關(guān)博文，郭 樂，薛興杰，姜 藝，李 碩,丁冬海

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710064) (2. 普渡大學(xué)理工學(xué)院，美國(guó)印第安納州 西拉法葉 47907) (3. 東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189) (4. 印第安納州交通廳研究與發(fā)展部，美國(guó)印第安納州 西拉法葉 47907) (5. 西安建筑科技大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高速公路建設(shè)得到了迅猛的發(fā)展，2020年全國(guó)高速公路里程已達(dá)16萬千米，位列世界第一。對(duì)已建高速公路服役情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)高速公路具有車速高、車流量大的特點(diǎn)，尤其是彎道、長(zhǎng)大縱坡等特殊路段的高頻服役和車輪荷載(尤其是重載車輛)加速了瀝青路面的磨光和磨耗，使路面的抗滑能力迅速衰減，交通安全問題日益突出[1]。在高速公路瀝青路面表層材料的選擇和設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮混合料的耐久性和表面耐磨性。提高路面抗滑能力，并在使用年限內(nèi)維持抗滑性能的耐久性是我國(guó)高速公路建設(shè)面臨的一個(gè)緊迫任務(wù)。

大量研究表明：高質(zhì)量集料有助于維持瀝青路面表面抗滑性能[2, 3]。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)研究成果強(qiáng)調(diào)優(yōu)質(zhì)玄武巖、花崗巖等傳統(tǒng)天然高耐磨集料用于抗滑表層的優(yōu)勢(shì)，但經(jīng)長(zhǎng)期磨耗后其抗滑持久性表現(xiàn)不佳[4-6]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)薄層罩面技術(shù)可應(yīng)用于高等級(jí)瀝青或水泥混凝土路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，以及對(duì)其表面功能進(jìn)行恢復(fù)，綜合恢復(fù)原路面使用性能，但在提升及維持抗滑性能方面有所局限[7-9]。

針對(duì)路面抗滑性不足或衰減過快的問題，高摩擦道路表面處治(high friction surface treatment，HFST)材料應(yīng)運(yùn)而生。HFST材料是針對(duì)高速公路特殊路段(如隧道出入口、彎道、長(zhǎng)大縱坡、橋面鋪裝等事故高發(fā)路段)路面表層使用，適用于新建路面或事故高發(fā)路段表面重建，這些特殊路段對(duì)抗滑尤其是抗滑持久性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)的路面，傳統(tǒng)薄層罩面技術(shù)一般無法達(dá)到其要求[10]。HFST材料在美國(guó)被定義為一種新興材料，通過高耐磨集料與樹脂或其他粘結(jié)劑組合而成(組成結(jié)構(gòu)如圖1所示)，被認(rèn)為是能夠充分提高抗滑性的一種最佳表面處治材料，能有效減少事故傷亡并降低養(yǎng)護(hù)投資成本。為了解決現(xiàn)有高摩擦道路處治技術(shù)不足的問題，美國(guó)聯(lián)邦公路局，交通運(yùn)輸安全協(xié)會(huì)，印第安納州、伊利諾伊州、弗羅里達(dá)州等20個(gè)聯(lián)邦、州的交通廳近年來(2012年至今)分別立項(xiàng)對(duì)HFST技術(shù)開展了研究并應(yīng)用，并取得了顯著的效果[11]。為了推動(dòng)HFST技術(shù)在我國(guó)路面養(yǎng)護(hù)中的發(fā)展，提高道路安全性，降低養(yǎng)護(hù)投資成本，本文系統(tǒng)總結(jié)了HFST原材料性能、HFST配合比設(shè)計(jì)方法及抗滑性能影響因素，并對(duì)HFST試驗(yàn)段進(jìn)行應(yīng)用效果評(píng)價(jià)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析，以期為我國(guó)新型瀝青路面表層抗滑性能的提升與持久提供參考。

圖1 高摩擦道路表面處治(high friction surface treatment，HFST)材料結(jié)構(gòu)示意圖：(a)平面圖，(b)截面圖Fig.1 HFST structure schematic: (a) surface plan, (b) sectional plan

2 HFST集料性能

2.1 集料基本物理、力學(xué)性能

HFST材料一般由高耐磨集料和粘結(jié)劑組成，集料的物理、力學(xué)性能對(duì)HFST的抗滑性能有很大影響。常見的HFST集料有煅燒鋁礬土、鐵燧巖、燧石、花崗巖、玄武巖、白云巖、砂巖、鋼渣等，其中最常用的是煅燒鋁礬土，它是由鋁礬土在1450～1700 ℃高溫下經(jīng)煅燒形成的。目前國(guó)內(nèi)僅對(duì)超薄磨耗層作出了相關(guān)技術(shù)要求，而尚未形成HFST材料的規(guī)范，為比較各規(guī)范間的差異，本文匯總了國(guó)內(nèi)的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)、《超薄磨耗層設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DB21/T 1995—2012)、《公路瀝青路面超薄磨耗層施工技術(shù)規(guī)范》(DB33/T 2113—2018)及美國(guó)賓夕法尼亞州交通廳(PennDOT)、北卡羅來納州交通廳(NCDOT)、印第安納州交通廳(INDOT)的HFST用集料技術(shù)要求(如表1所示[4-6, 12-35])，可以看出國(guó)外HFST用集料的技術(shù)要求普遍比國(guó)內(nèi)超薄磨耗層的要高，尤其是石料磨光值(polishing stone value, PSV)要求更高。

李碩等[12]對(duì)比了不同HFST集料的主要性能指標(biāo)，結(jié)果表明，煅燒鋁礬土的主要性能指標(biāo)基本滿足各規(guī)范要求，且綜合物理、力學(xué)性能明顯優(yōu)于其他集料。煅燒鋁礬土和鋼渣的表觀相對(duì)密度較大，這是因?yàn)槠浞謩e含有鋁、鐵等金屬元素[12-14]。煅燒鋁礬土的吸水率受煅燒過程影響較大，通常在0.81%～1.61%之間，雖然較部分集料高，但仍滿足規(guī)范要求。從壓碎值、洛杉磯磨耗值(Los Angeles abrasion,LAA)及磨光值(PSV)等耐磨性指標(biāo)綜合來看，煅燒鋁礬土耐磨耗性能最為優(yōu)異，砂巖和鋼渣次之，白云巖和石灰?guī)r最差。

Yang等[15]基于《高鋁礬土熟料》(YB/T 5179—2005)對(duì)比了多個(gè)品級(jí)煅燒鋁礬土的物理、力學(xué)性能(見表2)，結(jié)果表明，煅燒鋁礬土品級(jí)越高，即Al2O3含量越高，密度、硬度越大而吸水率越小，壓碎值和LAA越小且PSV越大，綜合物理、力學(xué)性能越優(yōu)異；結(jié)合表1可知，70#以下的煅燒鋁礬土的耐磨耗性能已不如花崗巖和玄武巖，故一般考慮75#以上的煅燒鋁礬土用作超薄抗滑表層材料。88#煅燒鋁礬土是作為HFST材料的理想耐磨集料。

表1 不同HFST材料用集料的基本物理、力學(xué)性能及規(guī)范要求[4-6, 12-35]

表2 不同品級(jí)煅燒鋁礬土的物理和力學(xué)性能[15]

2.2 集料主要化學(xué)成分與礦物組成

集料耐磨特性對(duì)HFST材料抗滑性能有很大的影響，而集料的耐磨特性又與其化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，因此有必要對(duì)集料的化學(xué)成分及礦物組成進(jìn)行分析。表3統(tǒng)計(jì)了不同HFST用集料的化學(xué)組成，煅燒鋁礬土中主要的耐磨耗成分是Al2O3[12, 15, 36， 37]，而花崗巖、玄武巖和砂巖中主要的耐磨耗成分是SiO2[38-43]，石灰?guī)r、白云巖和鋼渣中主要的耐磨耗成分是CaO[12, 14, 22, 44-50]，因此煅燒鋁礬土要比其他集料硬得多。表4匯總了不同HFST用集料的礦物組分與硬度，煅燒鋁礬土主要由硬度大的剛玉相和莫來石相組成[15, 37]，花崗巖、玄武巖和砂巖的主要晶相有硬度較大的石英和長(zhǎng)石[15, 37, 38, 41-43]，石灰?guī)r、白云巖和鋼渣的硬度較低[15, 22, 44, 48-50]。由于粗集料硬度是決定粗集料耐磨性能的重要因素，且與粗集料LAA和PSV相關(guān)性良好[19, 37]，因此煅燒鋁礬土具有更優(yōu)良的耐磨損性能。李碩和熊銳等認(rèn)為這是由于煅燒鋁礬土中剛玉相和莫來石相交錯(cuò)形成的微觀結(jié)構(gòu)可以起網(wǎng)狀骨架作用，能夠減小磨耗作用所產(chǎn)生的應(yīng)力破壞，認(rèn)為這是煅燒鋁礬土具有良好耐磨、抗滑性能的主要原因[12, 37]。

表3 不同HFST用集料的化學(xué)組成 [12, 14, 15, 22, 36-50]

表4 不同HFST用集料的巖性和晶相[15, 22, 34, 35, 37, 38, 41-44, 48-50]

2.3 高耐磨集料長(zhǎng)期磨光機(jī)制

PSV是反映粗集料抵抗輪胎磨光作用的能力的指標(biāo)，研究集料的長(zhǎng)期PSV衰減規(guī)律對(duì)鋪設(shè)抗滑性優(yōu)異的路面時(shí)集料的選擇及使用壽命的預(yù)測(cè)具有重要意義。叢林等[6]研究了集料性能與瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能之間的關(guān)系，結(jié)果表明,集料PSV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。圖2匯總了不同集料的PSV衰減情況，PSV隨磨光次數(shù)的增加而減小，PSV的變化過程可分為加速衰減階段、減速衰減階段和穩(wěn)定階段[16, 19, 51, 52]。Liu等[13]認(rèn)為集料表面微觀紋理構(gòu)造對(duì)其耐磨、抗滑性能影響更大。Guan等[16]研究得出，集料的宏觀構(gòu)造在初期磨光過程中起主要作用，而集料的微觀紋理構(gòu)造在后期磨光過程中起主要作用，即宏觀構(gòu)造主要影響集料的初始抗滑性能，而微觀紋理構(gòu)造是集料長(zhǎng)期抗滑性能的主要影響因素。

圖2 不同集料的磨光值(polishing stone value,PSV)衰減曲線[16, 19, 51, 52]Fig.2 PSV attenuation curves of different aggregates[16, 19, 51, 52]

劉清泉[53]研究認(rèn)為，石料中礦物分布的均勻性越差，礦物顆粒間或礦物顆粒與基質(zhì)間的硬度差異越大，就越有利于產(chǎn)生較大的摩擦系數(shù)，這與叢林的研究結(jié)論一致[19]。Wang等[54]研究認(rèn)為，磨光過程中集料的微觀紋理及抗滑性能變化與磨料、集料初始粗糙度及礦物組成有關(guān)，集料中軟弱相磨光破壞會(huì)對(duì)堅(jiān)硬相產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而引起表面構(gòu)造變化。Yang等[15]研究了不同等級(jí)煅燒鋁礬土在延長(zhǎng)磨光時(shí)間下的PSV變化及其長(zhǎng)期磨光機(jī)制，研究結(jié)果表明，集料長(zhǎng)期抗磨光性能與礦物成分的硬度有關(guān)，主要礦物的硬度越大，其保持表面構(gòu)造的能力越好，抗磨光能力越強(qiáng)；礦物成分的硬度差越大，長(zhǎng)期耐磨光能力越強(qiáng)。集料中的軟弱相在磨光作用下首先被破壞，一部分從集料表面剝落，另一部分成為粉末填充于集料表面孔隙中。隨著磨光次數(shù)的增加，大量軟弱相被破壞并嵌入孔隙中，使堅(jiān)硬相形成新的表面紋理構(gòu)造并提供抗滑能力。在不斷的磨光作用下，堅(jiān)硬相也逐漸被破壞，當(dāng)堅(jiān)硬相破壞到一定程度時(shí)，軟弱相露出集料表面又形成新的微觀紋理構(gòu)造，集料磨光過程便是如此反復(fù)的破壞-恢復(fù)過程(如圖3所示)。因此高耐磨集料應(yīng)具有較高含量的高硬度的礦物成分，同時(shí)具有一定的相對(duì)的軟弱相以保持其長(zhǎng)期抗磨光性能。長(zhǎng)期磨光作用下煅燒鋁礬土的表面形貌變化如圖4所示[16]，在不斷的磨光過程中集料的表面微觀紋理不斷衰減最終趨于穩(wěn)定。

圖3 集料表面磨光及恢復(fù)過程示意圖[15]Fig.3 Schematic of destruction and recovery of aggregates surface microtexture[15]

圖4 長(zhǎng)期磨耗作用下煅燒鋁礬土集料表面形貌變化[16]：(a)未磨耗，(b)磨光20×104次，(c)磨光28×104次Fig.4 Micromorphology of calcined bauxite surface under long-term polishing process[16]: (a) before the polishing process, (b) after 20×104 polishing cycles, (c) after 28×104 polishing cycles

3 HFST粘結(jié)劑性能

粘結(jié)劑對(duì)HFST的抗滑性及耐久性能有重要影響，常用的HFST粘結(jié)劑有環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑、松香酯粘結(jié)劑、聚氨酯粘結(jié)劑、丙烯酸樹脂粘結(jié)劑及聚酯樹脂粘結(jié)劑等。環(huán)氧樹脂(EP)粘結(jié)劑主要由環(huán)氧樹脂和固化劑兩大部分組成，具有優(yōu)異的粘結(jié)性能，在HFST中應(yīng)用最為廣泛。由于EP韌性低、耐沖擊性差，因此通常對(duì)EP進(jìn)行改性以提高其力學(xué)性能[55]。表5統(tǒng)計(jì)了EP、聚氨酯改性EP(PU/EP)、納米SiO2改性EP(nano-SiO2/EP)及氧化石墨烯改性EP(GO/EP)粘結(jié)劑的力學(xué)性能，可以看出，3種改性EP的力學(xué)性能均得到不同程度的提高，其中GO/EP綜合力學(xué)性能最優(yōu)。此外，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)EP的斷裂伸長(zhǎng)率很難滿足要求，因此有必要對(duì)EP粘結(jié)劑進(jìn)行改性以滿足HFST粘結(jié)劑技術(shù)要求。

表5 不同類型環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的力學(xué)性能[56-70]

4 HFST組成設(shè)計(jì)

4.1 HFST組成設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)

集料和粘結(jié)劑合理的配合比設(shè)計(jì)是獲得抗滑性能優(yōu)良的HFST的關(guān)鍵，本文主要從HFST集料種類及粒徑、集料摻配方式、粘結(jié)劑種類及HFST厚度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析。

4.1.1 集料種類

不同集料具有不同的礦物組成，因而具有不同的耐磨耗性能，會(huì)對(duì)HFST的抗滑性能產(chǎn)生一定影響。動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)DFT(40)可反映試件抗滑性能的優(yōu)劣，通常DFT(40)越大，試件抗滑性能越好；平均斷面深度(mean profile depth, MPD)可用來表征試件表面的紋理構(gòu)造，通常MPD越大，試件表面宏觀構(gòu)造越好。不同集料的HFST在磨光過程中的DFT(40)和MPD變化趨勢(shì)如圖5所示，HFST試件DFT(40)和MPD均隨磨光次數(shù)的增加而減小，但衰減幅度變小。不同HFST試件在磨光過程中表現(xiàn)出不同的抗滑性能和表面構(gòu)造變化，采用煅燒鋁礬土的HFST試件表面初始及長(zhǎng)期抗滑性能都明顯優(yōu)于其他集料，鐵燧巖次之，其他集料相近；采用鋼渣的HFST試件表面宏觀構(gòu)造最差[71, 72]。Friel和Woodward通過測(cè)定多種HFST磨光過程中的擺值(British pendulum number,BPN)和構(gòu)造深度(texture depth,TD)也得出煅燒鋁礬土HFST的抗滑及抗滑耐久性能最優(yōu)[8, 73]。Zahir評(píng)估了采用燧石的HFST試驗(yàn)段的抗滑性能，得出燧石可代替煅燒鋁礬土作為HFST的集料使用[74]。因此,當(dāng)路面對(duì)抗滑性能要求較低或者考慮經(jīng)濟(jì)成本問題時(shí)，可選擇適當(dāng)天然集料作為煅燒鋁礬土的替代材料來制備HFST。

如圖5c所示，磨光后的DFT(40)與MPD無直接關(guān)系，即表明HFST表面抗滑性能與宏觀構(gòu)造沒有明顯的相關(guān)性。這可能是由于采用不同集料的試件表面微觀紋理及宏觀構(gòu)造均不同，而MPD僅反映HFST試件表面的宏觀構(gòu)造，因此僅通過MPD不足以說明表面紋理構(gòu)造對(duì)試件抗滑性能的影響規(guī)律，這與作者等所得研究結(jié)論一致[16]。

圖5 HFST試件的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)DFT(40)和平均斷面深度(mean profile depth, MPD)在磨光過程中變化[71, 72]：(a) DFT(40)，(b) MPD，(c)磨光14 ×104次后的DFT(40)-MPD關(guān)系Fig.5 DFT(40) and MPD variations of HFST specimens during polishing process[71, 72] : (a) DFT(40), (b) MPD, (c) correlation of DFT(40) and MPD after 14×104 polishing cycles

4.1.2 集料粒徑

良好的宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造是瀝青路面抗滑表層具備良好抗滑性能的基礎(chǔ)。微觀構(gòu)造主要影響低速且干燥時(shí)的瀝青路面抗滑性能，宏觀構(gòu)造主要影響高速或者路面潮濕時(shí)的瀝青路面抗滑性能。粗集料表面紋理決定微觀構(gòu)造，而集料公稱最大粒徑?jīng)Q定宏觀構(gòu)造進(jìn)而影響HFST抗滑性能。集料粒徑對(duì)HFST抗滑性能的影響如圖6所示，當(dāng)集料粒徑從1.18增加至2.36 mm時(shí)，DFT(40)和MPD迅速增加[12, 71]；當(dāng)集料粒徑大于2.36 mm時(shí)，DFT(40)趨于平穩(wěn)，而MPD增大，分析原因?yàn)?集料粒徑越大，其TD越大，但這些大粒徑的集料必須承擔(dān)提供輪胎向前所產(chǎn)生的剪力，結(jié)果這些大粒徑集料很快會(huì)被磨光，反映為DFT(40)并未隨著MPD的增大而增大?？紤]粒徑對(duì)抗滑性能的影響，建議HFST集料粒徑不低于2.36 mm。

4.1.3 集料摻配方式

李菁若等[75]研究得出，互摻集料的抗滑耐磨性能相比弱者達(dá)到增強(qiáng)的效果，不同巖性集料互摻技術(shù)有待成為抗滑表層選材技術(shù)的新方向。解曉光、劉東旭和陳賀等[33-35]基于差異磨耗原理將不同粗細(xì)集料按不同摻配方式和比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻配后的瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能明顯提高，且兩種集料PSV的差異性越大，其摻配后瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能表現(xiàn)得越好。Friel和Woodward[76]測(cè)定了采用多種集料摻配方式制備的HFST的BPN和TD，以探究集料摻配對(duì)抗滑性能的影響(如圖7所示)。結(jié)果表明，不同集料摻配方式的HFST試件的BPN、TD變化趨勢(shì)相近，均隨磨光次數(shù)的增加而減小，最后逐漸趨于平緩。長(zhǎng)期磨光后，摻加100%天然集料的HFST試件的抗滑性能較差，摻加100%煅燒鋁礬土或等比例摻配煅燒鋁礬土與砂巖、凝灰?guī)r的HFST試件的抗滑性能較優(yōu)；煅燒鋁礬土與其他高耐磨集料摻配制備的HFST試件比100%天然集料制備的HFST試件的TD大[76]。這表明基于差異磨耗原理對(duì)煅燒鋁礬土與其他高耐磨集料進(jìn)行摻配以制備HFST有一定的可行性，可降低成本和減少環(huán)境污染，使HFST具有更廣泛的應(yīng)用空間。

圖6 不同粒徑集料的HFST試件的性能測(cè)試結(jié)果[12, 71]：(a) DFT(40)和MPD，(b) DFT(40)-MPD關(guān)系Fig.6 Test results of HFST specimens with different aggregate sizes[12, 71]: (a) DFT(40) and MPD results, (b) correlation of DFT(40) and MPD

圖7 不同集料摻配方式的HFST的擺值(British pendulum number,BPN)及構(gòu)造深度(texture depth,TD)在磨光過程中的衰減情況[76]：(a) BPN變化，(b) 磨光1.5×106次后的BPN，(c) TD變化，(d)磨光150×106次后的TDFig.7 BPN and TD attenuation of HFST with different ways of mixing aggregate during polishing process[76]: (a)variation of BPN, (b) BPN after 150×104 polishing cycles, (c)variation of TD, (d) TD after 150×104 polishing cycles

4.1.4 粘結(jié)劑種類

不同的粘結(jié)劑具有不同的粘結(jié)性能，會(huì)對(duì)HFST的抗滑性及耐久性能產(chǎn)生重要的影響。Nicholls[77]研究了不同粘結(jié)劑對(duì)HFST性能的影響，發(fā)現(xiàn)使用EP和PU的HFST抗滑性能較優(yōu)，丙烯酸樹脂次之，松香酯最差。Wilson等[78]采用4種粘結(jié)劑制備HFST試件并測(cè)定其磨光前后的MPD變化(如圖8所示)，磨光后的MPD由大到小依次為：EP組、丙烯酸樹脂組、環(huán)氧聚氨基甲酸酯組、甲酚改性EP組，這表明采用EP的HFST表面宏觀構(gòu)造最好，采用甲酚改性EP的HFST試件表面宏觀構(gòu)造最差。此外，采用甲酚改性EP的HFST試件的MPD變化范圍很大，說明耐磨性較差，表面集料易脫落，導(dǎo)致表面宏觀構(gòu)造MPD有較大的變化范圍。

圖8 采用不同粘結(jié)劑的HFST磨光后的MPD[78]Fig.8 MPD results of HFST with different binders after polishing process[78]

4.1.5 HFST厚度

為探究HFST厚度(層數(shù))對(duì)其抗滑及耐久性能的影響，Li等[79]以煅燒鋁礬土和EP粘結(jié)劑為原料鋪筑單、雙層HFST試驗(yàn)段，分別測(cè)定其新鋪后、開放交通3個(gè)月后和9個(gè)月后的DFT(20)和MPD，如圖9所示。單層HFST和雙層HFST的MPD相差不大，雙層HFST的兩組DFT(20)均比單層HFST要小，且DFT(20)衰減率比單層HFST稍大，這表明HFST層數(shù)對(duì)其抗滑性能影響較小。

4.2 HFST的材料組成

針對(duì)HFST配合比設(shè)計(jì)方法，美國(guó)賓夕法尼亞州交通廳(PennDOT)、北卡羅來納州交通廳(NODOT)、阿拉斯加州交通廳(AlaskaDOT)、亞拉巴馬州交通廳(ALDOT)、南卡羅來納州交通廳(SCDOT)、田納西州交通廳(TDOT)等美國(guó)州府制定大量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，目前僅給出了HFST集料和粘結(jié)劑的適宜用量范圍(如表6所示)，并未規(guī)定一套確切的設(shè)計(jì)流程。Li[12]等分別提出了粘結(jié)劑和集料的建議用量范圍，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從中選取了各自的確定用量1.279 L/m2和0.750 g/cm2進(jìn)行測(cè)試板成型。Zahir[74]針對(duì)不同集料種類確定了不同的粘結(jié)劑和集料用量，煅燒鋁礬土HFST的粘結(jié)劑和集料用量分別為1.811 L/m2和0.718 g/cm2，燧石的HFST則分別為1.585 L/m2和0.538 g/cm2。Heitzman等[72]先確定粘結(jié)劑用量為1.630 L/m2，再均勻鋪撒過量集料至完全覆蓋粘結(jié)劑，這避免了集料過少的問題，且操作方便。對(duì)前人研究成果總結(jié)分析，推薦HFST粘結(jié)劑用量范圍為1.273～1.782 L/m2，集料用量過量至完全覆蓋粘結(jié)劑即可。實(shí)際應(yīng)用時(shí)建議可先初選多組粘結(jié)劑用量制作HFST試件并進(jìn)行抗滑性能測(cè)定，從而確定粘結(jié)劑的最佳用量。

圖9 單雙層HFST的MPD及DFT(20)[79]Fig.9 MPD and DFT(20) of single and double layer HFST[79]

表6 HFST集料和粘結(jié)劑的用量范圍

5 HFST試驗(yàn)段應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

圖10 美國(guó)各州的HFST應(yīng)用情況[80]Fig.10 Application status of HFST in the United States[80]

為了更好地推動(dòng)HFST的應(yīng)用與發(fā)展，美國(guó)多州開展了HFST試驗(yàn)路段抗滑性能研究(如圖10所示[80])。Anderson等[81]測(cè)定發(fā)現(xiàn)HFST路段抗滑性能優(yōu)異，并通過對(duì)Tyregrip?HFST試驗(yàn)段的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，HFST能夠保持良好的抗滑耐久性能且事故率降低了79%，表明Tyregrip?HFST是針對(duì)事故高發(fā)路段的一種有效措施。Dave[82]設(shè)計(jì)了多種高摩擦橋面鋪裝(high friction overlays, HFO)方式，測(cè)得HFO可有效降低事故率達(dá)20%。已有研究表明，集料采用煅燒鋁礬土的HFST路段的耐磨抗滑性能最好，而粘結(jié)劑使用EP或丙烯酸酯粘結(jié)劑(MMA)最為常見[83-85]。大量學(xué)者[10, 11, 83-90]針對(duì)HFST試驗(yàn)段的病害類型、抗滑性能、事故降低率和效益成本率等進(jìn)行系統(tǒng)研究，得出HFST可顯著提高路面抗滑性能，降低事故率達(dá)75%以上，效益成本率(B/C)達(dá)3.97～27.90，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5.1 服役后HFST的摩擦特性衰減分析

表7匯總了新鋪筑后和開放交通一段時(shí)間后HFST試驗(yàn)段的DFT(40)及DFT(40)損失，以評(píng)價(jià)其抗滑及抗滑耐久性[71, 85]。在新鋪筑后，HFST1和HFST9的DFT(40)明顯大于其他HFST類型，而HFST8次之，即采用煅燒鋁礬土和EP粘結(jié)劑或MMA粘結(jié)劑的HFST初始抗滑性能最優(yōu)。開放交通6個(gè)月后的HFST試驗(yàn)段抗滑性能均有不同程度的下降，HFST1的DFT(40)依舊最大，可見其抗滑耐久性也最好；HFST8次之；HFST9的DFT(40)損失最大，說明其抗滑耐久性較差；而HFST4和HFST1的DFT(40)損失小于10%，說明其抗滑耐久性優(yōu)異。綜上，HFST1的抗滑綜合表現(xiàn)優(yōu)異，即采用煅燒鋁礬土和EP粘結(jié)劑制備HFST有很好的應(yīng)用效果；若考慮經(jīng)濟(jì)成本問題，可選用鐵燧巖作為煅燒鋁礬土的替代材料來制備HFST。

表7 常見HFST類型及相應(yīng)的DFT(40)測(cè)試結(jié)果[71, 85]

5.2 服役后HFST的MPD衰減分析

表8匯總了HFST試驗(yàn)段新鋪筑后和開放交通6個(gè)月后的MPD及MPD損失，以評(píng)價(jià)其表面紋理構(gòu)造。在新鋪筑后，HFST1、HFST2、HFST4和HFST8的MPD較大，說明其表面宏觀構(gòu)造較好；開放交通一段時(shí)間后，HFST8的MPD依舊較大，HFST1次之，且兩者的MPD損失較小，可見采用鐵燧巖或煅燒鋁礬土和EP粘結(jié)劑的HFST表面宏觀構(gòu)造較為優(yōu)異[12, 71]。

5.3 不同集料HFST經(jīng)濟(jì)效益分析

全壽命周期費(fèi)用分析(life cycle cost analysis, LCCA)是一種工程經(jīng)濟(jì)分析工具，用于比較競(jìng)爭(zhēng)項(xiàng)目間的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)。在道路工程建設(shè)項(xiàng)目評(píng)價(jià)過程中，LCCA是指在全壽命周期內(nèi)，分析計(jì)算路面某路段的初始建設(shè)費(fèi)用和道路使用期間費(fèi)用并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，從而為決策者提供合理的依據(jù)。本文通過調(diào)查研究大量的國(guó)內(nèi)外路面養(yǎng)護(hù)資料[9, 78, 81, 89]，采用費(fèi)用現(xiàn)值(present cost,PC)法比較多種集料用于HFST的性價(jià)比(如表9和圖11所示)，進(jìn)而對(duì)各HFST的經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

由圖11可以看出，采用玄武巖的HFST的PC值最高，采用煅燒鋁礬土的HFST的PC值最低，這表明采用煅燒鋁礬土制備HFST具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，煅燒鋁礬土HFST具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和較強(qiáng)的可行性。

表8 常見HFST類型及相應(yīng)的MPD測(cè)試結(jié)果[12, 71]

表9 采用不同集料的HFST的費(fèi)用現(xiàn)值[9, 78, 81, 89]

圖11 采用不同集料HFST的費(fèi)用現(xiàn)值比較Fig.11 PC comparison of HFST with different aggregates

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用煅燒鋁礬土制備的高摩擦道路表面處治(high friction surface treatment, HFST)材料具有優(yōu)異的抗滑及抗滑耐久性，考慮材料來源及成本問題，也可選用鐵燧巖、燧石、砂巖為替代材料制備HFST。煅燒鋁礬土與其他高耐磨集料摻配制備HFST具有一定的可行性，可降低成本和減少環(huán)境污染，使HFST更易在道路工程中推廣應(yīng)用。

(2)采用環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)材料制備的HFST具有優(yōu)異的長(zhǎng)期抗滑性能，然而目前國(guó)內(nèi)環(huán)氧樹脂的關(guān)鍵指標(biāo)—斷裂伸長(zhǎng)率，很難滿足HFST的要求，有必要對(duì)環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑進(jìn)一步改性研究。

(3)HFST粘結(jié)劑推薦用量范圍為1.273～1.782 L/m2，集料推薦用量為集料完全覆蓋粘結(jié)劑的用量。實(shí)際應(yīng)用時(shí)建議可先初選多組粘結(jié)劑用量制作HFST試件并進(jìn)行抗滑性能測(cè)定，從而確定粘結(jié)劑的最佳用量。

(4)HFST的抗滑性能優(yōu)異，可大幅度降低交通事故率，提高道路行駛安全性；采用煅燒鋁礬土的HFST的費(fèi)用現(xiàn)值最低，具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。建議結(jié)合我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具體情況，進(jìn)一步開展針對(duì)各地區(qū)不同地質(zhì)條件與氣候特點(diǎn)的適用性試驗(yàn)。