叢 林，譚 樂，2，吳 敏，陳 芳

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.湖州市公路管理局，浙江 湖州 313000；3.廣東省機場管理集團有限公司工程建設指揮部，廣東 廣州 510470；4.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

瀝青路面的抗滑能力是影響道路安全的重要因素[1-2].研究表明[3-5]，路面抗滑值的提高能顯著減小交通事故率；相反，抗滑能力不足會導致交通事故上升.因此，研究者嘗試通過多種方法來維持或提高瀝青路面的抗滑性能，如修筑具有良好級配類型的抗滑表層[6]、選用耐磨耗礦料或硬度差異大的分異型礦料[7].目前，玄武巖廣泛應用于我國高等級公路路面的抗滑表層[8]，但這并非表示玄武巖是唯一抗滑表層集料，事實上，凡是符合路用集料各項性能要求的硬質巖石都可用于抗滑表層.

我國公路相關規(guī)范主要以磨光值和磨耗值來評價集料的抗滑耐磨性能，磨光值越大表示抗磨光性能越好，磨耗值越小表明抵抗磨損、撞擊性能越好[9].國外評價集料的抗滑耐磨性能方法更趨多元，如美國材料與試驗協(xié)會標準采用集料硅含量表征集料的抗滑耐磨性能，田納西理工大學嘗試用集料燃燒損失法評價集料的抗滑耐磨性能[10].近些年，研究者對集料抗滑耐磨性能研究更多集中于表面構造特征——微觀構造和宏觀構造，如Cafiso根據(jù)集料描述符和功率譜函數(shù)探索了路面摩擦力和集料表面微觀特性關系[11]；錢振東運用三維紋理模型建立了分形維數(shù)與抗滑性能指標的關系[12].然而，一般新建瀝青路面在選用品質良好集料和級配良好抗滑表層后，其抗滑指標都能達到技術要求，但隨著時間的推移，抗滑性能逐漸衰減，最終可能無法滿足安全行車的要求.因此，路面在長期使用過程中能否保持較好的抗滑性能，也是道路使用者非常關心的問題[13].

MMLS3加速加載儀主要由Hugo于1993年研發(fā)，設備尺寸為2 400 mm×600 mm×1 150 mm，采用四組充氣輪胎，加載輪胎寬80 mm，最大胎壓為0.8 MPa，可施加1.9～2.7 kN的荷載，最大加載頻次達7 200次·h-1[14].加速加載試驗不僅能較好模擬路面實際荷載作用，而且能在較短時間內得到路面在長期行車荷載作用下的使用性能衰變情況，相關學者運用MMLS3加速加載儀進行瀝青混合料路面高溫性能、路面結構模型等方面的研究[14-16]，均取得較好效果.

本文運用MMLS3對輝綠巖、玄武巖和石灰?guī)r集料的GAC-13C瀝青混合料進行長期抗滑性能衰減試驗研究，建立長期性能衰減預測模型，同時探索集料力學特性與模型參數(shù)影響關系.

1 集料特性

集料由自然界硬質巖石加工而成，巖石本身的結構和構造對集料的物理力學特性具有重要影響，而集料的某些特性在很大程度上影響其瀝青混合料的抗滑性能.其中，從密度和堅固性可以看出集料的致密程度和抵抗破壞的能力，而壓碎值、磨耗值和磨光值可以反映集料潛在的耐磨性能[17].

選取石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖3種粗集料，按照《公路工程集料試驗規(guī)程:JTGE 42—2005》測試主要力學性能，結果見表1.由表可知，除石灰?guī)r的磨光值不能達到技術要求外，其余2種集料的各性能都能滿足技術要求.另外可以看出，玄武巖和輝綠巖粗集料的各項物理力學性能要優(yōu)于石灰?guī)r，其中因磨耗值和磨光值較大，壓碎值較小，故其耐磨性能要明顯優(yōu)于石灰?guī)r粗集料.

表1 集料的特性測試結果Tab.1 Test results of aggregate characteristics

2 瀝青混合料長期抗滑性能試驗

2.1 瀝青混合料材料組成

GAC-13C是一種AC-13C改進型的間斷級配瀝青混合料，其組成結構為骨架密實結構，通過增大公稱最大粒徑、降低4.75 mm篩孔通過率,來提高混合料的高溫穩(wěn)定性和抗滑性能，并成功應用于廣東省高速公路抗滑表層[18].本文按照馬歇爾試驗方法進行不同集料組成GAC-13C瀝青混合料配合比設計，相關測試結果如表2所示.

表2 不同集料組成的GAC-13C技術指標測試結果Tab.2 Test results of GAC-13C technical index of different aggregate types

2.2 試驗參數(shù)及方案

我國瀝青路面設計方法中，采用雙輪組單軸100 kN作為標準軸載，每個輪胎荷載為25 kN.因此，根據(jù)相似原理和模型設計理論，對MMLS3加速加載下的路面結構模型進行設計驗證：MMLS3加速加載設備輪胎尺寸相對于標準輪胎相似常數(shù)為1/3，而輪載的相似常數(shù)為輪胎尺寸相似常數(shù)的平方為1/9，對輪胎荷載進行相似縮放后為2.7 kN，因此，MMLS3加速加載儀可以滿足荷載要求[19].另外，MMLS3加速加載儀模擬試驗中，加載方式為單向循環(huán)，而非直道試驗和車轍試驗等雙向反復，這與路面上實際情況相符.

本次試驗MMLS3加速加載儀每次對3個平行試件進行測試.在最佳瀝青用量下制備300 mm×300 mm×50 mm的標準車轍板試件，每種類型成型2塊做平行試驗.MMLS3加速加載儀加載胎壓采用0.7 MPa，加載轉速采用6 000 r·h-1，試驗溫度控制在20 ℃左右.

試驗時，將車轍板固定在MMLS3輪底下，并設置好試驗參數(shù)，待試輪轉動至設定次數(shù)即停止.取出試件，分別用擺式儀測輪跡帶上的擺值(BPN)，手工鋪砂法測構造深度(MTD)，測試后放置按原擺放位置繼續(xù)加載試驗，如此循環(huán).需要注意的是，試驗前期試件表面抗滑性能衰減較快，后期較慢，因而試驗時前期加載時間應較短，后期宜較長.

2.3 試驗結果分析

試驗測得的3種GAC-13C瀝青混合料的擺值和構造深度衰減結果分別見圖1和圖2.由圖可知，3種不同集料的GAC-13C瀝青混合料的擺值和構造深度都經(jīng)歷前期衰減較快，然后逐漸減緩,最后趨于穩(wěn)定的過程.依照非線性指數(shù)函數(shù)形式建立抗滑衰減模型，見式(1)，方程示意圖見圖3.

y=Ae-tx+B

(1)

式中:y表征擺值或構造深度;x為MMLS3軸載作用次數(shù);t為衰減速率;A為擺值或構造深度的衰減幅度；A+B的值表示擺值或構造深度的初始值BPN0或MTD0;B為擺值或構造深度穩(wěn)定最終值BPNf或MTDf.

圖1 擺值擬合曲線Fig.1 Fitting curve of BPN

圖3 抗滑性能衰減方程示意圖Fig.3 Diagram of anti-sliding performance attenuation equation

采用抗滑衰減模型對擺值和構造深度的衰減曲線進行擬合，置信水平為0.95，結果見表3和表4、圖1和圖2.由圖表可知，所建立的抗滑衰減模型對3種GAC-13C混合料的擺值和構造深度衰減曲線擬合較好，決定系數(shù)R2均大于0.98.

表3 擺值衰減方程及衰減參數(shù)Tab.3 Attenuation equation and parameters of BPN

表4 構造深度衰減方程及衰減參數(shù)Tab.4 Attenuation equation and parameters of MTD

3 集料特性與瀝青混合料長期抗滑性能的灰關聯(lián)分析

灰色關聯(lián)分析是一種用灰色關聯(lián)度順序來描述影響因素關系強弱的方法[20].通過灰色關聯(lián)度來分析確定影響因素的主次關系，在參數(shù)優(yōu)化、方案優(yōu)選等問題的解決上具有優(yōu)越性[21].其基本思想是以因素的數(shù)據(jù)序列為依據(jù)，用數(shù)學方法研究因素間的幾何對應關系，幾何形狀越接近，則它們之間的灰關聯(lián)度越大，反之越小[22].灰色關聯(lián)分析用灰色關聯(lián)度描述了各因素對目標因素的影響程度，關聯(lián)度越大，影響程度越大[23].為了研究不同集料特性對瀝青混合料長期抗滑性能影響，本文通過灰色關聯(lián)分析建立不同集料特性指標與抗滑性能的灰色關聯(lián)度排序，從而得出集料特性指標對抗滑性能的影響程度.

3.1 集料特性與擺值的灰關聯(lián)分析

3.1.1集料特性與擺值初始值A1+B1的灰關聯(lián)分析

擺值衰減模型中，A+B表示的物理意義為擺值初始值，將表3中A1+B1值，與表1中3種集料特性指標進行灰關聯(lián)分析，得到相關度從大到小依次為：磨光值(0.979 6)、壓碎值(0.728 8)、磨耗值(0.665 1)、堅固性(0.471 2).表明集料磨光值對瀝青混合料初始擺值影響程度最大.集料磨光值越大，表面越粗糙，擺式儀的橡膠與路面接觸時阻力就越大，因而初始擺值就越大.將初始擺值A1+B1與集料磨光值(PSV)進行線性回歸，得到如下回歸方程:

A1+B1=0.679 8PSV+34.808,

R2=0.986

(2)

3.1.2集料特性與擺值終值B1的灰關聯(lián)分析

擺值衰減模型中，B表示的物理意義是擺值終值.將表3中B1與集料特性指標進行灰關聯(lián)分析，得到相關度從大到小依次為：磨光值(0.970 5)、壓碎值(0.716 8)、磨耗值(0.654 5)、堅固性(0.465 0).說明集料磨光值對瀝青混合料擺值終值影響程度最大.集料抗磨光作用決定了瀝青路面摩擦系數(shù)，磨光值較大的集料組成的混合料，因集料表面粗糙且有足夠硬度而不容易被磨光,從而使混合料具有相對較高擺值終值.建立擺值終值B1與集料磨光值的線性回歸方程如下:

B1=0.530 5PSV+22.86,R2=0.933 8

(3)

將式(3)代入式(2),得到A1與集料磨光值的關系

A1=0.149 3PSV+11.948

(4)

3.1.3集料特性與擺值衰減速率t1的灰關聯(lián)分析

將表3中擺值衰減速率t1與集料特性指標進行灰關聯(lián)分析，得到相關度從大到小依次為：壓碎值(0.970 9)、磨耗值(0.817 0)、磨光值(0.590 3)、堅固性(0.465 1).可以認為，集料壓碎值是影響瀝青混合料擺值衰減速率的主要因素.這是由于壓碎值大的集料形成的混合料，在行車荷載作用下集料更容易被磨耗導致微觀構造減小.建立擺值衰減速率t1與集料壓碎值(CV)的線性回歸方程如下:

t1=0.030 9CV+0.025,R2=0.993 8

(5)

將式(3)、(4)和(5)代入式(1),得到關于集料特性指標的擺值衰減方程

(6)

3.2 集料特性與構造深度的灰關聯(lián)分析

3.2.1集料特性與構造深度初始值A2+B2的灰關聯(lián)分析

構造深度衰減模型中，A+B表示的物理意義為構造深度初始值，將表4中A2+B2值與表1中3種集料特性指標進行灰關聯(lián)分析，得到相關度從大到小依次為：磨光值(0.966 0)、壓碎值(0.710 5)、磨耗值(0.648 8)、堅固性(0.460 2).說明集料磨光值對瀝青混合料初始構造深度影響程度最大.建立初始構造深度A2+B2與集料磨光值的線性回歸方程如下:

A2+B2=0.011 3PSV+0.479 2,

R2=0.994 2

(7)

3.2.2集料特性與構造深度終值B2的灰關聯(lián)分析

構造深度衰減模型中，B表示的物理意義是構造深度終值.將表4中B2與集料特性指標進行灰關聯(lián)分析，得到相關度從大到小依次為：磨光值(0.969 6)、壓碎值(0.743 7)、磨耗值(0.677 1)、堅固性(0.476 1).表明集料磨光值對瀝青混合料構造深度終值影響程度最大.建立構造深度終值B2與集料磨光值線性回歸方程如下:

B2=0.004PSV+0.381,R2=0.982 4

(8)

將式(8)代入式(7),得到A2與集料磨光值的關系

A2=0.007 3PSV+0.098 2

(9)

3.2.3集料特性與構造深度衰減速率t2灰關聯(lián)分析

將表4構造深度衰減速率t2與集料特性指標進行灰關聯(lián)分析，得到相關度從大到小依次為：壓碎值(0.890 3)、磨光值(0.783 9)、磨耗值(0.780 0)、堅固性(0.494 8).可以認為,壓碎值是影響構造深度衰減速率的主要因素.建立構造深度衰減速率t2與集料壓碎值的線性回歸方程如下:

t2=0.019CV+0.293,R2=0.990 1

(10)

將式(8)、(9)和(10)代入式(1),得到關于集料特性的構造深度衰減方程

(11)

應該說明的是，本文巖石樣本選取了石灰?guī)r、玄武巖和輝綠巖，雖然具有一定代表性，但尚需其他巖石樣本進行補充研究，同時，研究長期抗滑性能衰減規(guī)律的瀝青混合料級配類型為GAC-13C瀝青混合料，不針對其他級配類型瀝青混合料.

4 結論

(1)采用MMLS3加速加載試驗模擬了瀝青混合料在車輛荷載作用下抗滑性能的變化，結果表明,瀝青混合料長期抗滑性能衰減速率逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定.依照非線性指數(shù)函數(shù)形式建立的抗滑衰減模型，符合瀝青混合料長期抗滑衰減規(guī)律.

(2)借助灰色關聯(lián)分析法建立了集料特性指標與瀝青混合料抗滑性能之間的關聯(lián)度排序，建立了集料特性指標與抗滑性能的函數(shù)關系.集料磨光值是影響瀝青混合料抗滑性能初始值和最終穩(wěn)定值的主要因素，壓碎值是影響瀝青混合料抗滑性能衰減速率的主要因素.

(3)本文尚未研究其他級配類型瀝青混合料長期抗滑性能衰減規(guī)律，得到的抗滑衰減模型限于GAC-13C瀝青混合料，在以后的工作中將進一步擴充和完善，以提高該抗滑衰減模型的普適性和準確性.