熱拌超薄罩面Superpave-5抗滑性能影響因素分析

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(1．武漢輕工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023； 2．普渡大學建筑建設管理系，印第安納州 西拉法葉 47906； 3．印第安納州交通運輸廳，印第安納州 西拉法葉 47906)

1 前 言

高性能瀝青路面(Superior Performing Asphalt Pavement，簡稱Superpave)，是美國戰略公路研究計劃(SHRP)的研究成果之一。Superpave-5是公稱最大粒徑為4.75mm且采用Superpave設計方法制備的熱拌瀝青混合料超薄罩面，其鋪裝厚度僅為10～15mm，具有能迅速恢復路表功能、校正路表缺陷、節約養護成本以及提高資源利用率等優勢，是一種新型的路面養護材料可用于瀝青路面或水泥路面的預防性養護[1-2]。而且Superpave-5對結構自重和路面標高影響甚小，因此，也適用于橋面、高架或隧道等特殊路段。受到公稱最大粒徑的嚴格限制，Superpave-5路表紋理較小，往往會導致抗滑性能不足，對行車安全造成隱患[3-4]。實踐證明，抗滑性能及其持久性不足已成為影響Superpave-5路面行車安全的關鍵問題，也是未來研究中亟待突破的方向。Williams[5]等通過試驗路段對Superpave-5和Superpave-13路面抗滑性能進行觀測，對比得出Superpave-5的抗滑性能良好，能適用于交通量不大的一般路面。Li[6]等通過對美國印第安納州四條Superpave-5路面為期5年的抗滑性能觀測，提出Superpave-5路面的總體抗滑性能不佳，具體表現為新建Superpave-5路面的抗滑系數通常較高，但通車后其抗滑系數急劇下降且1年后逐漸趨于穩定。Meegoda[7]等提出Superpave-5路面紋理較小、抗滑性能不佳的主要原因是其集料尺寸較小。Li[8]等通過室內試驗研究提出，Superpave-5抗滑性能受其集料性質、級配、混合料體積指標等的影響。在影響Superpave-5抗滑性能的眾多因素中，與其實際路面抗滑性能聯系最為密切的關鍵因素才最值得我們關注和研究，然而目前針對Superpave-5抗滑性能關鍵因素的研究還未見報道。本文在室內試驗的基礎上，通過相關性分析建立礦料性質、混合料體積指標與六條Superpave-5路面通車1年后的抗滑系數之間的聯系，從而獲得影響Superpave-5瀝青混合料抗滑性能的關鍵因素，為提高Superpave-5路面的抗滑性能提供理論依據。

2 試驗用原材料

用于測試抗滑性能的六條Superpave-5路面分別位于美國印第安納州的州道(SR32、SR64、SR29)和國道(US24、US40、US27)上。路面所用集料的種類由該路段的單軸荷載(ESAL)所決定，瀝青等級由ESAL和當地的氣候狀況所決定，其原材料的具體組成百分比見表1。其中：抗磨耗集料(Polish Resistant Aggregates，簡稱PRA)、機制砂(Manufactured Fine Aggregates，簡稱MAF)、天然砂(Natural Sand，簡稱NS)、高爐礦渣(Blast Furnace Slag，簡稱BFS)、回收瀝青瓦(Recycled Asphalt Shingles，簡稱RAS)、生產石料時產生的石粉(Agg Lime，簡稱AL)、礦渣砂(Slag Sand，簡稱SS)、石料拌和過程中所收集的粉塵(Baghouse Fines，簡稱BF)、空氣污染設備所收集的石灰加工廠粉塵(Plant Fines，簡稱PF)和回收瀝青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，簡稱RAP)。室內試驗所使用的原材料均來自鋪筑現場，與實際路面所用材料相同。

表1 六條Superpave-5路面的材料組成Table 1 Material compositions of six Superpave-5 test roads

3 Superpave-5路面抗滑系數測試結果

采用通車1年后路面的抗滑系數(Friction Number，簡稱FN)來表征Superpave-5的抗滑性能?？够禂挡捎肁STM E274中的鎖輪式測定車測定，輪胎為光面輪胎，行車速度為40mph，試驗結果見表2。

從表2中的路面抗滑系數測試結果可知，六條Superpave-5路面的抗滑系數均不大(15～50之間)，小于文獻[9]中Superpave-13的抗滑系數，這進一步佐證了Superpave-5路面的抗滑性能低于集料粒徑較大的Superpave路面。其中SR64和US24的抗滑系數達到了40以上，抗滑性能相對較好；SR32和US40的抗滑性能適中；而US27和SR29的抗滑系數較低，抗滑性能較差。除SR32外，各測試路面南、北行車道的抗滑系數的變化趨勢基本一致，因此在下文分析中采用兩車道抗滑系數的平均值。

表2 各Superpave-5路面通車1年后抗滑系數Table 2 Friction numbers of the Superpave-5 test roads after one year in service

4 Superpave-5路面抗滑性影響因素分析

4.1 集料及混合料體積指標對Superpave-5抗滑性的影響

瀝青路面的抗滑性能與路表的紋理有關，包括宏觀紋理和微觀紋理。影響瀝青路面紋理的因素十分復雜，除級配外，集料種類、來源、尺寸形狀、表面形貌、耐磨性、細集料的棱角性和砂當量等均會對路表的紋理產生影響。集料諸多性能的交互作用使集料對路面抗滑性能的影響變得非常復雜，且集料的某些指標(如洛杉磯磨耗值等)不太適用于Superpave-5，目前在Superpave-5集料的眾多性能指標中可控的是集料的種類、細集料棱角性和砂當量[10-11]。因此，本文在分析Superpave-5路面抗滑性影響因素時，集料的性能指標采用細集料棱角性和砂當量兩個指標。

根據美國國家公路與運輸協會標準(AASHTO)，采用旋轉壓實法成型試件，并分別對六條Superpave-5路面所用集料性質及混合料指標進行測試，包括0.075mm篩孔通過率(Filler)、貝雷法的三個參數(CA、FAc和FAf)、細集料棱角性(FAA)、砂當量(Se)、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)和瀝青飽和度(VFA)等指標，試驗結果見表3。

表3 集料性質與混合料體積指標試驗結果Table 3 Test results of properties of aggregates and volume indicators of mixture

采用斯皮爾曼等級相關系數來建立各指標與Superpave-5路面抗滑系數之間的關系。斯皮爾曼等級相關系數是用來反映兩個變量相關程度的統計量，用R表示，其值為正時說明兩個變量呈正相關，反之呈負相關，絕對值越大表明相關性越強[12-13]。得到的相關系數矩陣能很好地反映各影響因素之間的相互關系。當R的絕對值在0～0.19之間表示相關性極低；在0.2～0.39之間表示相關性低；在0.4～0.59之間表示相關性適中；0.6～0.79表示相關性高；0.8～1.0表示相關性極高。各指標與Superpave-5路面抗滑系數間的斯皮爾曼等級相關系數如圖1所示，各指標間的斯皮爾曼等級相關系數矩陣見表4。

圖1 各指標與FN間的斯皮爾曼等級相關系數Fig.1 Spearman rank correlations between FN and indicators

從圖1可以看出，Filler、CA、FAA、VV和WMA與FN呈正相關，而FAc、FAf、Se和VFA與FN呈負相關。所有指標中與FN相關系數最大的是VV，相關系數為0.8281，屬于相關性極高；其次是VFA，相關系數為-0.6571，屬于高度相關；隨后是FAA和FAc，相關系數分別為0.5508和-0.4058，屬于中度相關；CA、FAf、Se和VMA相關系數均低于0.39，屬于低度相關；Filler與FN的相關性極低。由此可見，VV和VFA是影響Superpave-5路面抗滑性能的主要因素，FAA和FAc對其抗滑性能的影響也不容忽視。增加VV和FAA與減小VFA和FAc均能提高Superpave-5路面的抗滑性能。

路面良好的抗滑能力主要是由路面的宏觀構造，微觀構造及防止滑溜性污染三個因素構成[14]?？障堵适怯绊懧访婧暧^構造的主要因素，VV越小路表構造深度也就越小，對路面的抗滑性能不利，由此可知增大VV可有效提高路面的抗滑性能。結合表2～3的試驗結果可知，US27和SR29的VV均為4%，通車1年后路面抗滑系數均較低，抗滑性能不理想。為了提高Superpave-5路面的抗滑性能，將VV提高到5%后，其余的幾條Superpave-5路面的抗滑性能均得到了較大的改善。

表4 各指標間的斯皮爾曼等級相關系數矩陣Table 4 Spearman rank correlations matrix of the indicators

從表4可以看出，與FN高度相關的兩個指標VV和VFA間存在著密切的聯系，相關系數高達-0.8281，說明VV和VFA之間相關性高且呈負相關。當VV偏小時會造成瀝青用量相對較多，從而使VFA偏高，高溫時路面容易出現泛油。泛油使得瀝青路面變得光滑，降低了路表的構造深度，從而導致路面抗滑性能下降。因此，VFA對瀝青路面抗滑性的影響很大程度上受VV的影響。FAA與VV的相關系數最高為-0.8402，與VMA和VFA間的相關性適中，相關系數分別為-0.5218和0.5508?？梢姡現AA會對瀝青混合料的體積指標產生影響。FAA主要受集料形狀和表面形貌的影響，形狀接近正方體且表面粗糙集料的FAA較大。研究表明FAA對路面的抗車轍性能影響顯著，且瀝青路面的車轍隨著FAA的增大而降低[15-16]。而一般有車轍問題的路面都會有不同程度的抗滑性問題。由此可見，FAA越大對瀝青路面抗滑性越有利。FAc反映了細集料中粗、細顆粒間的嵌擠和填充情況。FAc越大，表明細集料中起填充作用的細料顆粒含量越大，從而使細集料形成更為緊密的結構，過大的FAc會使混合料中細料含量過多，對路面抗滑性不利。

4.2 級配對Superpave-5抗滑性的影響

為了避免過多的細料或圓粒天然砂造成車轍、擁包等病害，Superpave級配設計時在最大密度曲線與0.3～2.36mm篩孔之間設置了一個限制區域，并采用控制點對Superpave-5的級配進行控制。近年研究表明，在集料的FAA與混合料的性能滿足要求的情況下，限制區域對混合料的路用性能影響不大。因此，在AASHTO規范M323中取消了限制區，但仍然保留了控制點[17]。依照貝雷法的觀點，1.18mm篩孔為Superpave-5主骨料和填隙料的分界篩孔，也就是第一控制篩孔(PCS)。當級配在PCS處的通過率大于控制點的通過率(39%)，即控制點在最大密度曲線(MDL)上的通過率，則該級配相對較細；反之則認為級配相對較粗。試驗用級配與各Superpave-5路面實際級配相同，如圖2所示。

圖2 試驗用級配Fig.2 Gradations used in the test

從圖2中可以看出，除了SR64的級配在PCS處的通過率(39.9%)接近控制點外，其它路面的級配在PCS的通過率均大于控制點，級配曲線的絕大部分位于MDL上方，即均為較細級配。其中US27的級配曲線位于所有級配曲線的上方，級配最細，通車1年后路面的抗滑系數最小，僅為26.3，抗滑性能較差。此外，SR32和US40級配在1.18mm篩孔處通過率分別比SR64大4.2%和5.3%，抗滑系數分別比SR64小16.1和12.4。可見，級配中細料含量過大對路面抗滑性能不利。這是因為過大的細集料含量會降低路面的宏觀紋理。可見，在一定范圍內，適當降低PCS的通過率，有利于提高Superpave-5路面的抗滑性能。US24和US27的級配曲線很接近，但US24的抗滑系數高達43.4，而SR29的抗滑系數僅為25.5。這與兩條路面的實際行車荷載和所用的材料有關，US24中使用了改性瀝青，且集料中使用了更耐磨的機制砂。研究表明，使用改性瀝青可以改善路表的微觀紋理，從而提高路面的抗滑性能[8]。抗滑系數最高的兩條試驗路SR64和US24在2.36mm篩孔上集料的含量分別為29.5%和22.5%，大于其它路面?？梢娫谝欢ǚ秶鷥冗m當增加2.36mm篩孔上集料的含量對提高路面的抗滑性能有利。

為了進一步分析各篩孔通過率對Superpave-5路面抗滑性能的影響，采用灰關聯熵分析方法，建立各篩孔通過率與路面抗滑系數間的關系，結果如圖3所示。

圖3 各篩孔通過率與路面抗滑系數間的灰熵關聯度Fig.3 Gray Entropy Correlations between the passing rates and indicators

從圖3可以看出，與Superpave-5路面抗滑性能相關性最大的篩孔是4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.6mm篩孔，灰熵關聯度分別為0.9859、0.9861、0.9914和0.9846?？梢姡c路面抗滑系數相關性高的篩孔是集料中粒徑相對較大的篩孔，其中1.18mm以上篩孔的集料共同構成了Superpave-5的主骨架，對抗滑性能有重要影響。因此，為了保證Superpave-5路面的抗滑性能，應對其主骨架級配進行優化設計。1.18mm篩孔通過率與路面抗滑系數間的相關性最高，對抗滑性的影響最大，這與前面級配分析所得到的結果一致。綜合來看，優化Superpave-5主骨架級配和控制PCS的通過率，對提高Superpave-5超薄罩面的抗滑性能具有重要作用。

5 結 論

1.由于受到公稱最大粒徑的限制，Superpave-5混合料的抗滑系數整體偏小，抗滑性能不足。

2.VV和VFA是影響Superpave-5路面抗滑性能的主要因素，且VFA受VV的影響顯著，兩者間的斯皮爾曼等級相關系數高達0.8281，FAA和FAc對Superpave-5路面抗滑性能也有重要影響。增大VV和FAA、減小VFA和FAc均有利于提高Superpave-5路面的抗滑性能。

3.4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.6mm篩孔通過率與Superpave-5路面抗滑性能密切相關，其中1.18mm篩孔通過率對Superpave-5路面抗滑性影響最為顯著，是影響Superpave-5路面抗滑性能的關鍵篩孔。在一定范圍內，適當降低1.18mm篩孔通過率、增大2.36mm篩孔上集料含量均有利于提高Superpave-5路面的抗滑性能。

4.綜合來看，采用表面粗糙、耐磨性較好的集料來代替普通集料，使用改性瀝青來代替基質瀝青，優化Superpave-5主骨架級配和控制PCS的通過率，使級配走向位于PCS下方均對提高Superpave-5路面的抗滑性能具有重要作用。