湿热地区SMA-7高抗滑沥青混合料路用性能评价

Road Performance Evaluation of SMA-7 Asphalt Mixture with High Skid-resistance in Hot and Humid Area

摘要

为提升湿热地区沥青路面抗滑性能，采用88#煅烧铝矾土设计高抗滑沥青面层混合料SMA-7，通过灰靶决策理论确定煅烧铝矾土最佳掺量，并对SMA-7的路用性能进行评价。在优化SMA-7矿料级配范围基础上，确定88#煅烧铝矾土的掺量；通过车辙试验、小梁低温弯曲试验和冻融劈裂试验等分别评价SMA-7沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性与水稳定性；利用自主研发的三轮加速磨光仪对试件进行多次磨光，并采用动态摩擦系数测定仪测定SMA-7在不同模拟速度条件下的动态摩擦系数，以探究SMA-7沥青混合料的抗滑性能演化规律；在综合考虑沥青混合料各项指标基础上，使用灰靶决策理论计算88#煅烧铝矾土的最佳掺量。结果表明：采用88#煅烧铝矾土部分掺代石灰岩可显著提升沥青混合料的综合性能，其中沥青混合料的抗滑持久性、高温稳定性提升效果最明显；经灰靶决策理论计算，在沥青混合料中掺入70%～80%煅烧铝矾土时，SMA-7的路用性能最佳。

关键词

道路工程 / 88#煅烧铝矾土 / 沥青混合料 / 路用性能 / 抗滑性能

Key words

Road engineering / 88# calcined bauxite / Asphalt mixture / Road performance / Anti-skid property

我国南方湿热地区沥青路面作为承受道路交通载荷的主流形式，其抗滑性能是车辆安全高速通行的关键^[1-3]。作为沥青混合料的主要组成部分，路表集料在经过长期摩擦后逐渐裸露，集料的长期耐磨光性对路面抗滑表层的服役耐久性影响显著^[4-6]。与石灰岩和玄武岩等天然集料相比，煅烧铝矾土具有强度高、耐磨耗等优点，更适合在沥青路面抗滑表层使用^[7]。SHENG等^[8]研究了90#煅烧铝矾土超薄磨耗层的耐久性能与黏附行为，验证了煅烧铝矾土作为沥青混合料骨料能够有效提高路面的耐久性。

近年来，沥青路面的抗滑性能成为众多学者的研究热点。WEI等^[9]开展SMA路面的抗滑劣化行为研究，发现骨料类型是决定路面长期抗滑性能的内部因素，且沥青路面的抗滑性能随季节变化表现出显著的波动趋势。为了提高道路安全性能，美国应用SMA-5作为薄层罩面，以此为基础，我国学者设计并铺筑SMA-5抗滑薄层^[10-13]，但由于粒径小，现场施工难度大，与大粒径沥青混合料相比，其抗滑性能不足。VÁZQUEZ等^[14]指出，SMA-8路面声学性能较优。使用SMA-8替换旧SMA-16铺筑于路面后，较密实的路面结构能进一步减少这些区域内的胎路噪声^[15]。谭忆秋等^[16]选取常用的SMA-10、UTAC-10和NovaChip Type-C 3种混合料分析其超薄磨耗层的抗滑性能，发现SMA-10抗滑性能最优。LIU等^[17]研究发现，超薄磨耗层的摆值受粗集料类型影响较大，平均纹理深度受粗集料的公称最大粒径影响较大，SMA-10的抗滑性优于SMA-5。我国抗滑路面表层主要采用SMA-10沥青混合料，但由于其粒径大，在抗滑薄层路面应用较难。在以往研究基础上，综合考虑SMA-5与SMA-10的特点，探究新型抗滑耐久的沥青面层混合料势在必行。

目前，88#煅烧铝矾土在我国公路沥青超薄罩面工程中的应用较少，现有研究对其耐磨性探索不足。鉴于此，本研究引入新型抗滑耐磨集料—88#煅烧铝矾土，以矿料级配为出发点，依据现行规范，结合美国NCHRP对SMA-5的级配范围要求，采用V-S设计法对沥青混合料矿料级配进行优化，设计得到新型SMA-7级配。选用石灰岩与88#煅烧铝矾土作集料，以不同比例进行混掺，制备SMA-7沥青混合料，并对其路用性能进行评价。使用三轮磨光仪结合动态摩擦系数测定仪探究不同掺量沥青混合料的抗滑耐久性。综合考虑混合料各项性能指标，结合灰靶决策理论，计算88#煅烧铝矾土在沥青混合料中的最佳掺量，以期为高抗滑沥青混合料材料选取与性能评价提供依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

试验用沥青胶结料为SBSI-D类改性沥青，其主要技术指标见表1。集料为石灰岩与88#煅烧铝矾土，其物理力学性能见表2和表3。填料为石灰岩矿粉，其主要技术指标见表4。SBS I-D类改性沥青、石灰岩与石灰岩矿粉均源自云南省怒江傈僳族自治州，88#煅烧铝矾土源自山西省阳泉市，木质素纤维购自上海昀兴实业发展有限公司。纤维采用产自上海昀兴实业发展有限公司的木质素纤维，其主要技术指标见表5。

1.2 仪器与设备

电脑摆式摩擦系数测定仪，BM-V，河北中科北工试验仪器有限公司；三轮磨光仪，课题组自主开发；动态摩擦系数测定仪，JDF-08，北京捷通恒信科技有限责任公司，其模拟车速为10~80 km/h，接触压力为150 kPa，橡胶滑块尺寸为20 mm×16 mm×6 mm，橡胶的肖氏硬度为58±2，测量分辨率与精度均为±0.01，自动给水控制范围为0.2~2.0 L/min。

1.3 试验方案

1.3.1 级配设计

依据马歇尔体积设计方法对SMA-7抗滑沥青混合料进行设计。以0.15、6.35 mm为关键筛孔，以6.35 mm为公称最大粒径，结合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）对施工质量的检测要求，将非关键筛孔通过率浮动±3%，关键筛孔通过率浮动±1.5%，得到SMA-7级配组成的推荐范围。图1为矿料级配曲线。

1.3.2 方案设计

使用88#煅烧铝矾土(4.75~6.35 mm)等体积替代同一粒径的石灰岩，沥青混合料中纤维掺量为0.3%(质量分数)。混合料最佳油石比通过马歇尔试验确定，表6为88#煅烧铝矾土掺代试验方案。

1.4 性能测试与表征

高温稳定性测试：SMA-7型高抗滑沥青混合料的高温稳定性由车辙试验评价。

低温抗裂性测试：沥青混合料的低温稳定性由小梁低温弯曲试验评价。

水稳定性测试：通过对冻融处理后马歇尔试件进行劈裂试验，计算冻融劈裂强度比(TSR)来评价沥青混合料的水稳定性。

抗滑性能测试：采用电脑摆式摩擦系数测定仪测量SMA-7沥青混合料所得摆值，按规程T 0703使用摊平砂的平均直径和砂的体积计算得出沥青混合料表面构造深度(TD)来探究沥青混合料的抗滑性能。

抗滑衰减趋势测试：针对矿料级配为纯石灰岩的方案A与全部使用88#煅烧铝矾土的方案E，采用自主研发的三轮磨光仪进行不同次数的路面抗滑模拟。结合动态摩擦系数仪研究试件在不同速度下的动态摩擦系数变化趋势，并测试不同磨耗次数后试件摆值数据，对两种方案抗滑衰减趋势进行探究。

2 结果与讨论

2.1 高温稳定性

沥青混合料为典型的黏弹性材料，高温(60 ℃)条件下经车辆反复碾压易产生车辙、推移等永久性变形，这些病害的出现导致路面平整性降低，排水能力下降，极大程度地降低了沥青路面表层的功能性，影响行车安全。试验选用车辙试验测试SMA-7沥青混合料的抗车辙性能。图2为不同煅烧铝矾土掺量SMA-7沥青混合料的动稳定度。从图2可以看出，在4.75~6.35 mm粒径范围内，随着煅烧铝矾土掺量的增加，沥青混合料的动稳定度稳步上升，其平均变动率为28%。从A方案到E方案，沥青混合料中煅烧铝矾土掺量每增加25%，混合料动稳定度分别增长1 078、3 499、1709、1 999 mm。混合料中煅烧铝矾土掺入体积分数从25%增加至50%时，动稳定度增长率最大，为56.64%；当混合料中煅烧铝矾土掺入体积分数从75%增加至100%时，动稳定度增长率最小，为17.65%。随着煅烧铝矾土掺量的增加，混合料的动稳定度逐步增长，但其增长速率先增加后减小，当煅烧铝矾土掺入体积分数在25%~75%范围内时，混合料的动稳定度增长率较大。

在E方案中，即煅烧铝矾土完全替代石灰岩时，混合料动稳定度高达1 3385次/mm，相较石灰岩未被替代的A方案，动稳定度提升了162%。原因是88#煅烧铝矾土的磨耗损失、压碎值、硬度等力学性能指标均优于石灰岩。考虑煅烧铝矾土导热系数较石灰岩小，耐高温性能佳，升高同等温度条件下，掺煅烧铝矾土的沥青混合料升温较慢，间接提升了沥青混合料的高温稳定性。此外，煅烧铝矾土弹性模量大于石灰岩，并呈弱碱性，表面具有发育良好的莫来石形成的交叉网络结构^[18-19]，与沥青接触形成界面效应较好，动稳定度随着煅烧铝矾土掺量的增加逐步上升。

2.2 低温抗裂性

图3为不同煅烧铝矾土掺量SMA-7沥青混合料的弯曲劲度模量、梁底最大弯拉应变和抗弯拉强度。从图3可以看出，随着煅烧铝矾土掺量的增加，沥青混合料的抗弯拉强度波动性较大。煅烧铝矾土掺量从A方案增加至B方案以及C方案增加至D方案时，混合料抗弯拉强度增加，且煅烧铝矾土掺量从C方案增加至D方案时，混合料抗弯拉强度增长速率较快，为24.28%。煅烧铝矾土掺量从D方案增加至E方案时，沥青混合料抗弯拉强度急剧下降，其下降速率为48.87%。当煅烧铝矾土掺入体积分数在25%~50%区间内时，沥青混合料抗弯拉强度出现转折点，且波动较大，整体上呈缓慢增长趋势，煅烧铝矾土掺量从B方案增加至C方案，混合料抗弯拉强度增加了3.2%。当煅烧铝矾土掺入体积分数为75%时，沥青混合料抗弯拉强度最大，为10.6 MPa。沥青混合料弯曲劲度模量随煅烧铝矾土掺量的变化规律类似于混合料抗弯拉强度，当煅烧铝矾土掺量为75%时，沥青混合料弯曲劲度模量最大，为2 977.22 MPa。随着煅烧铝矾土掺量逐渐增加，混合料梁底最大弯拉应变先增加后减少，在煅烧铝矾土掺入体积分数为50%时最大，约为3 650×10^-6。

SMA-7沥青混合料的低温变形能力可由梁底最大弯拉应变来评价。低温条件下，梁底最大弯拉应变越大，混合料抗裂性能越好；低温抗弯拉强度越大，沥青混合料的抗低温脆性断裂性越好。煅烧铝矾土掺入体积分数为50%时，沥青混合料梁底最大弯拉应变最大；煅烧铝矾土掺入体积分数为75%时，混合料低温抗弯拉强度最大。随着煅烧铝矾土掺量的增加，沥青混合料的低温抗裂性整体上呈先增加后减小的趋势。这可能是因为煅烧铝矾土的多孔结构增加其与沥青的黏附性，随着煅烧铝矾土掺量的增加沥青混合料的低温抗裂性增大。但当煅烧铝矾土掺量过高时，可能会导致沥青混合料中抗弯拉强度不均匀，从而导致混合料低温抗裂性能劣化。

2.3 水稳定性

在车辆荷载与动水循环作用下，沥青膜从矿料表面脱落，导致沥青路面松散变形直至破坏。为评价SMA-7沥青混合料水稳定性，通过采用冻融劈裂试验对其进行研究，图4为不同煅烧铝矾土掺量SMA-7沥青混合料的冻融劈裂残留强度比。从图4可以看出，在不同煅烧铝矾土掺量下，沥青混合料冻融劈裂残留强度比均满足规范要求。与方案A相比，使用88#煅烧铝矾土替代(4.75~6.35 mm)石灰岩集料的4个方案的冻融劈裂残留强度比均有所下降。考虑到88#煅烧铝矾土比石灰岩的吸水性强，水在冻融作用下更容易入侵集料与沥青界面，从而产生微体积膨胀。随88#煅烧铝矾土掺代量增加，水对沥青和煅烧铝矾土界面影响效应也在逐渐增加。同时，88#煅烧铝矾土较石灰岩吸收水分更多，冻融循环过程中，水冰作用下水的体积扩张效应致使沥青混合料内部产生较多裂缝，沥青逐渐剥落，混合料残留稳定度降低，从而导致冻融劈裂残留强度比下降。

2.4 抗滑耐久性

沥青路面抗滑性越好，车辆行驶越安全。使用摆式摩擦试验与表面构造深度试验探究SMA-7沥青混合料的表面粗糙度，图5为不同煅烧铝矾土掺量SMA-7沥青混合料的构造深度与摆值。从图5可以看出，混合料构造深度随88#煅烧铝矾土的增加浮动较小，原因是沥青混合料构造深度受集料自身性质影响较小，受级配影响较大。此外，煅烧铝矾土为土状矿物高抗滑集料，耐磨性高，耐久性好。随着88#煅烧铝矾土掺量的增加，混合料摆值增幅较小，考虑试件未被磨光时，表面的集料被沥青胶浆所裹附，沥青膜主要提供摆值的测试结果，故结果相差不大。但因煅烧铝矾土较石灰岩硬度大、磨光值高、针片状含量较小，随着煅烧铝矾土掺量的不断增加，其在混合料中分布更加广泛密集，表面粗糙度上升，故摆值略微有所增加。

为探究掺入88#煅烧铝矾土后SMA-7沥青混合料的抗滑衰减趋势，采用三轮磨光仪和动态摩擦系数测定仪探究A和E两种方案试件在不同模拟速度、不同磨光次数下动态摩擦系数的变化趋势。动态摩擦系数越高，抗滑性越好。结合摆式摩擦试验评价其在提升路面抗滑耐久性方面的表现。图6为动摩擦系数随模拟速度的变化趋势。图7为摆值随磨耗次数变化趋势。从图6可以看出，尽管模拟速度不同，但各试验方案的动态摩擦系数均随着磨光次数的增加有所下降，其中方案E动摩擦系数始终高于方案A。随着磨光次数增加，两种方案动态摩擦系数均逐渐趋于稳定。磨光次数增加后，方案E动态摩擦系数下降趋势始终较方案A缓慢。这是由于88#煅烧铝矾土氧化铝含量大于88%，主要晶相组成为刚玉和莫来石，两种晶相形成网络骨架，致使经过磨光破坏后表面仍能维持较高摩擦因数。石灰岩表面纹理单一，颗粒间松散，88#煅烧铝矾土颗粒间密实，有一定构造深度，两种集料硬度不同，经长期磨损后，形成差异磨光^[20-22]。因此，将88#煅烧铝矾土和传统集料混掺，可有效提升沥青路面抗滑性与耐久性。从图7可以看出，随磨耗周期增加，方案A与方案E中摆值均呈现先降低并保持稳定的变化趋势，方案E中摆值显著优于方案A，表明方案E中沥青混合料的抗磨耗性能优异。

3 88#煅烧铝矾土掺量方案优选

将适量88#煅烧铝矾土掺入SMA-7能够显著提升混合料的高温稳定性、低温抗裂性和抗滑耐久性等。但煅烧铝矾土掺量过多不但可以致使混合料水稳定性等性能急剧下降，而且增加了工程的资金投入。因此，开展88#煅烧铝矾土掺量方案的优选研究意义重大。灰靶决策理论(GTDM)是一种基于灰色系统理论的决策分析方法，适用于多因素决策问题^[23-25]。将灰色数学方法与决策分析相结合能够在不确定或模糊条件下做出合理决策。在灰靶决策中，首先设定一个或多个目标效果的取值范围(即灰靶)，然后根据备选方案的指标值与目标效果的灰关联度来确定最优方案。本文采用灰靶决策方法，针对88#煅烧铝矾土掺量方案进行优选分析。

根据实际情况与预定目标建立灰色模型，综合考虑不同铝矾土掺量混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗滑耐久性，对混合料中最优的煅烧铝矾土掺量方案进行求解。以动稳定度、冻融劈裂残留强度比、构造深度、梁底最大弯拉应变、抗弯拉强度和摆值为评价指标建立灰色模型。根据灰靶决策建模理论，对各评价指标采用式(1)的灰色上限效果测度进行计算，表7为各评价指标的验证结果。

\begin{array}{c}{S}^s=\{(r^{(\mathrm{1})},r^{(\mathrm{2})},r^{(\mathrm{3})},r^{(\mathrm{4})},r^{(\mathrm{5})})|{d_{\mathrm{1}}}^{(\mathrm{1})}\le r^{(\mathrm{1})}\le {d_{\mathrm{2}}}^{(\mathrm{1})},\\ {d_{\mathrm{1}}}^{(\mathrm{2})}\le r^{(\mathrm{2})}\le {d_{\mathrm{2}}}^{(\mathrm{2})},...,{d_{\mathrm{1}}}^{(\mathrm{5})}\le r^{(\mathrm{5})}\le {d_{\mathrm{2}}}^{(\mathrm{5})}\}\end{array} (1)

式(1)中：r⁽ⁱ⁾ 为相应目标下的效果测度值；d_j ⁽ⁱ⁾ 为相应目标下效果值的上下临界值；S^s 为s维超平面区域的决策灰靶。

0~100%煅烧铝矾土掺入体积分数的沥青混合料效果向量依次为：u ₁=[5 100，97.6，0.690，3 287，7.253 84，66]∈S ₅，u ₂=[6 178，96.5，0.697，3 453，8.296 40，70]∈S ₅，u ₃=[9 677，94.6，0.716，3 650，8.561 78，69]∈S ₅，u ₄=[11 386，93.5，0.710，3 574，10.640 57，72]∈S ₅，u ₅=[13 385，91.8，0.715，3 368，5.440 43，73]∈S ₅，S ₅为在5维超平面区域的决策灰靶。最优效果向量为u=[13 385，97.6，0.716，3 650，10.640 57，73]∈S ₅。表8为各指标灰色效果测度变换值。

决策灰靶在5维空间中组成球形灰靶，r ₀=[1，1，1，1，1]为各方案的灰色效果理想测度向量。通过式(2)、式(3)可计算出各方案灰色测度向量与灰色效果理想测度向量之间的靶心距。表9为不同方案靶心距计算结果。

\begin{array}{c}{R}^s=\{(r^{(\mathrm{1})},r^{(\mathrm{2})},\dots ,r^{(\mathrm{5})})|(r^{(\mathrm{1})}-{r_{\mathrm{0}}}^{(\mathrm{1})}{)}^{\mathrm{2}}+\\ (r^{(\mathrm{2})}-{r_{\mathrm{0}}}^{(\mathrm{2})}{)}^{\mathrm{2}}+\dots +(r^{(\mathrm{5})}-{r_{\mathrm{0}}}^{(\mathrm{5})}{)}^{\mathrm{2}}\le R^{\mathrm{2}}\}\end{array} (2)

式(2)中：R ^S是以R为半径、r ₀为球心的s维球形决策灰靶；r ₀ ^{( i )}为各指标在相应目标下经灰色效果测度变换后的理想值。

S D_n = | r_n - r_{\mathrm{0}} | = \sqrt[]{({r_n}^{(\mathrm{1})}-{r_{{}_{\mathrm{0}}}}^{(\mathrm{1})}{)}^{\mathrm{2}}+({r_n}^{(\mathrm{2})}-{r_{{}_{\mathrm{0}}}}^{(\mathrm{2})}{)}^{\mathrm{2}}+\dots +({r_n}^{(\mathrm{5})}-{r_{\mathrm{0}}}^{(\mathrm{5})}{)}^{\mathrm{2}}} (3)

式(3)中：r_n ^{( i )}为相应目标下的效果测度值；r ₀为经灰色效果测度变换后的理想值；r_n 为决策方案n的灰色效果测度向量；SD_n 为灰色效果测度向量r_n 与球心位置r ₀的距离。

从表9可以看出，掺入煅烧铝矾土的沥青混合料综合性能均优于不掺煅烧铝矾土的沥青混合料，因此煅烧铝矾土可提升沥青混合料的综合性能。当煅烧铝矾土掺入体积分数为70%~80%时，沥青混合料的综合路用性能最佳。但考虑到南方地区湿热环境，为保证沥青路面高温稳定性及水稳定性，具体施工时应根据当地气候条件在合理范围内对混合料中煅烧铝矾土掺量进行调整。

4 结论

在沥青混合料中混掺88#煅烧铝矾土后，其高温稳定性得到显著提升。随着煅烧铝矾土掺量的增加，沥青混合料的高温稳定性稳步提升。当使用煅烧铝矾土100%替换混合料中4.75~6.35 mm范围内的集料时，混合料动稳定度高达13 385次/mm，约为纯石灰岩沥青混合料的2.62倍。掺入不同含量煅烧铝矾土后，沥青混合料低温抗裂性波动性较大。当煅烧铝矾土掺入体积分数为75%时，沥青混合料抗弯拉强度最大，为10.6 MPa。此外，随着沥青混合料中煅烧铝矾土掺量增加，混合料水稳定性呈缓慢下降趋势。沥青路面服役初期，路面抗滑性能主要由集料级配和集料表面沥青膜决定。与纯石灰岩沥青混合料相比，掺有煅烧铝矾土的沥青混合料构造深度和摆值呈缓慢上升趋势。分析三轮磨光仪和动态摩擦系数测定仪的试验结果可知，与纯石灰岩沥青混合料相比，掺入煅烧铝矾土后能够显著提升沥青混合料的抗滑耐久性。基于灰靶决策理论，综合考虑沥青混合料各项指标，当沥青混合料中煅烧铝矾土掺入体积分数为70%~80%时，其综合路用性能最佳。考虑到南方地区湿热环境，为保证沥青路面高温稳定性及水稳定性，具体施工时应根据当地气候条件在合理范围内对混合料中煅烧铝矾土掺量进行调整。

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基金资助

江西省交通运输科技项目(2023H0013)