集料配合比设计参数对沥青路面抗滑性能的影响

王 莉

（山东交通职业学院，山东 潍坊 261000）

路面抗滑性能是指路面阻止车轮沿路面滑动的摩擦力，研究表明，当滑阻低于某一阈值时，会导致道路交通的事故风险增加[1]，因此，路面的抗滑性能是影响行车安全的重要设计参数。路面抗滑力由车轮附着力及滞后力组成，路面抗滑力主要取决于路面的表面纹理[2]。

建立路面三维模型并计算路面粗糙度参数，采用该参数对路面微纹理、宏纹理和巨纹理进行评估[3]。沥青路面是由不同粒径的集料以及沥青组成的，其质地受集料类型、集料粒径和混合料类型等因素影响，以往主要研究如何体现路面表面质地以及不同因素对路面抗滑性能的影响。但在同类型集料和混合料条件下，混合料设计参数对路面抗滑性能的影响研究较少。在实际工程中，集料和混合料类型保持一致，因此，路面的抗滑性能主要取决于配合比设计参数，如级配、沥青含量等。该文采用正交试验设计不同级配的混合料，其中包括不同的影响因素，每个影响因素共有4 个水平。利用三维测量的模型计算路面抗滑指数（SI）评价抗滑性能。

1 试验材料及配合比设计

1.1 试验材料

该文选用的沥青原料为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性沥青，改性沥青与SK90#原沥青和SBS 按3 ∶100（质量比）的比例混合。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对其性能进行测试，测试结果见表1。该文采用的粗细集料类型均为片麻岩，矿物填料采用研磨的石灰石。对集料性能进行测试，集料各项性能指标见表2。

表1 SBS 改性沥青的各项性能指标

表2 集料的物理特性

1.2 沥青混合料配合比设计

该文采用4 种不同尺寸（NMAS）的SMA，包括SMA-16、SMA-13、SMA-10 和SMA-5，采用马歇尔混合料的设计程序对混合料配合比进行设计。目标空隙率（VV）为3.5%，最佳沥青含量（OAC）按国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）进行计算。SMA-16、SMA-13、SMA-10 和SMA-5 的OAC分别为5.7%、6.3%、6.5%和6.6%。对SMA 路面来说，须对粗集料中的空隙率进行检测，在过程中有一个可调的筛孔尺寸（PCS）。根据相关标准，SMA-16 和SMA-13 的PCS均为4.75mm，SMA-10 和SMA-5 的PCS分别为2.36mm 和1.18mm，PNMSA和PCS是SMA 级配设计的关键影响因素。此外，路面表面纹理也受AC的影响，因此，该文选择PNMSA、PNMSA-1、PCS、PCS-1和AC作为混合料设计的影响因素。

由于该文中混合料设计涉及多个影响因素和水平，因此，该研究选择正交试验设计（OED），基于设计正交性，该文运用OED 分析配合比设计参数对SMA 路面抗滑性能的影响，根据分级范围，确定与分级相关4 个参数（PNMSA、PNMSA-1、PCS和PCS-1）的值，根据OAC选取AC值。其中，SMA-16、SMA-13 的影响因素和水平见表3 和表4。

表3 SMA-16 的影响因素及水平

表4 SMA-13 的影响因素及水平

假设任意2 个因素间没有相互作用，采用SI指数评价路面抗滑性能，对各影响因素在常数水平i 的校验值进行求和，得到相应水平的均值（ki）和极差（R），计算如公式（1）和如公式（2）所示。

式中：ki为在某一水平i（i=1、2、3、4）下各影响因素SI的平均值，ki越高，路面抗滑性能越好。对每个因素来说，kmax在4 个水平中最大，kmin最小，R为不同因素的影响程度，R值越高，对路面抗滑性能的影响越大。

2 沥青路面表面纹理表征

关于粗糙表面的三维几何特征表征，需要对有代表性的参数进行评价，因此，评价可能会比较片面，无法对粗糙表面进行全面、准确地分析及表征[4]。研究人员提出5个典型的三维评价参数定量表示集料的纹理特征[5]，包括基本倾角在整个表面上的均值（θs）、节理表面梯度均方根（Z2s）、表观各向异性程度（Ka）、表面粗糙度系数（Rs）和表面弯曲系数（Ts）。以上参数不受集料轴向的影响，能够准确地反映三维集料纹理面的几何特征。此外，5 个参数对表面几何形状变化的灵敏度也不同，因此适用性较好。

该文选取上述5 个参数说明路面纹理特征，采用SI 评价路面抗滑性能，试件几何尺寸为300mm（长）×300mm（宽）×50mm（高），采用3 个相同混合料类型和级配的SMA 试件，由于图像采集的数据量较大，因此对计算速度和效率有很大的影响，因为集料粒径存在显著差异，所以计算面积根据混合料类型选择。SMA-16 和SMA-13 的分析面积约为100mm（长）×100mm（宽），而SMA-10 和SMA-5的分析面积为55mm（长）×55mm（宽），每个试件在不同位置测试3 次。

2.1 创建三维模型

利用相机采集路面纹理图像，采用喷涂显影剂和滤波过滤等方式对图像进行处理。将处理后的照片输入计算机，建立路面纹理的三维模型。

2.2 抗滑性能计算

基于路面纹理三维模型，可以得到5 个参数（θs、Z2s、Ka、Rs、Ts），SI的值表示路面抗滑能力，采用主成分分析（PCA）的方式分析这5 个参数与SI的关系，计算SI如公式（3）～公式（5）所示，其中Z1、Z2为累积成分函数，SI值越高，路面抗滑性能越好。

3 试验结果分析

3.1 NMAS 对路面抗滑性能的影响

采用SI评价路面抗滑性能，ki为每个影响因素在一定水平i（i=1、2、3、4）下SI的平均值，R为不同影响因素的影响程度。

PNMAS与SMA 路面抗滑性能的关系如图1 所示，由图1可知，随着PNMAS增加，路面抗滑性逐渐降低，其中PNMAS是通过最大尺寸聚集体的百分比，PNMAS较低说明更多的集料团聚体留在了筛上，沥青路面的宏观结构主要由粗集料构成，粒径大于公称最大粒径的集料含量，使混合料的宏观结构更多，路面抗滑性能更好。

图1 PNMAS 与SMA 路面抗滑性能的关系

3.2 集料筛分率对路面抗滑性能的影响

SMA 路面通过控制筛的百分比与防滑力间的关系，如图2 所示，随着PCS增加，不同类型混合料的ki变化趋势基本一致，均为先减少后增加，说明随着PCS增加，SMA路面的抗滑性能先降低后提高。对PNMAS-1和PCS-1来说，ki有不同的混合料类型和影响因素水平，而ki值变化不大，说明PNMAS-1和PCS-1对路面抗滑性能的影响不明显。

图2 筛孔通过率与SMA 路面抗滑性能的关系

3.3 AC 对路面抗滑性能的影响

AC与SMA 路面抗滑性能的关系如图3 所示，不同混合料类型的ki随AC增加而逐渐减少，说明路面的抗滑性能降低。当AC增加时，沥青膜变厚，宏观结构变小，导致路面抗滑性能降低。研究结果表明，SMA-5 的ki变化趋势与其他类型的SMA 不同。ki随AC增加先增加后减少，当团聚体变少至一定尺寸时，试件在压实过程中可能导致团聚体重排，从而导致混合料级配异常，对路面的抗滑性能有影响。

图3 AC 与SMA 路面抗滑性能的关系

4 结语

该文主要研究结论如下：1）PNMSA、PCS、AC这3 个参数是提高路面抗滑性能的关键设计参数。其中PNMSA对抗滑性能的影响最大，AC，PCS对路面抗滑性能的影响最小；上述参数对路面抗滑性能的影响程度总体高于PNMSA-1及PCS-1；SMA 路面的抗滑性能随着PNMSA和AC增加而逐渐降低，随着PCS 增加先减少后增加。2）对PNMAS-1和PCS-1来说，SMA 路面在不同混合料类型和影响因素水平下的抗滑性能存在差异，但二者之间无明显不同，表明PNMAS-1和PCS-1对SMA 路面的抗滑性能影响较小，当集料粒径足够小时，混合料压实条件会对路面抗滑性能产生影响。