目前高等級公路上面層多采用SMA類型的瀝青混合料，SMA主要使用改性瀝青，同時添加纖維和提高粗集料的占比，因此可有效提升瀝青路面的抗磨耗與抗滑性能。本文以SMA級配為基礎(chǔ)，分別研究粗集料的種類和最大公稱粒徑對超薄磨耗層長期抗滑性能的影響。設(shè)計了SMA-5、SMA-8、SMA-10等3種級配，其曲線見圖1。

圖1 3種SMA的級配曲線

研究集料種類對超薄磨耗層的長期抗滑性能影響時，選用粒徑相同(最大公稱粒徑8 mm)但種類不同的粗集料(石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖)制備超薄磨耗層。研究集料的最大公稱粒徑對超薄磨耗層長期抗滑性能的影響時，選用具有不同最大公稱粒徑的輝綠巖作為試驗所使用的粗集料。5種超薄磨耗層均添加木質(zhì)素纖維。5種磨耗層材料的配合比設(shè)計見表3。

表3 超薄磨耗層配合比設(shè)計類別最佳油石比/%空隙率/%礦料間隙率/%飽和度/%馬歇爾穩(wěn)定度/kN流值/0.1 mmSMA-5(輝綠巖)7.33.918.271.29.333SMA-10(輝綠巖)6.23.417.783.27.934SMA-8(輝綠巖)6.83.118.281.76.7731SMA-8(石灰?guī)r)7.13.417.682.36.3527SMA-8(玄武巖)6.93.217.381.66.4335技術(shù)要求/3～4≥17.065～85>6.020～40

1.2.2試驗方案設(shè)計

超薄磨耗層的長期抗滑性能以擺值進行評價，加載設(shè)備采用MMLS3小型加速加載試驗機[5](見圖2)。加載時輪胎的接地壓強為0.7 MPa，加載溫度為25 ℃，加載速度為6 000次/h，前10萬次加載時以2萬輪次為1個數(shù)據(jù)采集周期；10萬次以后,以5萬次為1個數(shù)據(jù)采集周期，記錄擺值，共加載100萬次。

圖2 MMLS3型小型加速加載試驗機

抗滑試驗板分2層碾壓制成，尺寸為30 cm×18 cm×10 cm，其中，上層的磨耗層厚度為2 cm，下層AC-16瀝青混凝土厚度為8 cm。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 粗集料種類對超薄磨耗層擺值的影響

3種不同粗集料制備的SMA-8超薄磨耗層擺值試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 3種不同粗集料SMA-8超薄磨耗層的擺值衰減曲線

圖4 3種SMA-8超薄磨耗層的擺值初始值、穩(wěn)定值和損失值比較

如圖3所示，不同粗骨料SMA-8超薄磨耗層擺值的初始值相近，但擺值的損失值略有差別。在經(jīng)過100萬次加載后，石灰石SMA-8的擺值損失值最大，輝綠巖和玄武巖SMA-8的擺值損失值相對較小。根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(JTG 5142—2019)，如果擺值大于45，則認(rèn)為路面具有良好的抗滑性能，加載次數(shù)達到100萬次時，石灰?guī)rSMA-8的擺值已經(jīng)小于45;玄武巖和輝綠巖的SMA-8的擺值損失率(損失率=損失值/初始值)約為34.0%，而石灰石SMA-8的擺值損失率達40.8%。擺值損失率以及擺值穩(wěn)定值的差異都表明粗集料的種類對超薄磨耗層的擺值有影響。

為了深入探究粗集料的代表性指標(biāo)對超薄磨耗層擺值衰減的影響，采用灰度關(guān)聯(lián)分析方法，對評價粗集料的主要物理指標(biāo)進行灰度關(guān)聯(lián)分析，某指標(biāo)的灰度關(guān)聯(lián)計算結(jié)果越接近于1，則代表該指標(biāo)的影響越大。參考序列和比較序列的初始值如表4所示。各影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果見表5。

表4 參考序列和比較序列的初始值指標(biāo)石灰?guī)rSMA-8輝綠巖SMA-8玄武巖SMA-8磨光值40.247.149.3磨光損失值21.713.115.0洛杉磯磨耗值17.713.614.1壓碎值16.912.212.9 注: 磨光損失值=初始磨光值-經(jīng)磨損后的磨光值。

表5 灰度關(guān)聯(lián)分析計算結(jié)果關(guān)聯(lián)項目指標(biāo)石灰?guī)rSMA-8輝綠巖SMA-8玄武巖SMA-8平均值磨光值1.000.370.330.568擺值初始值磨光損失值1.000.340.360.568洛杉磯磨耗值1.000.330.340.556壓碎值1.000.330.350.560磨光值1.000.410.330.580擺值穩(wěn)定值磨光損失值1.000.330.360.565洛杉磯磨耗值1.000.330.330.555壓碎值1.000.330.330.553磨光值1.000.350.330.562擺值損失值磨光損失值1.000.330.410.581洛杉磯磨耗值1.000.330.350.562壓碎值1.000.330.370.569

如表5所示，在對擺值的初始值、穩(wěn)定值和損失值的灰關(guān)聯(lián)分析中，磨光損失值均具有較大的灰度關(guān)聯(lián)系數(shù)，這說明磨光損失值對超薄磨耗層的擺值衰減影響最為顯著。目前《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)僅對用于高速公路的粗集料磨光值指標(biāo)提出了要求，而根據(jù)灰度關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可知，磨光損失值對超薄磨耗層擺值的損失有顯著影響，因此，建議增加粗集料的磨光損失值作為評價表層粗集料耐磨性能的評價指標(biāo)。

2.2 粗集料粒徑對超薄磨耗層擺值的影響

瀝青混合料中集料的最大公稱粒徑是決定瀝青路面鋪裝厚度的最重要因素之一。在滿足瀝青路面性能的前提下，降低集料的最大公稱粒徑可有效降低超薄磨耗層的鋪裝厚度，但是,目前降低粗集料粒徑對超薄磨耗層長期抗滑性能的影響未知。

對以輝綠巖為粗集料的SMA-5、SMA-8和SMA-10等3種超薄磨耗層進行加速加載試驗，其擺值試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 加速加載試驗結(jié)果

如圖5所示，經(jīng)過100萬次循環(huán)加載后，SMA-10擺值的損失率約為33.04%，SMA-8為34.41%，SMA-5為40.11%。這表明超薄磨耗層中粗骨料的最大公稱粒徑同樣是影響擺值損失率的關(guān)鍵因素之一。

由于SMA-10和SMA-8中粗集料的尺寸大于SMA-5，超薄磨耗層中大粒徑的粗集料可以形成更好的表面紋理，因此在相同加載條件下，具有更大的擺值測量值。

2.3 超薄磨耗層擺值衰減規(guī)律及擬合分析

超薄磨耗層抗滑性能的衰減曲線接近于非線性指數(shù)函數(shù)關(guān)系，利用式(1)對5種超薄磨耗層擺值的衰減曲線進行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。

Y=A+B·e-kx

(1)

式中:Y為擺式摩擦系數(shù)；x為加載作用次數(shù)；A、B、k均為擬合系數(shù)。

圖6 擺值衰減規(guī)律

由圖6可知，指數(shù)擬合結(jié)果可以較為準(zhǔn)確地描述超薄磨耗層(R2≥0.985)抗滑性能(擺值)的衰減過程。分析擬合方程中的擬合參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，A值可以代表擺值穩(wěn)定值的預(yù)測，B值可以代表擺值損失值的預(yù)測值，A+B值可以代表擺值初始值的預(yù)測。

對擬合參數(shù)進一步分析，繪制擺值的初始值、穩(wěn)定值、損失值的實測值以及預(yù)測值(見圖7)。

圖7 擺值實測值和預(yù)測值比較

如圖7所示，模型中初始值的預(yù)測值與實際檢測結(jié)果相近，但穩(wěn)定值的預(yù)測值卻與實測值相差較大。這說明擺值的損失是一個長期過程，隨著加載次數(shù)增加還會進一步衰減并最終趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為了研究粗集料的種類和最大公稱粒徑對超薄磨耗層抗滑性能的影響，采用小型加速加載設(shè)備對5種不同超薄磨耗層進行100萬次加載試驗，并對采集的擺值數(shù)據(jù)進行了分析，主要結(jié)論如下：

1) 擺值的損失與磨耗層所使用的粗集料種類及最大公稱粒徑均關(guān)系密切。經(jīng)過100萬次加載后，石灰?guī)rSMA-8的擺值損失率比另外兩種SMA-8超薄磨耗層(輝綠巖、玄武巖)高6.8%，SMA-5的擺值損失率比SMA-10高7.1%。

2) 灰度關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果表明，粗集料的磨光損失值對超薄磨耗層的擺值衰減有顯著影響。建議增加磨光損失值作為評價粗集料性能的指標(biāo)。

3) 揭示了加速加載條件下不同粗集料類型、不同最大公稱粒徑超薄磨耗層擺值的衰變規(guī)律；超薄磨耗層的擺值在加載前期衰減較快，隨著加載次數(shù)增多，損失速率會逐漸減慢。非線性指數(shù)擬合模型可以較好地預(yù)測超薄磨耗層抗滑性能的衰減。