集料配合比設(shè)計參數(shù)對瀝青路面抗滑性能的影響

王 莉

（山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261000）

路面抗滑性能是指路面阻止車輪沿路面滑動的摩擦力，研究表明，當滑阻低于某一閾值時，會導(dǎo)致道路交通的事故風(fēng)險增加[1]，因此，路面的抗滑性能是影響行車安全的重要設(shè)計參數(shù)。路面抗滑力由車輪附著力及滯后力組成，路面抗滑力主要取決于路面的表面紋理[2]。

建立路面三維模型并計算路面粗糙度參數(shù)，采用該參數(shù)對路面微紋理、宏紋理和巨紋理進行評估[3]。瀝青路面是由不同粒徑的集料以及瀝青組成的，其質(zhì)地受集料類型、集料粒徑和混合料類型等因素影響，以往主要研究如何體現(xiàn)路面表面質(zhì)地以及不同因素對路面抗滑性能的影響。但在同類型集料和混合料條件下，混合料設(shè)計參數(shù)對路面抗滑性能的影響研究較少。在實際工程中，集料和混合料類型保持一致，因此，路面的抗滑性能主要取決于配合比設(shè)計參數(shù)，如級配、瀝青含量等。該文采用正交試驗設(shè)計不同級配的混合料，其中包括不同的影響因素，每個影響因素共有4 個水平。利用三維測量的模型計算路面抗滑指數(shù)（SI）評價抗滑性能。

1 試驗材料及配合比設(shè)計

1.1 試驗材料

該文選用的瀝青原料為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性瀝青，改性瀝青與SK90#原瀝青和SBS 按3 ∶100（質(zhì)量比）的比例混合。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）對其性能進行測試，測試結(jié)果見表1。該文采用的粗細集料類型均為片麻巖，礦物填料采用研磨的石灰石。對集料性能進行測試，集料各項性能指標見表2。

表1 SBS 改性瀝青的各項性能指標

表2 集料的物理特性

1.2 瀝青混合料配合比設(shè)計

該文采用4 種不同尺寸（NMAS）的SMA，包括SMA-16、SMA-13、SMA-10 和SMA-5，采用馬歇爾混合料的設(shè)計程序?qū)旌狭吓浜媳冗M行設(shè)計。目標空隙率（VV）為3.5%，最佳瀝青含量（OAC）按國家標準《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）進行計算。SMA-16、SMA-13、SMA-10 和SMA-5 的OAC分別為5.7%、6.3%、6.5%和6.6%。對SMA 路面來說，須對粗集料中的空隙率進行檢測，在過程中有一個可調(diào)的篩孔尺寸（PCS）。根據(jù)相關(guān)標準，SMA-16 和SMA-13 的PCS均為4.75mm，SMA-10 和SMA-5 的PCS分別為2.36mm 和1.18mm，PNMSA和PCS是SMA 級配設(shè)計的關(guān)鍵影響因素。此外，路面表面紋理也受AC的影響，因此，該文選擇PNMSA、PNMSA-1、PCS、PCS-1和AC作為混合料設(shè)計的影響因素。

由于該文中混合料設(shè)計涉及多個影響因素和水平，因此，該研究選擇正交試驗設(shè)計（OED），基于設(shè)計正交性，該文運用OED 分析配合比設(shè)計參數(shù)對SMA 路面抗滑性能的影響，根據(jù)分級范圍，確定與分級相關(guān)4 個參數(shù)（PNMSA、PNMSA-1、PCS和PCS-1）的值，根據(jù)OAC選取AC值。其中，SMA-16、SMA-13 的影響因素和水平見表3 和表4。

表3 SMA-16 的影響因素及水平

表4 SMA-13 的影響因素及水平

假設(shè)任意2 個因素間沒有相互作用，采用SI指數(shù)評價路面抗滑性能，對各影響因素在常數(shù)水平i 的校驗值進行求和，得到相應(yīng)水平的均值（ki）和極差（R），計算如公式（1）和如公式（2）所示。

式中：ki為在某一水平i（i=1、2、3、4）下各影響因素SI的平均值，ki越高，路面抗滑性能越好。對每個因素來說，kmax在4 個水平中最大，kmin最小，R為不同因素的影響程度，R值越高，對路面抗滑性能的影響越大。

2 瀝青路面表面紋理表征

關(guān)于粗糙表面的三維幾何特征表征，需要對有代表性的參數(shù)進行評價，因此，評價可能會比較片面，無法對粗糙表面進行全面、準確地分析及表征[4]。研究人員提出5個典型的三維評價參數(shù)定量表示集料的紋理特征[5]，包括基本傾角在整個表面上的均值（θs）、節(jié)理表面梯度均方根（Z2s）、表觀各向異性程度（Ka）、表面粗糙度系數(shù)（Rs）和表面彎曲系數(shù)（Ts）。以上參數(shù)不受集料軸向的影響，能夠準確地反映三維集料紋理面的幾何特征。此外，5 個參數(shù)對表面幾何形狀變化的靈敏度也不同，因此適用性較好。

該文選取上述5 個參數(shù)說明路面紋理特征，采用SI 評價路面抗滑性能，試件幾何尺寸為300mm（長）×300mm（寬）×50mm（高），采用3 個相同混合料類型和級配的SMA 試件，由于圖像采集的數(shù)據(jù)量較大，因此對計算速度和效率有很大的影響，因為集料粒徑存在顯著差異，所以計算面積根據(jù)混合料類型選擇。SMA-16 和SMA-13 的分析面積約為100mm（長）×100mm（寬），而SMA-10 和SMA-5的分析面積為55mm（長）×55mm（寬），每個試件在不同位置測試3 次。

2.1 創(chuàng)建三維模型

利用相機采集路面紋理圖像，采用噴涂顯影劑和濾波過濾等方式對圖像進行處理。將處理后的照片輸入計算機，建立路面紋理的三維模型。

2.2 抗滑性能計算

基于路面紋理三維模型，可以得到5 個參數(shù)（θs、Z2s、Ka、Rs、Ts），SI的值表示路面抗滑能力，采用主成分分析（PCA）的方式分析這5 個參數(shù)與SI的關(guān)系，計算SI如公式（3）～公式（5）所示，其中Z1、Z2為累積成分函數(shù)，SI值越高，路面抗滑性能越好。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 NMAS 對路面抗滑性能的影響

采用SI評價路面抗滑性能，ki為每個影響因素在一定水平i（i=1、2、3、4）下SI的平均值，R為不同影響因素的影響程度。

PNMAS與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系如圖1 所示，由圖1可知，隨著PNMAS增加，路面抗滑性逐漸降低，其中PNMAS是通過最大尺寸聚集體的百分比，PNMAS較低說明更多的集料團聚體留在了篩上，瀝青路面的宏觀結(jié)構(gòu)主要由粗集料構(gòu)成，粒徑大于公稱最大粒徑的集料含量，使混合料的宏觀結(jié)構(gòu)更多，路面抗滑性能更好。

圖1 PNMAS 與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系

3.2 集料篩分率對路面抗滑性能的影響

SMA 路面通過控制篩的百分比與防滑力間的關(guān)系，如圖2 所示，隨著PCS增加，不同類型混合料的ki變化趨勢基本一致，均為先減少后增加，說明隨著PCS增加，SMA路面的抗滑性能先降低后提高。對PNMAS-1和PCS-1來說，ki有不同的混合料類型和影響因素水平，而ki值變化不大，說明PNMAS-1和PCS-1對路面抗滑性能的影響不明顯。

圖2 篩孔通過率與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系

3.3 AC 對路面抗滑性能的影響

AC與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系如圖3 所示，不同混合料類型的ki隨AC增加而逐漸減少，說明路面的抗滑性能降低。當AC增加時，瀝青膜變厚，宏觀結(jié)構(gòu)變小，導(dǎo)致路面抗滑性能降低。研究結(jié)果表明，SMA-5 的ki變化趨勢與其他類型的SMA 不同。ki隨AC增加先增加后減少，當團聚體變少至一定尺寸時，試件在壓實過程中可能導(dǎo)致團聚體重排，從而導(dǎo)致混合料級配異常，對路面的抗滑性能有影響。

圖3 AC 與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系

4 結(jié)語

該文主要研究結(jié)論如下：1）PNMSA、PCS、AC這3 個參數(shù)是提高路面抗滑性能的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。其中PNMSA對抗滑性能的影響最大，AC，PCS對路面抗滑性能的影響最小；上述參數(shù)對路面抗滑性能的影響程度總體高于PNMSA-1及PCS-1；SMA 路面的抗滑性能隨著PNMSA和AC增加而逐漸降低，隨著PCS 增加先減少后增加。2）對PNMAS-1和PCS-1來說，SMA 路面在不同混合料類型和影響因素水平下的抗滑性能存在差異，但二者之間無明顯不同，表明PNMAS-1和PCS-1對SMA 路面的抗滑性能影響較小，當集料粒徑足夠小時，混合料壓實條件會對路面抗滑性能產(chǎn)生影響。