粗集料性质对超薄磨耗层摆式摩擦系数的影响研究

时间：2024-07-28

褚晨枫，李雄, 刘宏富

(1. 武汉综合交通研究院有限公司，湖北武汉 430015； 2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114)

0 引言

沥青路面的抗滑性是影响行车安全的重要因素之一[1]。新建沥青路面的抗滑性能会因使用年限增加、环境因素及轮胎磨损的长期共同作用不断下降，逐渐丧失服务能力，严重影响行车的安全性[2]。

沥青路面超薄磨耗层技术是一种重要的沥青路面养护手段，其造价较低、使用方便。对于超薄磨耗层而言，一方面要求其具有足够优秀的长期抗滑性能，另一方面需在满足功能性要求的基础上尽量减少其铺装厚度，降低工程造价。

超薄沥青磨耗层的长期服役性能主要取决于其所使用粗集料的性质[3]。目前我国对用于超薄磨耗层的SMA研究主要集中于SMA-10和SMA-5，由于4.75～9.5 mm的矿料粒径之间大小相差较大，容易导致级配失控；在相同级配和相同沥青含量情况下，SMA沥青混合料的空隙率相差很大，导致沥青混合料性能差异较大[4]。因此，本文参考国内外级配设计，在4.75～9.5 mm粒径的集料之间增加8 mm的控制筛孔，以更好地控制4.75～8 mm粒径与8～9.5 mm粒径集料的比例，并对适用于超薄磨耗层的SMA-8级配进行各项性能的对比研究，同时考虑不同集料对其性能的影响，通过加速加载试验揭示超薄磨耗层抗滑性能的衰变规律，研究结果对进一步完善我国SMA类超薄磨耗层技术有积极作用。

1 原材料选择及试验方案

1.1 原材料

1.1.1SINOTPS高黏改性沥青

SINOTPS高黏改性沥青具有黏度高、抗剥落能力强的特点，因此被广泛应用于高等级公路的面层施工中，本文使用的SINOTPS高黏改性沥青由70#道路石油沥青改性得到。SINOTPS高黏改性沥青的主要技术指标如表1所示。

表1 SINOTPS高粘改性沥青的主要技术指标项目针入度(25 ℃, 100 g,5 s)/0.1 mm软化点(环球法)/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm弹性恢复(25 ℃)/%溶解度/%运动粘度(60 ℃)/(Pa·s)储存稳定性/℃RTFOT老化(163 ℃,5 h)质量变化/%残留针入度比(25 ℃)/%残留延度(5 ℃)/cm技术要求40～60≥75≥30≥85≥99≥20 000≤2.5±0.5≥70≥20测试结果51.384.595.2102.399.7143 8111.40.47931试验方法T 0604T 0606T 0605T 0662T 0607T 0620T 0661T 0609T 0604T 0605

1.1.2集料

试验采用石灰岩、辉绿岩和玄武岩等3种粗集料，其中石灰岩和玄武岩的最大公称粒径为8 mm，辉绿岩最大公称粒径分别为5、8、10 mm。细集料均为石灰岩细集料。粗集料技术指标见表2。

表2 粗集料的主要技术指标项目压碎值/%磨光值洛杉矶磨耗值/%表观密度/(g·cm-3)毛体积密度/(g·cm-3)技术要求≤26≥42≤25≥2.6实测辉绿岩11.850.315.62.9472.905石灰岩17.442.118.92.8912.798玄武岩13.147.313.62.9142.885试验方法T 0316T 0321T 0317T 0321T 0308

1.2 配合比设计和试验方案

1.2.1级配曲线和配合比设计

目前高等级公路上面层多采用SMA类型的沥青混合料，SMA主要使用改性沥青，同时添加纤维和提高粗集料的占比，因此可有效提升沥青路面的抗磨耗与抗滑性能。本文以SMA级配为基础，分别研究粗集料的种类和最大公称粒径对超薄磨耗层长期抗滑性能的影响。设计了SMA-5、SMA-8、SMA-10等3种级配，其曲线见图1。

图1 3种SMA的级配曲线

研究集料种类对超薄磨耗层的长期抗滑性能影响时，选用粒径相同(最大公称粒径8 mm)但种类不同的粗集料(石灰岩、辉绿岩、玄武岩)制备超薄磨耗层。研究集料的最大公称粒径对超薄磨耗层长期抗滑性能的影响时，选用具有不同最大公称粒径的辉绿岩作为试验所使用的粗集料。5种超薄磨耗层均添加木质素纤维。5种磨耗层材料的配合比设计见表3。

表3 超薄磨耗层配合比设计类别最佳油石比/%空隙率/%矿料间隙率/%饱和度/%马歇尔稳定度/kN流值/0.1 mmSMA-5(辉绿岩)7.33.918.271.29.333SMA-10(辉绿岩)6.23.417.783.27.934SMA-8(辉绿岩)6.83.118.281.76.7731SMA-8(石灰岩)7.13.417.682.36.3527SMA-8(玄武岩)6.93.217.381.66.4335技术要求/3～4≥17.065～85>6.020～40

1.2.2试验方案设计

超薄磨耗层的长期抗滑性能以摆值进行评价，加载设备采用MMLS3小型加速加载试验机[5](见图2)。加载时轮胎的接地压强为0.7 MPa，加载温度为25 ℃，加载速度为6 000次/h，前10万次加载时以2万轮次为1个数据采集周期；10万次以后,以5万次为1个数据采集周期，记录摆值，共加载100万次。

图2 MMLS3型小型加速加载试验机

抗滑试验板分2层碾压制成，尺寸为30 cm×18 cm×10 cm，其中，上层的磨耗层厚度为2 cm，下层AC-16沥青混凝土厚度为8 cm。

2 试验结果及分析

2.1 粗集料种类对超薄磨耗层摆值的影响

3种不同粗集料制备的SMA-8超薄磨耗层摆值试验结果如图3、图4所示。

图3 3种不同粗集料SMA-8超薄磨耗层的摆值衰减曲线

图4 3种SMA-8超薄磨耗层的摆值初始值、稳定值和损失值比较

如图3所示，不同粗骨料SMA-8超薄磨耗层摆值的初始值相近，但摆值的损失值略有差别。在经过100万次加载后，石灰石SMA-8的摆值损失值最大，辉绿岩和玄武岩SMA-8的摆值损失值相对较小。根据《公路沥青路面养护技术规范》(JTG 5142—2019)，如果摆值大于45，则认为路面具有良好的抗滑性能，加载次数达到100万次时，石灰岩SMA-8的摆值已经小于45;玄武岩和辉绿岩的SMA-8的摆值损失率(损失率=损失值/初始值)约为34.0%，而石灰石SMA-8的摆值损失率达40.8%。摆值损失率以及摆值稳定值的差异都表明粗集料的种类对超薄磨耗层的摆值有影响。

为了深入探究粗集料的代表性指标对超薄磨耗层摆值衰减的影响，采用灰度关联分析方法，对评价粗集料的主要物理指标进行灰度关联分析，某指标的灰度关联计算结果越接近于1，则代表该指标的影响越大。参考序列和比较序列的初始值如表4所示。各影响因素的灰色关联分析结果见表5。

表4 参考序列和比较序列的初始值指标石灰岩SMA-8辉绿岩SMA-8玄武岩SMA-8磨光值40.247.149.3磨光损失值21.713.115.0洛杉矶磨耗值17.713.614.1压碎值16.912.212.9 注: 磨光损失值=初始磨光值-经磨损后的磨光值。

表5 灰度关联分析计算结果关联项目指标石灰岩SMA-8辉绿岩SMA-8玄武岩SMA-8平均值磨光值1.000.370.330.568摆值初始值磨光损失值1.000.340.360.568洛杉矶磨耗值1.000.330.340.556压碎值1.000.330.350.560磨光值1.000.410.330.580摆值稳定值磨光损失值1.000.330.360.565洛杉矶磨耗值1.000.330.330.555压碎值1.000.330.330.553磨光值1.000.350.330.562摆值损失值磨光损失值1.000.330.410.581洛杉矶磨耗值1.000.330.350.562压碎值1.000.330.370.569

如表5所示，在对摆值的初始值、稳定值和损失值的灰关联分析中，磨光损失值均具有较大的灰度关联系数，这说明磨光损失值对超薄磨耗层的摆值衰减影响最为显著。目前《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)仅对用于高速公路的粗集料磨光值指标提出了要求，而根据灰度关联分析结果可知，磨光损失值对超薄磨耗层摆值的损失有显著影响，因此，建议增加粗集料的磨光损失值作为评价表层粗集料耐磨性能的评价指标。