基于抗滑性能的SMA配合比设计

刘亚敏，韩 森，陈 德

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)



基于抗滑性能的SMA配合比设计

刘亚敏，韩 森，陈 德

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

为了研究各参数对SMA路面抗滑性能的影响并指导配合比设计，通过变化配合比设计相关参数，包括各控制筛孔通过率和沥青用量，进行正交试验设计。利用典型灰关联度量化各参数对抗滑性能的影响程度。结果表明：随着公称最大粒径通过率的增大，SMA路面的抗滑性能逐渐降低；对于SMA-13，随着9.5 mm筛孔通过率的增加，路面的抗滑性能先增大后减小；当关键筛孔4.75 mm通过率增大时，抗滑性能先减小后增大；随着2.36 mm筛孔通过率的增加，抗滑性能呈增大趋势；随着沥青用量的增加，SMA路面的抗滑性能逐渐降低；各参数对抗滑性能影响程度大小依次为：最大粒径通过率﹥关键筛孔通过率﹥沥青用量﹥最大粒径次一级筛孔通过率、关键筛孔次一级筛孔通过率。得出抗滑性能良好的SMA级配范围。

道路工程；抗滑特性；SMA；典型灰关联度；级配范围

目前高速公路日益频繁发生的交通事故已经成为一个世界性的难题，大量研究表明，路面的抗滑性能在减少交通事故方面发挥着不容忽视的重要作用[1-3]。因此，人们开始关注于沥青路面的抗滑性能，并进行了大量的研究，提出一些改善措施[4-5]。

配合比设计是影响沥青路面使用性能，包括抗滑性能在内的关键过程，因此如何合理地进行配合比设计，以保证沥青路面的抗滑性能满足使用要求，成为亟待解决的问题。现有研究多为分析交通量、集料特性等与抗滑性能的相关性，极少涉及到配合比设计相关参数，因此，笔者以SMA路面为例，分析配合比设计参数对混合料抗滑性能的影响规律，并利用灰关联分析技术量化各参数的影响程度，推荐抗滑性能良好的SMA级配范围，为指导SMA配合比设计提供理论依据。

1 灰关联分析技术

灰关联分析技术可以用于分析随机因素序列的关联性，确定影响系统的主要因素以及各因素对系统影响的差异，因此只需要较少的试验量，具有较高实用价值[6-8]。

灰色关联分析技术一般包括以下计算和分析步骤：确定参考序列和比较序列、做原始数据变换、求绝对差序列、计算关联系数、计算关联度、优势分析。邓氏灰关联系数r(x0(k),xi(k))和灰关联度的计算公式见式(1)和式(2)：

(1)

(2)

邓氏灰关联度对定量、客观评价事物内部各因素的关联性具有重大意义。但是，存在一些不足之处，如：只采用距离测度进行计算，并未涉及到斜率、斜率变化以及高阶差值变化率，导致数据可靠性降低；对于不同的数据未进行无量纲处理，不具有保序性；分辨系数一般取0.5，但是其取值不同会造成关联度的不同排序[9]。因此，众多学者在邓氏关联度的基础上提出了改进的关联度算法[10-13]，与其他关联度相比，典型灰关联度不仅考虑了平面距离差，而且还考虑了二阶及其以上的高阶斜率差值，并为每阶关联度都设置了相应的影响权因子，达到了与实际情况“无限接近”和“无线近似”。另外典型灰关联度数值分布广泛，可以有效避免由于计算误差而影响数据的可靠性。笔者决定采用典型灰关联度来分析SMA路面抗滑性能与各参数之间的相关性。

假设δ为差分，Δ为绝对差，i为行，k为列，m为阶数，n为总列数，D(m)为第m阶典型灰关联度，ωm为第m阶典型灰关联度的影响权因子。则典型灰关联度的计算步骤如下：

1)参考序列m阶差分

(3)

2)比较序列m阶差分

(4)

3)m阶绝对差

(5)

4)m阶邓氏灰关联系数

(6)

5)m阶邓氏灰关联度

(7)

6)m阶典型灰关联度

(8)

7)典型灰关联度

D(x0,xi)=D(0)(x0,xi)+D(1)(x0,xi)+L+

(9)

2 试验设计与测试结果

由于分析的配合比设计相关参数众多，为了减少试验次数，笔者采用正交设计方法安排试验方案。首先根据不同公称最大粒径将SMA路面分为4种情况，然后针对每种情况分别进行正交试验设计。其中试验因素分别为不同筛孔通过率(公称最大粒径通过率PNMSA、公称最大粒径次一级筛孔通过率PNMSA-1、关键筛孔通过率PCS、关键筛孔次一级筛孔通过率PCS-1)，沥青用量AC；使用L(45)正交设计表，共16×4=64种试验方案，SMA-16，SMA-13，SMA-10的级配中0.075 mm通过率均为10%，SMA-5的为12%。依据试验方案，成型板件，利用自主研发的沥青路面表面构造测试仪，对不同SMA路面的抗滑性能进行测试，评价指标为抗滑指数SI[14]，试验结果如表1。其中SI值越大，路面的抗滑性能越好。

表1 不同SMA路面抗滑性能试验结果

(续表1)

试验序号SMA⁃16SMA⁃13PNMSA/%PNMSA⁃1/%PCS/%PCS⁃1/%AC/%抗滑指数SIPNMSA/%PNMSA⁃1/%PCS/%PCS⁃1/%AC/%抗滑指数SI3907828216．24．258906629226．22．8934908532246．53．855907534266．52．5895936524216．51．294935024226．50．5106937120156．24．554935820186．23．7787937832155．93．728936634155．92．4628938528185．64．097937529185．62．8319966528245．93．872965029265．92．60610967132215．63．537965834225．62．27011967820186．52．353966620186．51．08312968524156．22．714967524156．21．445131006532186．22．0871005034186．20．816141007128156．51．4611005829156．50．677151007824245．62．1961006624185．60．926161008520155．91．8101007520155．90．539试验序号SMA⁃10SMA⁃5PNMSA/%PNMSA⁃1/%PCS/%PCS⁃1/%AC/%抗滑指数SIPNMSA/%PNMSA⁃1/%PCS/%PCS⁃1/%AC/%抗滑指数SI1902820145．63．912902822185．81．0632903924185．92．394904027216．20．8473905028226．21．680905232246．60．5144906032266．50．6969065362870．0555932824226．5-0．361932827247-1．1386933920186．21．884934022186．60．6097935032145．91．315935236186．2-0．3438936028185．61．569936532215．80．4629962828265．90．910962832286．2-0．15410963932225．60．579964036245．8011965020186．50．368965222217-0．09812966024146．20．617966527186．60．0178131002820186．20．1851002836216．6-0．184141003928146．5-1．1531004032187-1．808151005024185．60．2601005227215．8-0．848161006020145．91．0031006522186．20．198

3 测试结果分析

3.1 影响规律分析

以SMA-13为例，对测试结果进行直观分析，绘制各个参数，包括各筛孔通过率和油石比，对抗滑性能的效应曲线，分析其影响规律。

3.1.1 公称最大粒径通过率的影响

图1为公称最大粒径通过率对SMA路面抗滑性能的效应曲线。其中横坐标水平1，2，3，4分别表示公称最大粒径通过率为90%，93%，96%，100%。可以看出，随着公称最大粒径通过率的增大，SMA路面的抗滑性能逐渐降低，这主要是由于公称最大粒径的石料可以提供骨架作用，形成较大的表面构造，当公称最大粒径通过率增大时，即意味着较小粒径的石料增多，形成的表面构造也呈减小趋势，因此抗滑性能降低。

图1 公称最大粒径对SMA路面抗滑性能的效应曲线

3.1.2 各控制筛孔通过率的影响

绘制各控制筛孔通过率，包括公称最大粒径次一级筛孔、关键筛孔、关键筛孔次一级筛孔，对SMA路面抗滑性能的效应曲线，如图2。其中横坐标上第1段曲线水平1，2，3，4分别为9.5 mm通过率为50%，58%，66%，75%；第2段曲线水平1，2，3，4分别为4.75 mm通过率为20%，24%，29%，34%；第3段曲线水平1，2，3，4分别为2.36 mm通过率为15%，18%，22%，26%。

图2 各控制筛孔通过率对SMA-16路面抗滑性能的效应曲线

由图2可见，对于SMA-13，随着9.5 mm筛孔通过率的增加，路面的抗滑性能先增大后减小；当关键筛孔4.75 mm通过率增大时，抗滑性能先减小后增大；随着2.36 mm筛孔通过率的增加，抗滑性能呈增大趋势。

3.1.3 沥青用量的影响

图3为沥青用量对SMA路面抗滑性能的效应曲线。其中横坐标水平1，2，3，4分别表示沥青用量为5.6%，5.9%，6.2%，6.5%。

图3 沥青用量对SMA路面抗滑性能的效应曲线

由图3可见，随着沥青用量的增加，SMA路面的抗滑性能逐渐降低，这主要是由于当沥青用量较小时，路面表面的构造主要由集料形成，随着沥青用量的增多，逐渐填充了由集料所形成的构造，造成路面抗滑性能的减小。

3.2 灰关联计算结果与分析

首先利用均值法对试验数据进行无量纲化处理，消除量纲的影响，使数据具有可比性。利用式(3)～式(9)计算各因素与路面抗滑性能的各阶邓氏灰关联度以及各阶典型灰关联度，最终得到典型灰关联度，如表2。

表2 典型灰关联度计算结果

各因素对SMA路面抗滑性能的影响程度从大到小依次为：公称最大粒径通过率>关键筛孔通过率>沥青用量>公称最大粒径次一级筛孔通过率、关键筛孔次一级筛孔通过率、集料类型。可以看出，适宜的级配和沥青用量可以大大改善SMA路面的抗滑性能。

3.3 SMA建议级配范围

通过前面研究发现，各筛孔通过率和油石比对SMA路面的抗滑性能均有不同程度的影响，因此，根据研究成果并参考现行规范规定，推荐出具有良好抗滑性能的SMA级配范围，如表3。

表3 SMA建议抗滑级配范围

4 结 论

1)随着公称最大粒径通过率的增大，SMA路面的抗滑性能逐渐降低；随着沥青用量的增加，SMA路面的抗滑性能逐渐降低。

2)对于SMA-13，随着9.5 mm筛孔通过率的增加，路面的抗滑性能先增大后减小；当关键筛孔4.75 mm通过率增大时，抗滑性能先减小后增大；随着2.36 mm筛孔通过率的增加，抗滑性能呈增大趋势。

3)典型灰关联度分析结果表明，公称最大粒径通过率、关键筛孔通过率和沥青用量是影响路面抗滑性能的重要因素，在配合比过程中应严格控制。

4)适宜的级配和沥青用量可以大大改善SMA路面的抗滑性能。

5)总结研究成果，推荐出抗滑性能良好的SMA级配范围。

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Mixture Proportion Design for Stone Mastic Asphalt Pavement Based on Skid-Resistance Performance

Liu Yamin, Han Sen, Chen De

(Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to study the skid-resistance performance of Stone Mastic Asphalt pavement (SMA) and provide advice for the mixture proportion design, several primary parameters in mixture proportion design for SMA, such as the percentage passing through the key sieve size and asphalt content, were taken as factors and the orthogonal experiment design was established. The effects of these factors on the skid resistance were studied and the typical gray correlation degree was introduced to quantify the influence of primary parameters on skid resistance. The results indicate that: with the increase of the percentage passing through the maximum size of aggregate and asphalt content, the skid-resistance performance of SMA is reduced; for the skid-resistance performance of SMA-13, when the percentage passing through the sieve size of 9.5 mm grows, it is increased firstly and then decreased; the trend of the skid-resistance performance is contrary when the percentage passing through the sieve size of 4.75 mm is increased; for the sieve size of 2.36 mm, the skid-resistance performance is inclined to increase gradually; and with the increase of asphalt content, the skid-resistance performance of SMA is inclined to decrease gradually. The influence degree of various parameters on the skid resistance follows in a descending order as: the passing percentage of the maximum size of aggregate, percentage passing through the key sieve size, asphalt content, the percentage passing of maximum size of aggregate through the sub-tissue sieve size, the percentage passing through the sub-tissue sieve size. Finally, based on the above research results, the gradation range for SMA with better skid resistance is recommended.

road engineering; skid-resistance; Stone Mastic Asphalt (SMA); typical gray correlation degree; gradation range

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.09

2014-02-01；

2014-06-08

陕西省高速公路建设集团项目(KY08-01)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2013G1211007)

刘亚敏(1981—)，女，河北保定人，讲师，工学博士，主要从事路面工程方面的研究。E-mail: liouyamin1234@163.com。

U414.3

A

1674-0696(2015)04-052-05