瀝青混合料的長期抗滑性能評價指標

解曉光, 劉東旭， 陳 賀

(哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院, 哈爾濱 150090)

目前中國規范對瀝青路面抗滑指標的要求，主要是對原材料粗集料磨光值和瀝青路面交工驗收時橫向力系數和構造深度的要求，這些指標僅體現了瀝青混合料配合比設計時對原材料抗滑指標的要求和瀝青路面服役初期的抗滑性能. 對新建瀝青路面而言，這些抗滑指標-摩擦系數和構造深度均能滿足相應規范的要求，但在車輛荷載反復作用下，瀝青路面整體抗滑水平會有不同程度的衰減，一般在使用半年時由于輪胎的磨耗作用，使得瀝青路面表面的瀝青膜逐漸磨掉，露出集料的表面紋理，這時路面抗滑性能達到峰值，隨后隨著車輛輪胎的反復作用，集料表面豐富紋理逐漸磨光，使得瀝青路面的抗滑性能逐漸下降，并在3 a左右趨于穩定階段[1]. 因此，對于道路抗滑性能而言，更應關注路面在長期使用過程中抗滑性能的衰變情況，在抗滑性能達到穩定時使抗滑指標值仍能保持在一個較高范圍內. 同時中國優質石料資源有限，抗滑表層對原材料要求嚴格，如何既能保證瀝青路面表面層的功能性性能，尤其是長期抗滑性能，又能提高筑路當地資源利用率，成為道路工作者關心的問題. 近年來，文獻[2]針對法國優質集料匱乏的現狀，采用閃長巖和石灰巖粗集料混合，進行磨耗值和磨光值測試，證明摻配后集料的磨耗值和磨光值優于兩種石料中磨耗值和磨光值偏低的石料. 文獻[3]研究表明將具有高磨光值的石料與低磨光值的石料按不同比例混合能有效改善具有低磨光值石料的抗磨光性能. 文獻[4]對兩種集料間隔排列進行磨光值測試，發現摻配后集料的磨光值低于高磨光值集料的數值，但明顯高于低磨光值集料的數值，且提高幅度高達40%. 文獻[5]的研究指出：很多國家將不同種類的集料混合以提高路面的抗滑性. 文獻[6]采用天然砂和石灰巖細集料和玄武巖粗集料，研究不同細集料對瀝青路面抗滑性能的影響. 研究表明，細集料的性質影響瀝青混合料的構造深度，細集料為石灰巖石屑的瀝青混合料的構造深度明顯高于采用細集料為天然砂的，提高幅度達25%以上. 這些均表明通過將高磨光值和低磨光值的集料進行摻配，能夠提高磨光值較低集料的抗磨光性能[7]. 對優質集料匱乏地區，可以采用磨光值較高的集料進行摻配使用，不僅可以降低造價，而且提高瀝青路面的長期抗滑性能. 因此，本文在自制“溫控輪式加速磨光系統”的基礎上提出瀝青路面抗滑耐久性的評價指標，同時利用石灰巖和安山巖在磨光性和表面紋理等方面的差異，進行SMA瀝青混合料配合比優化設計，使瀝青路面在輪胎與路面交互作用過程中，實現路面表面宏觀構造和微觀構造的結構性再生，確保路面具有良好的抗滑耐久性.

1 試驗評價方法與原材料

本研究分別采用Form Talysurf PGI 1240機械觸針式輪廓儀[8]、粗集料磨光值試驗儀和自制的溫控輪式加速磨光系統測試的Ra指標(輪廓偏距的算術平均值)、磨光值和擺值終值用來評價集料表面紋理、集料的抗磨光性能和瀝青混合料的長期抗滑性能.

1.1 溫控輪式加速磨光系統

溫控輪式加速磨光系統由輪式加速磨光機和溫控系統組成，如圖1所示. 輪式加速磨光機主要由硬件系統和機器操控系統組成. 硬件系統由小車組件、輪胎組件、支架護欄、驅動系統、測壓系統及供水供砂系統組成，可實現自動調速供砂供水、通過加壓系統調整輪載大小，從而實現輪胎與路面間相互作用的真實模擬. 可以同時試驗4個方盤試件(30 cm×30 cm). 溫控系統可以實現-30～60 ℃控溫，精度≤0.005 ℃.

試驗條件：試驗溫度為(20±1) ℃，通過不同接地壓強的對比試驗，確定磨光程度適中的接地壓強為0.2 MPa[9]，撒水量為(35±5) mL/min，30號金剛砂用量為(8±2) g/min，作用次數為8 640次，磨光前期每180次、磨光中后期每540次時測量試件的擺值和構造深度，采用Asymptotic模型[10-11]進行試驗數據擬合，擺值終值作為瀝青混合料長期抗滑性能的評價指標.

1.2 原材料

選用來自不同產地的4種瀝青路面面層石料[12]，根據中國相關的試驗規程，測得各項集料技術指標見表1，均滿足相應規范[13]的技術要求：壓碎值≤26%,磨耗值≤28%,磨光值≥42 PSV. 瀝青采用盤錦90# SBS改性瀝青，各項技術指標見表2.

表1 集料主要技術指標

表2 90# SBS改性瀝青技術指標

2 集料的磨光性能

2.1 單一集料的磨光性能

為了解集料的長期磨光性能，按相應規范[14]要求制備4種集料的磨光試件，并將磨光時間從3 h延長至6 h. 測定15、30 min等不同磨光時間下的集料磨光值和表面紋理Ra，其變化趨勢如圖2所示.

由圖2可知，隨著磨光時間的增長，4種集料試件的磨光值基本呈現出先增大，后逐漸減小并最終趨于相對穩定的變化趨勢；表面紋理呈現逐漸減小的趨勢. 且從磨光過程中可見，安山巖2的磨光值最差，兩種石灰巖的表面紋理指標Ra相對較差.

2.2 摻配集料的磨光性能

為研究不同性質集料摻配后的抗磨光能力，選用磨光值不同的安山巖2和石灰巖2集料，分別按照1∶1、2∶1的質量比制備磨光試件，具體摻配方式如圖3所示. 與規范[14]的集料磨光值試驗步驟相同，只是延長試驗時間至6 h，測不同磨光時間下集料的磨光值，變化趨勢如圖4所示.

從圖4可以得出，將磨光值和表面紋理不同的兩種集料進行不同比例的摻配可以明顯提高集料的整體抗磨光性. 安山巖2和石灰巖2以2∶1比例混合后的集料磨光值提高了10.9%. 兩種集料的磨光值和表面紋理差別越大，越有利于提高摻配后集料的整體抗磨光性能. 研究成果還需從摻配后瀝青混合料的長期抗滑性能得以驗證.

(a)磨光值隨時間變化曲線

(b)Ra隨時間變化曲線

(a)摻配方式1 (b)摻配方式2

圖4 集料摻配后的磨光值曲線

3 瀝青混合料的長期抗滑性能

瀝青混合料級配采用的是SMA-13型級配中值，如圖5所示，木質素纖維摻量(質量分數)為0.3%，最佳瀝青用量為5.4%.

圖5 設計級配曲線

3.1 基于差異磨耗原理的集料摻配

差異磨耗原理體現在微觀與宏觀兩個方面. 微觀表現在單個集料上，由于其組成礦物含量和硬度的不同，導致集料在磨光過程中產生差異磨耗. 宏觀表現在不同耐磨性能的集料混合在一起，在長期磨光過程中，集料間產生差異磨耗，形成次生的宏觀紋理，從而保持瀝青路面具有良好的抗滑性能. 基于宏觀差異磨耗原理設計出不同性質集料不同摻配比例的瀝青混合料進行加速磨光試驗. 磨光過程中，根據觀察試件實際被磨光的情況，每隔一定時間，采用擺式摩擦系數測定儀和激光紋理測試儀進行擺值和構造深度的測定，以獲得試件抗滑性能變化曲線. 集料的摻配方式主要分為以下兩種：一種為粗集料不變，細集料分別采用安山巖和石灰巖，見表3；另一種為細集料不變，粗集料采用安山巖和石灰巖按不同(質量)比例進行摻配，見表4. 表中A1代表安山巖1,A2代表安山巖2,S1代表石灰巖1，S2代表石灰巖2；A1+S1表示粗集料為安山巖1，細集料為石灰巖1；70%A130%S1+A1表示粗集料為70%安山巖1和30%石灰巖1，細集料為安山巖1；80%A220%S2+A2表示粗集料為80%安山巖2和20%石灰巖2，細集料為安山巖2，其他依此類推.

3.2 不同性質細集料摻配后的抗滑性能

成型不同性質細集料摻配后的瀝青混合料試件(表3)，進行加速磨光試驗，試驗結果擬合曲線如圖6所示.

表3 第1種摻配方式

由圖6可以看出，不同性質細集料與粗集料摻配后的瀝青混合料試件的擺值和構造深度衰減過程均表現為磨光初期衰減較快，磨光后期衰減逐漸趨于緩慢，最終基本維持在某一穩定值. 文獻[15]對實體道路工程的跟蹤調查得出，瀝青路面摩擦系數在道路運營初期衰減速度較快，經過2～3 a后衰減趨于平緩，基本穩定在某一水平. 由此可見，室內研究結論與實體工程抗滑性能衰變規律一致. 同時，從變化曲線可以觀察到，抗滑指標處于穩定的階段是整條曲線的主體部分，這表明瀝青混合料抗滑指標穩定終值更能較好地評價于瀝青路面使用過程中的抗滑性能. 因此，將擺值穩定階段的最終值作為瀝青混合料長期抗滑性能的評價指標.

圖6還可以看出：1)利用不同性質粗細集料的礦物組成不同、表面紋理不同所形成的差異磨耗能夠不同程度地提高瀝青混合料的長期抗滑性能，提高幅度1～2 BPN；2)不同粗細集料制備出的瀝青混合料的構造深度與同一集料制備瀝青混合料的基本相同，說明細集料性質的改變對其宏觀構造基本沒有影響.

表4 第2種摻配方式

(a)粗集料為A1時，擺值衰減擬合曲線

(c)粗集料為A2時，擺值衰減擬合曲線

(b)粗集料為A1時，構造深度衰減擬合曲線

(d)粗集料為A2時，構造深度衰減擬合曲線

3.3 不同性質粗集料摻配后的抗滑性能

成型不同性質粗集料摻配后的瀝青混合料試件(表4)，進行加速磨光試驗，試驗結果擬合曲線如圖7所示.

(a)細集料A1時，擺值衰減曲線

(c)細集料A2時，擺值衰減曲線

(e)細集料S2時，擺值衰減曲線

(b)細集料A1時，構造深度衰減曲線

(d)細集料A2時，構造深度衰減曲線

(f)細集料S2時，構造深度衰減曲線

圖7 不同粗集料摻配后抗滑指標隨磨光作用次數變化

Fig.7 Changes of skid resistance with the number of polishing times after blending different coarse aggregates

由圖7可以看出，無論是何種摻配方式，瀝青混合料試件的擺值和構造深度的衰減均經歷了一個先急后緩，最終基本趨于穩定的過程：1)不同性質粗集料的摻配對瀝青混合料的宏觀構造(構造深度)影響不明顯，但對其微觀構造(擺值)影響較為顯著；2)圖7(c)可以得出，不同性質粗集料按不同比例摻配后的擺值明顯高于單一安山巖集料的擺值，提高了3 BPN；圖7(e)表明，對石灰巖2而言，不同性質粗集料的摻配可以提高其長期抗滑性能，摻配比例不同，提高幅度不同，最高可達5 BPN. 3)對比圖7(a)、7(c)、7(e)可以發現，石灰巖1和安山巖1摻配后的擺值提高幅度沒有石灰巖2和安山巖2摻配后提高幅度大，主要是由于石料A1與S1磨光值差異較小，相差僅0.8 PSV，而集料A2與S2磨光值差異相對較大，相差1.3 PSV，因此，圖7(c)、7(e)中A2與S2不同摻配比例下獲得的瀝青混合料在輪胎加速磨光過程中更容易產生差異磨耗，從而形成的再生的微觀紋理，表現出較高的擺值. 由此可見，基于不同性質集料間的差異磨耗，在一定范圍內，瀝青混合料所選用的兩種不同性質集料，其磨光值差別越大，在最佳摻配比例下，其摻配后瀝青混合料的長期抗滑性能表現得越好.

4 結 論

1)“溫控輪式加速磨光系統”可以用來評價路面的長期抗滑性能. 根據瀝青混合料磨光過程中構造深度和擺值的衰減變化規律，提出采用擺值衰減達到穩定階段的終值作為瀝青混合料長期抗滑性能的評價指標.

2)采用不同種類粗、細集料摻配制備的瀝青混合料，集料類型和摻配比例對瀝青混合料的宏觀構造(構造深度)影響不明顯，但對瀝青混合料的微觀構造(擺值)影響較顯著.

3)基于不同集料的差異磨耗原理，兩種集料磨光值的差異性越大，其摻配后瀝青混合料的長期抗滑性能表現得越好.

4)石灰巖所含硬質礦物含量少、耐磨性差，但通過與磨光值高、所含硬質礦物多的集料進行粗集料摻配，在最佳摻配比例下可以明顯提高摻配后瀝青混合料的長期抗滑性能，擺值穩定值可以提高5 BPN左右.