沥青路面超薄罩面层的材料组成与抗滑性能
摘 要
针对沥青路面抗滑性能衰减过快及行车安全问题，以SMA-05、AC-05、OGFC-10作为超薄罩面层材料，采用马歇尔法进行混合料组成设计，通过车辙试验和加速磨耗试验，评价各混合料高温稳定性和抗滑性能。结果表明：骨架密实型结构SMA-05的高温稳定性最优；随着加速磨耗次数的增加，3种沥青混合料抗滑性能演变规律一致，OGFC-10混合料摩擦系数衰减最快，AC-05和SMA-05混合料的摩擦系数衰减幅度较小，其中SMA-05混合料的持久抗滑性能最优。
关键词
沥青路面 | 超薄罩面层 | 材料组成 | 抗滑性能
引言
沥青路面作为一种无接缝连续式路面，以其平整度好、行车舒适、施工期短、养护维修简单、适于分期修建等优点得到广泛使用[1]。然而，中国许多地区的沥青路面在投入使用不久后便出现了磨光、裂缝、松散、车辙等引起表面功能衰减的早期病害[2]。沥青路面表层功能衰减将降低路面的抗滑性能，而行车安全与沥青路面的抗滑性能密切相关。沥青路面表层摩擦系数下降导致车辆制动距离过长而引发交通事故，尤其是在雨雪天气条件下，路面抗滑系数急剧降低，交通事故更容易发生[3-4]。因此，改善沥青路面的抗滑性能、提高行车安全是道路养护中首先要解决的问题。为了提高道路的服务质量并确保车辆通行安全，常用的手段是通过加铺超薄罩面层对沥青路面表层功能进行恢复[5-6]。目前，常见的沥青路面超薄罩面层材料有Superpave-5、SMA-05、AC-05、OGFC-10、Novachip(A/B/C)等[7-8]，最为常用的薄层罩面层材料为SMA-05、AC-05、OGFC-10，本文对这3种混合料进行组成设计，评价其高温稳定性，重点研究3种混合料抗滑性能衰减规律，从材料组成角度分析沥青路面超薄罩面层的抗滑性能差异。
超薄罩面层的材料组成
沥青结合料制备
采用SK-90＃基质沥青和TPS高黏改性剂制备超薄罩面层用改性沥青，基质沥青技术指标如表1所示。
TPS改性剂购自日本大有株氏会社，主要成分为热塑性弹性体高聚物材料及部分增黏树脂和增塑剂，是一种高黏度沥青改性添加剂，其宏观形貌如图1所示。
矿料性质
按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)的要求选用各种规格的玄武岩石料，粗集料、细集料和矿粉的技术指标分别如表2~4所示，矿粉密度采用李氏比重瓶法测定，介质为煤油。1＃矿料粒径为2.36~4.75mm，2＃矿料粒径为4.75~9.5mm。
矿料级配
根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2017)优选3种级配，如表5所示。
最佳油石比的确定
(1)AC-05混合料
初步选定油石比为5.1%、5.6%、6.1%、6.6%和7.1%，按标准马歇尔试验方法确定沥青混合料的最佳油石比，成型试件时击实次数为双面击实50次，试验结果如表6和图2所示。
由图2可知，毛体积密度最大值、目标空隙率中值、稳定度最大值、沥青饱和度中值对应的油石比分别是5.7%、5.6%、5.4%、5.25%，取它们的平均值5.7%作为ＯAC1；其次，取各项指标均符合技术标准的油石比范围OACmin~OACmax的中值5.8%作为OAC2，最后取OAC1和OAC2的平均值作为最佳油石比，计算得到的最佳油石比为5.7%，即最佳沥青用量为5.4%。
(2)SMA-05混合料
初步选定油石比为5.4%、5.7%、6.0%、6.3%和6.6%，按标准马歇尔试验方法确定沥青混合料的最佳油石比，成型试件时击实次数为双面击实50次，试验结果如表7所示。
按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中SMA混合料配合比设计方法，确定最佳油石比为6.0%，即最佳沥青用量为5.7%。1.4.3OGFC-10混合料分别选取4.6%、4.9%和5.3%三个油石比，拌制3组沥青混合料，每个试件双面击实50次，按标准马歇尔试验方法确定OGFC-10混合料的沥青最佳用量，试验结果如表8所示。
根据析漏试验和飞散试验确定最佳沥青用量。其试验结果如表9所示。
中国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2017)中要求开级配沥青混合料的飞散损失控制在30%以下，但OGFC-10最大公称粒径只有9.5mm，飞散损失在20%时，OGFC-10混合料试件破坏程度非常严重，因此根据规范要求确定OGFC-10混合料析漏损失小于0.3%，飞散损失小于15%，结合马歇尔物理-力学指标结果综合确定最佳油石比为5.3%，最佳沥青用量为5.1%。
超薄罩面层沥青混合料高温稳定性
超薄罩面层作为路面的磨耗层，不仅对原有路面起着预防性养护作用，而且直接承受着车辆荷载的磨耗作用和压密作用[9]。在夏季高温季节，超薄罩面层总是处于面层最高温区，因此其高温稳定性对整个路面结构起着重要作用，研究其高温稳定性非常必要[10-12]。本文采用车辙试验评价超薄罩面层的高温稳定性。分别将拌合均匀的3种沥青混合料按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)要求成型300mm×300mm×50mm标准试件，并进行沥青混合料车辙试验及动稳定度计算，试验结果见表10。
由表10可知，3种级配类型混合料的动稳定度均远大于规范要求，这是由于3种混合料都使用TPS高黏改性沥青，其黏韧性、韧性较好，增强了混合料内部沥青胶浆的内聚力，减少了高温时集料与沥青界面的内聚破坏。与AC-05、OGFC-10混合料相比，SMA-05混合料车辙深度更小，动稳定度更高，抗车辙性能更优。SMA-05属于骨架密实型结构，混合料内部有足够的粗集料形成嵌挤骨架，沥青、矿粉所组成的沥青胶浆能合理填充到骨架空隙内，而且胶浆具有较大的劲度模量和黏结强度，更有利于SMA-5混合料高温稳定性的提高[13-15]。
超薄罩面层沥青混合料抗滑性能的衰减
加速磨耗试验
采用自制的路面表层加速磨耗试验装置对上述3种超薄罩面层混合料进行加速磨耗试验，如图3所示。该装置基本的技术参数及功能如下。
(1)设备自重为200kg，预设加载力为50N，自动保压，试验轮外圈材质为汽车轮胎用橡胶，胎压范围为0.6~0.8MPa，橡胶轮轮迹面积为13.5c㎡，设定主轴转速为30r·min^-1，三轮在试件上的轮迹圆环外环直径为290mm，轮迹与摩擦系数测试仪(DFT)轮迹相符。
(2)通过3个橡胶轮胎在试件环道上的运行模拟车辆轮胎在沥青路面上的往复运行，设定的磨耗圈数完成后仪器自动停止，轮胎的转动速度以及轮胎负荷可以通过变频器调节，并且通过激光数显装置显示，以便模拟不同的交通条件，从而通过测试沥青混合料的抗滑性能，研究路面表层材料的抗滑衰减规律。
(3)可模拟潮湿路面的磨耗，在磨耗过程中水淋装置能随仪器同时启动，并且通过回收泵将积水从试验槽中抽出，回流进入蓄水槽中循环使用。
超薄磨耗层抗滑性能衰减趋势分析
采用上述三轮磨耗设备对成型试验板进行加速磨耗，三轮整体旋转次数设为0、5000、10000、15000、20000、25000、30000；然后进行DFT测
试，采用摩擦系数DF60(μ)作为评价指标，该指标指的是滑移速度为60km·h^-1时所得到的动摩擦系数值，试验结果如图4所示。
随着磨耗加载次数的增加，不同级配超薄罩面层混合料抗滑性能的演变规律是一致的，即摩擦系数随磨耗次数的增加而下降，降幅不断趋缓至稳定。磨耗次数为10000~20000时，曲线斜率变化较大，出现拐点，随后超薄罩面层混合料的抗滑性能逐渐衰减至相对稳定状态。
对于不同级配类型的超薄罩面层混合料，OGFC-10的摩擦系数大于SMA-05、AC-05，但随磨耗次数增加，OGFC-10混合料摩擦系数的衰减幅度是最大的。OGFC-10矿料类型为开级配，其主要骨架结构是集料与集料之间的嵌挤作用，粗集料较多，空隙率较大。初始时混合料的宏观纹理较好，但大空隙率混合料表面覆盖的沥青膜相对较多，在荷载的作用下，集料易产生迁移；随磨耗次数增多，摩擦系数的衰减幅度增大，这表明摩擦系数衰减趋势不仅与路面纹理有关，还与混合料材料组成有关。
SMA-05衰减速率始终保持较低水平，且摩擦系数初值与终值均保持较高水平，可见，在超薄罩面层长期抗滑能力耐久性方面，SMA-05混合料性能较好。
结语
(1)以TPS高黏改性沥青为结合料，优选3种矿料级配，通过马歇尔试验方法确定超薄罩面层AC-05、SMA-05、OGFC-10混合料的最佳油石比分别为5.7%、6.0%和5.3%。
(2)车辙试验表明，SMA-05混合料抗车辙能力最优，因其骨架密实结构使得混合料内部粗集料形成嵌挤骨架，加之TPS高黏改性沥青结合料良好的胶结作用，具有较大劲度模量和黏结强度的沥青胶浆填充到骨架空隙中后，有利于SMA-05混合料高温稳定性的提高。
(3)加速磨耗试验发现，在初始阶段，OGFC-10混合料的摩擦系数大于SMA-05和AC-05，但其摩擦系数衰减速率最大，而SMA-05衰减速率始终保持在较低水平且摩擦系数较大，因此，SMA-05混合料的长期抗滑性能较好。