热拌超薄罩面Superpave-5抗滑性能影响因素分析

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(1．武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023； 2．普渡大学建筑建设管理系，印第安纳州 西拉法叶 47906； 3．印第安纳州交通运输厅，印第安纳州 西拉法叶 47906)

1 前 言

高性能沥青路面(Superior Performing Asphalt Pavement，简称Superpave)，是美国战略公路研究计划(SHRP)的研究成果之一。Superpave-5是公称最大粒径为4.75mm且采用Superpave设计方法制备的热拌沥青混合料超薄罩面，其铺装厚度仅为10～15mm，具有能迅速恢复路表功能、校正路表缺陷、节约养护成本以及提高资源利用率等优势，是一种新型的路面养护材料可用于沥青路面或水泥路面的预防性养护[1-2]。而且Superpave-5对结构自重和路面标高影响甚小，因此，也适用于桥面、高架或隧道等特殊路段。受到公称最大粒径的严格限制，Superpave-5路表纹理较小，往往会导致抗滑性能不足，对行车安全造成隐患[3-4]。实践证明，抗滑性能及其持久性不足已成为影响Superpave-5路面行车安全的关键问题，也是未来研究中亟待突破的方向。Williams[5]等通过试验路段对Superpave-5和Superpave-13路面抗滑性能进行观测，对比得出Superpave-5的抗滑性能良好，能适用于交通量不大的一般路面。Li[6]等通过对美国印第安纳州四条Superpave-5路面为期5年的抗滑性能观测，提出Superpave-5路面的总体抗滑性能不佳，具体表现为新建Superpave-5路面的抗滑系数通常较高，但通车后其抗滑系数急剧下降且1年后逐渐趋于稳定。Meegoda[7]等提出Superpave-5路面纹理较小、抗滑性能不佳的主要原因是其集料尺寸较小。Li[8]等通过室内试验研究提出，Superpave-5抗滑性能受其集料性质、级配、混合料体积指标等的影响。在影响Superpave-5抗滑性能的众多因素中，与其实际路面抗滑性能联系最为密切的关键因素才最值得我们关注和研究，然而目前针对Superpave-5抗滑性能关键因素的研究还未见报道。本文在室内试验的基础上，通过相关性分析建立矿料性质、混合料体积指标与六条Superpave-5路面通车1年后的抗滑系数之间的联系，从而获得影响Superpave-5沥青混合料抗滑性能的关键因素，为提高Superpave-5路面的抗滑性能提供理论依据。

2 试验用原材料

用于测试抗滑性能的六条Superpave-5路面分别位于美国印第安纳州的州道(SR32、SR64、SR29)和国道(US24、US40、US27)上。路面所用集料的种类由该路段的单轴荷载(ESAL)所决定，沥青等级由ESAL和当地的气候状况所决定，其原材料的具体组成百分比见表1。其中：抗磨耗集料(Polish Resistant Aggregates，简称PRA)、机制砂(Manufactured Fine Aggregates，简称MAF)、天然砂(Natural Sand，简称NS)、高炉矿渣(Blast Furnace Slag，简称BFS)、回收沥青瓦(Recycled Asphalt Shingles，简称RAS)、生产石料时产生的石粉(Agg Lime，简称AL)、矿渣砂(Slag Sand，简称SS)、石料拌和过程中所收集的粉尘(Baghouse Fines，简称BF)、空气污染设备所收集的石灰加工厂粉尘(Plant Fines，简称PF)和回收沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，简称RAP)。室内试验所使用的原材料均来自铺筑现场，与实际路面所用材料相同。

表1 六条Superpave-5路面的材料组成Table 1 Material compositions of six Superpave-5 test roads

3 Superpave-5路面抗滑系数测试结果

采用通车1年后路面的抗滑系数(Friction Number，简称FN)来表征Superpave-5的抗滑性能。抗滑系数采用ASTM E274中的锁轮式测定车测定，轮胎为光面轮胎，行车速度为40mph，试验结果见表2。

从表2中的路面抗滑系数测试结果可知，六条Superpave-5路面的抗滑系数均不大(15～50之间)，小于文献[9]中Superpave-13的抗滑系数，这进一步佐证了Superpave-5路面的抗滑性能低于集料粒径较大的Superpave路面。其中SR64和US24的抗滑系数达到了40以上，抗滑性能相对较好；SR32和US40的抗滑性能适中；而US27和SR29的抗滑系数较低，抗滑性能较差。除SR32外，各测试路面南、北行车道的抗滑系数的变化趋势基本一致，因此在下文分析中采用两车道抗滑系数的平均值。

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

4 Superpave-5路面抗滑性影响因素分析

4.1 集料及混合料体积指标对Superpave-5抗滑性的影响

沥青路面的抗滑性能与路表的纹理有关，包括宏观纹理和微观纹理。影响沥青路面纹理的因素十分复杂，除级配外，集料种类、来源、尺寸形状、表面形貌、耐磨性、细集料的棱角性和砂当量等均会对路表的纹理产生影响。集料诸多性能的交互作用使集料对路面抗滑性能的影响变得非常复杂，且集料的某些指标(如洛杉矶磨耗值等)不太适用于Superpave-5，目前在Superpave-5集料的众多性能指标中可控的是集料的种类、细集料棱角性和砂当量[10-11]。因此，本文在分析Superpave-5路面抗滑性影响因素时，集料的性能指标采用细集料棱角性和砂当量两个指标。

根据美国国家公路与运输协会标准(AASHTO)，采用旋转压实法成型试件，并分别对六条Superpave-5路面所用集料性质及混合料指标进行测试，包括0.075mm筛孔通过率(Filler)、贝雷法的三个参数(CA、FAc和FAf)、细集料棱角性(FAA)、砂当量(Se)、空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)和沥青饱和度(VFA)等指标，试验结果见表3。

表3 集料性质与混合料体积指标试验结果Table 3 Test results of properties of aggregates and volume indicators of mixture

采用斯皮尔曼等级相关系数来建立各指标与Superpave-5路面抗滑系数之间的关系。斯皮尔曼等级相关系数是用来反映两个变量相关程度的统计量，用R表示，其值为正时说明两个变量呈正相关，反之呈负相关，绝对值越大表明相关性越强[12-13]。得到的相关系数矩阵能很好地反映各影响因素之间的相互关系。当R的绝对值在0～0.19之间表示相关性极低；在0.2～0.39之间表示相关性低；在0.4～0.59之间表示相关性适中；0.6～0.79表示相关性高；0.8～1.0表示相关性极高。各指标与Superpave-5路面抗滑系数间的斯皮尔曼等级相关系数如图1所示，各指标间的斯皮尔曼等级相关系数矩阵见表4。

图1 各指标与FN间的斯皮尔曼等级相关系数Fig.1 Spearman rank correlations between FN and indicators

从图1可以看出，Filler、CA、FAA、VV和WMA与FN呈正相关，而FAc、FAf、Se和VFA与FN呈负相关。所有指标中与FN相关系数最大的是VV，相关系数为0.8281，属于相关性极高；其次是VFA，相关系数为-0.6571，属于高度相关；随后是FAA和FAc，相关系数分别为0.5508和-0.4058，属于中度相关；CA、FAf、Se和VMA相关系数均低于0.39，属于低度相关；Filler与FN的相关性极低。由此可见，VV和VFA是影响Superpave-5路面抗滑性能的主要因素，FAA和FAc对其抗滑性能的影响也不容忽视。增加VV和FAA与减小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观构造，微观构造及防止滑溜性污染三个因素构成[14]。空隙率是影响路面宏观构造的主要因素，VV越小路表构造深度也就越小，对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。结合表2～3的试验结果可知，US27和SR29的VV均为4%，通车1年后路面抗滑系数均较低，抗滑性能不理想。为了提高Superpave-5路面的抗滑性能，将VV提高到5%后，其余的几条Superpave-5路面的抗滑性能均得到了较大的改善。

表4 各指标间的斯皮尔曼等级相关系数矩阵Table 4 Spearman rank correlations matrix of the indicators

从表4可以看出，与FN高度相关的两个指标VV和VFA间存在着密切的联系，相关系数高达-0.8281，说明VV和VFA之间相关性高且呈负相关。当VV偏小时会造成沥青用量相对较多，从而使VFA偏高，高温时路面容易出现泛油。泛油使得沥青路面变得光滑，降低了路表的构造深度，从而导致路面抗滑性能下降。因此，VFA对沥青路面抗滑性的影响很大程度上受VV的影响。FAA与VV的相关系数最高为-0.8402，与VMA和VFA间的相关性适中，相关系数分别为-0.5218和0.5508。可见，FAA会对沥青混合料的体积指标产生影响。FAA主要受集料形状和表面形貌的影响，形状接近正方体且表面粗糙集料的FAA较大。研究表明FAA对路面的抗车辙性能影响显著，且沥青路面的车辙随着FAA的增大而降低[15-16]。而一般有车辙问题的路面都会有不同程度的抗滑性问题。由此可见，FAA越大对沥青路面抗滑性越有利。FAc反映了细集料中粗、细颗粒间的嵌挤和填充情况。FAc越大，表明细集料中起填充作用的细料颗粒含量越大，从而使细集料形成更为紧密的结构，过大的FAc会使混合料中细料含量过多，对路面抗滑性不利。

4.2 级配对Superpave-5抗滑性的影响

为了避免过多的细料或圆粒天然砂造成车辙、拥包等病害，Superpave级配设计时在最大密度曲线与0.3～2.36mm筛孔之间设置了一个限制区域，并采用控制点对Superpave-5的级配进行控制。近年研究表明，在集料的FAA与混合料的性能满足要求的情况下，限制区域对混合料的路用性能影响不大。因此，在AASHTO规范M323中取消了限制区，但仍然保留了控制点[17]。依照贝雷法的观点，1.18mm筛孔为Superpave-5主骨料和填隙料的分界筛孔，也就是第一控制筛孔(PCS)。当级配在PCS处的通过率大于控制点的通过率(39%)，即控制点在最大密度曲线(MDL)上的通过率，则该级配相对较细；反之则认为级配相对较粗。试验用级配与各Superpave-5路面实际级配相同，如图2所示。

图2 试验用级配Fig.2 Gradations used in the test

从图2中可以看出，除了SR64的级配在PCS处的通过率(39.9%)接近控制点外，其它路面的级配在PCS的通过率均大于控制点，级配曲线的绝大部分位于MDL上方，即均为较细级配。其中US27的级配曲线位于所有级配曲线的上方，级配最细，通车1年后路面的抗滑系数最小，仅为26.3，抗滑性能较差。此外，SR32和US40级配在1.18mm筛孔处通过率分别比SR64大4.2%和5.3%，抗滑系数分别比SR64小16.1和12.4。可见，级配中细料含量过大对路面抗滑性能不利。这是因为过大的细集料含量会降低路面的宏观纹理。可见，在一定范围内，适当降低PCS的通过率，有利于提高Superpave-5路面的抗滑性能。US24和US27的级配曲线很接近，但US24的抗滑系数高达43.4，而SR29的抗滑系数仅为25.5。这与两条路面的实际行车荷载和所用的材料有关，US24中使用了改性沥青，且集料中使用了更耐磨的机制砂。研究表明，使用改性沥青可以改善路表的微观纹理，从而提高路面的抗滑性能[8]。抗滑系数最高的两条试验路SR64和US24在2.36mm筛孔上集料的含量分别为29.5%和22.5%，大于其它路面。可见在一定范围内适当增加2.36mm筛孔上集料的含量对提高路面的抗滑性能有利。

为了进一步分析各筛孔通过率对Superpave-5路面抗滑性能的影响，采用灰关联熵分析方法，建立各筛孔通过率与路面抗滑系数间的关系，结果如图3所示。

图3 各筛孔通过率与路面抗滑系数间的灰熵关联度Fig.3 Gray Entropy Correlations between the passing rates and indicators

从图3可以看出，与Superpave-5路面抗滑性能相关性最大的筛孔是4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.6mm筛孔，灰熵关联度分别为0.9859、0.9861、0.9914和0.9846。可见，与路面抗滑系数相关性高的筛孔是集料中粒径相对较大的筛孔，其中1.18mm以上筛孔的集料共同构成了Superpave-5的主骨架，对抗滑性能有重要影响。因此，为了保证Superpave-5路面的抗滑性能，应对其主骨架级配进行优化设计。1.18mm筛孔通过率与路面抗滑系数间的相关性最高，对抗滑性的影响最大，这与前面级配分析所得到的结果一致。综合来看，优化Superpave-5主骨架级配和控制PCS的通过率，对提高Superpave-5超薄罩面的抗滑性能具有重要作用。

5 结 论

1.由于受到公称最大粒径的限制，Superpave-5混合料的抗滑系数整体偏小，抗滑性能不足。

2.VV和VFA是影响Superpave-5路面抗滑性能的主要因素，且VFA受VV的影响显著，两者间的斯皮尔曼等级相关系数高达0.8281，FAA和FAc对Superpave-5路面抗滑性能也有重要影响。增大VV和FAA、减小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筛孔通过率与Superpave-5路面抗滑性能密切相关，其中1.18mm筛孔通过率对Superpave-5路面抗滑性影响最为显著，是影响Superpave-5路面抗滑性能的关键筛孔。在一定范围内，适当降低1.18mm筛孔通过率、增大2.36mm筛孔上集料含量均有利于提高Superpave-5路面的抗滑性能。

4.综合来看，采用表面粗糙、耐磨性较好的集料来代替普通集料，使用改性沥青来代替基质沥青，优化Superpave-5主骨架级配和控制PCS的通过率，使级配走向位于PCS下方均对提高Superpave-5路面的抗滑性能具有重要作用。