基于分异磨耗的沥青混合料抗滑性能研究

Skid resistance of asphalt mixtures based on differential abrasion

摘要

为解决超薄磨耗层长期服役过程中抗滑性能持续衰减问题，该文基于集料分异磨耗原理，剖析路面宏微观纹理演变与集料磨耗作用的内在联系，探讨不同粒径石灰岩等质量替代辉绿岩对沥青混合料抗滑性能的影响规律。采用轮式磨耗仪模拟车辆行车荷载反复作用下路面集料的长期磨耗过程，结合铺砂法构造深度试验、摆式摩擦系数试验及PATT‑Ⅱ路面抗滑纹理测试仪采集混合料宏微观纹理数据，分析不同集料掺配方案下构造深度、摆值及表面纹理分布特征随磨耗圈数的变化规律，评价各配合比全生命周期抗滑性能，确定最优集料掺配方案。结果表明：所有集料掺配方案的沥青混合料抗滑指标变化规律一致，磨耗初期（0~1 000圈）的构造深度与摆值衰减速率最快，中后期衰减逐渐平缓，整体呈现前期快衰、后期平稳的变化特征。其中，S2.36混合料表现出最佳抗滑性能，经过长期磨耗后，摆值仍保持在56 BPN，构造深度衰减率仅为30.36%，抗滑耐久性明显优于其余配合比；S2.36混合料表面纹理分布密度稳定，离散程度适中，纹理形貌多样性显著提升，可有效抑制抗滑性能的衰减。综合而言，基于集料分异磨耗设计的集料配比方案，可有效优化超薄磨耗层沥青混合料的抗滑耐久性；S2.36掺配方案可同时兼顾路面初始抗滑性能与长期服役稳定性，可为超薄磨耗层路面材料配比优化及实际工程应用提供可靠的理论依据和技术支撑。

Abstract

To address the continuous attenuation of skid resistance in ultra-thin wearing courses during long-term service, this study, based on the principle of differential abrasion of aggregates, analyzes the intrinsic relationship between the evolution of pavement macro- and microtexture and aggregate abrasion, and explores the effects of replacing diabase with equal masses of limestone of different particle sizes on the skid resistance of asphalt mixtures. A wheel abrasion tester was used to simulate the long-term abrasion process of pavement aggregates under repeated vehicle loading. Macro- and microtexture data of the mixtures were collected through the sand patch texture depth test, British pendulum test, and PATT-Ⅱ pavement skid-resistant texture tester. The variations in texture depth, pendulum value, and surface texture distribution characteristics with the number of abrasion cycles were analyzed for different aggregate blending schemes, and the skid resistance of each mixture over its full life cycle was evaluated to determine the optimal aggregate blending scheme. The results show that the skid resistance indices of asphalt mixtures with all aggregate blending schemes exhibit consistent variation trends. The texture depth and pendulum value decrease most rapidly at the initial stage of abrasion (0‒1 000 cycles), while the rates of decrease gradually slow down in the middle and later stages, showing an overall trend of rapid early-stage attenuation followed by relative stability. Among them, the S2.36 mixture exhibits the best skid resistance. After long-term abrasion, the pendulum value remains at 56 BPN, and the attenuation rate of texture depth is only 30.36%, indicating significantly better skid resistance durability than the other mixtures. The surface texture distribution density of the S2.36 mixture remains stable, its dispersion remains moderate, and the diversity of texture morphology is significantly enhanced, thus effectively suppressing the attenuation of skid resistance. Overall, the aggregate proportion designed based on differential abrasion of aggregates can effectively improve the skid resistance durability of asphalt mixtures for ultra-thin wearing courses. The S2.36 blending scheme can simultaneously ensure the initial skid resistance and long-term service stability of the pavement, providing a reliable theoretical basis and technical support for material proportion optimization and practical engineering application of ultra-thin wearing courses.

Graphical abstract

0 引言

近年来，道路交通安全问题日益受到重视。据中国国家统计局数据，2022年中国共发生道路交通事故约25万起，造成6万余人死亡，直接财产损失高达12亿元。其中，雨天路面湿滑和雪天路面结冰引发的事故占比达26.73%。湿滑和结冰导致路面抗滑性能劣化，威胁人民生命财产安全。由此可见，提升路面抗滑性能对保障道路交通安全至关重要。路面抗滑性能的优劣主要取决于轮胎与路面的摩擦力，而这种摩擦力受路面纹理形态、轮胎材料特性、环境因素（如水、冰、污染物）、路面干湿状态和车辆行驶速度等因素的影响^［1-4］。

集料作为沥青混合料的核心组成部分，是路面纹理形态的主要影响因素^［5-7］。集料的硬度、酸碱性和表面构造特性会影响其耐磨性，以及与沥青的结合能力，从而对路面抗滑性能和耐久性产生直接影响^［8-13］。在实际道路使用过程中，不同性质的集料因耐磨性和结合能力的差异，在磨耗过程中会表现出不同的磨损速度和表面形态变化。硬度较高的集料磨耗速率较慢，能够保留更多表面凸起，硬度较低的集料则磨耗速率更快，表面易变得光滑，从而使道路表面形成差异化构造，该现象即为分异磨耗现象。这种现象不仅可以反映集料在持续荷载作用下的耐久性，还可以通过形成差异化的路面构造提高路面的抗滑性能。超薄磨耗层作为一种重要的预防性养护措施，不仅可以在不改变原路面结构的情况下提升表层抗滑性能，还能修复轻微病害，增加排水能力和使用寿命^［14-18］。然而，超薄磨耗层的修建需要大量高性能集料。玄武岩、花岗岩等高性能集料储量有限，无法广泛应用于所有道路工程中。因此，如何通过合理设计集料的组合形式，实现资源优化配置、延缓抗滑性能衰变，成为当前研究的热点。

学者们提出了多种改进策略。Zhang等^［19］设计了4种不同钢渣掺量和2种级配的沥青磨耗层。结果表明，钢渣代替部分玄武岩可以显著提高沥青磨耗层的抗滑性能和抗磨损性能；Li等^［20］采用铝土矿替代表层粗集料，发现不同等级的煅烧铝土矿的物理和力学性能与石灰石相比增加了20%~200%；张全民等^［21］通过钢渣集料和环氧沥青胶结料设计和制备了耐久型钢渣‒环氧超薄磨耗层（EA-UTWC），发现其高抗变形能力可有效延缓疲劳损伤累积；Huan等^［22］将煅烧铝土矿与石灰岩按照6种比例复配作为矿物集料，制备SMA-5超薄磨耗层。研究表明：两种集料耐磨性能差异较大，磨损后会形成差异化纹理结构，能够有效降低超薄磨耗层抗滑性能的衰减速率，提升抗滑耐久性；Cheng等^［23］以废玻璃替换玄武岩作为集料制备沥青微堆焊材料，发现随着废玻璃含量的增加，微堆焊混合物的摆值和构造深度增加，可以在一定程度上改善微堆焊混合物的防滑能力。目前大部分研究集中于单一类型集料（如玄武岩或石灰岩）与其他材料的组合应用，针对不同集料粒径替代效果的对比分析较为匮乏，尤其是基于集料分异磨耗原理开展优化设计的相关研究少见。如何通过优质集料与劣质集料抗磨耗能力的差异比较，掺配设计优化混合料的抗滑性能，同时降低对优质集料的依赖，仍需深入研究。

本文基于集料分异磨耗原理，开展不同性质集料的掺配设计，确定不同集料掺配方案下的最佳沥青用量，并探讨集料的分异磨耗效应对混合料抗滑性能的影响。在试验中，采用SMA-10型级配，以适配后续超薄磨耗层的需求，测试不同集料掺配方案下路面构造深度和摆值的变化规律，同时借助PATT-Ⅱ设备采集路面纹理数据。从宏、微观尺度分析路面性能变化规律，确定抗滑衰变性能最优的集料掺配方案，为超薄磨耗层的设计提供理论依据。

1 材料及试验方法

1.1 原材料

选用SBS成品沥青，主要技术指标见表1。辉绿岩作为细集料，石灰岩磨细矿粉作为填料。采用辉绿岩及石灰岩作为粗集料，测得相关性能指标如表2所示。辉绿岩的莫氏硬度一般为6~7，属于较硬的岩石，密度较高，抗压强度较高，具有较好的耐磨性。石灰岩的莫氏硬度较低，一般为3~4，密度比辉绿岩要小，抗压强度也较低。

1.2 沥青混合料配合比设计

考虑道路养护维修时常使用超薄磨耗层，而SMA-10沥青混合料的设计粒径能够满足薄层罩面的要求，故选用SMA-10作为分异磨耗研究的级配类型，级配如表3所示。

两种粗集料密度略有差异，为了简化操作采用等质量法。对于初始全部采用辉绿岩的混合料，分别以石灰岩替代2.36 mm、4.75 mm及9.5 mm粒径辉绿岩集料。全部采用辉绿岩的沥青混合料命名为H，以石灰岩替代2.36 mm粒径辉绿岩集料的沥青混合料命名为S2.36，并以此类推。不同沥青混合料的最佳油石比及马歇尔体积指标如表4所示。

1.3 试验方法

1.3.1 抗滑性能衰变试验

抗滑性能衰变试验采用自行研发的轮式磨耗仪进行0圈、200圈、500圈、1 000圈、3 000圈、5 000圈、7 000圈、10 000圈磨耗，轮胎接地压强为0.7 MPa，转速为75 r/min。轮式磨耗设备如图1所示。为加强磨耗强度，试验采用加砂磨耗的方式，选用0.25 mm金刚砂。

1.3.2 构造深度试验

本试验所采用的抗滑性能衰变模拟设备，其磨耗轨迹为宽度5 cm的圆环，若采用《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450—2019）中手工或电动铺砂法等均无法测得其构造深度。因此，测试采用推平板、硫酸纸及铅笔等为主要试验器材，测试轮迹处的构造深度。测试流程为：① 称取4份相同质量的铺砂法专用砂，将砂子堆倒在轮迹带四边的中心位置，使用推平板将砂子均匀摊铺，确保铺砂区域完全在轮迹带内；② 在砂层上方铺设硫酸纸，并使用铅笔描绘出摊铺轮廓；③ 使用300 ppi分辨率扫描不同磨耗圈数的摊铺轮廓，300 ppi分辨率代表1英寸×1英寸的图片中有300×300个像素点，即2.54 cm×2.54 cm的图片中有90 000个像素点；④ 使用Photoshop快速选择工具圈选铺砂区域，通过直方图中像素区域读取铺砂区域的像素点数量，并通过像素点数量计算得到铺砂区域的面积（图2）。轮迹带上下左右4个测区按上述步骤进行构造深度测试，取4次测试结果平均值作为该磨耗周期的试验结果。

车辙板构造深度计算公式如下：

D_{\mathrm{T}\mathrm{D}}=\frac{\mathrm{10}\times m/\rho }{S/{\mathrm{300}}^{\mathrm{2}}\times \mathrm{2}.{\mathrm{54}}^{\mathrm{2}}}（1）

式中：D_TD为构造深度（mm）；m为每次试验用砂质量（g）；ρ为构造深度用砂堆积密度（g/cm³），取1.63 g/cm³；S为砂样摊平后轮廓的像素点数量。

1.3.3 摆值试验

根据《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450—2019）中的T0964—2008，采用摆式摩擦仪进行摆值测定。规范使用的橡胶片尺寸为6.35 mm×25.40 mm×76.20 mm，发现胶片长度超过轮迹带宽度，若直接使用会导致试验出现较大误差。因此，试验采用小橡胶片进行测试，其尺寸为6.35 mm×25.40 mm×31.75 mm（图3）。由于轮式磨耗仪磨耗形成的轮迹带为环状，为保证测试区域的一致性，试验对测量构造深度的4个区域进行摆值试验，取4次测试结果的平均值作为该磨耗周期的试验结果。

当路面温度为t（℃）时，测得的摆值为V_BPNt，必须按公式换算成标准温度20 ℃的摆值V_BPN20，计算公式如下：

V_BPN20 = V_BPNt +ΔV_BPN （2）

式中：ΔV_BPN为温度修正值，按规范选取。

1.3.4 抗滑纹理激光扫描试验

沥青路面纹理可以分为宏观纹理和微观纹理两部分，各自对路面抗滑性能的影响不同。宏观纹理主要表征路面粗糙度的整体特征，其尺寸范围通常为波长0.5~50.0 mm、高度0.2~10.0 mm，能够增强轮胎与路面的机械嵌挤作用，提高干燥条件下的抗滑性能。而微观纹理则指细颗粒间的微小凸起和凹陷，其波长为0~0.5 mm、高度为0.005~0.200 mm，在湿滑条件下通过增加黏附力显著改善抗滑性能。然而，传统铺砂法主要利用粒径为0.15~0.30 mm的砂砾填充路面纹理，仅能反映宏观纹理，难以测试0.15 mm以下的微观构造特征。

为了更全面分析，采用PATT-Ⅱ路面抗滑纹理测试仪进行激光扫描，并使用与设备配套的纹理数据处理软件处理试件表面轮廓数据。为了从多方面评价集料分异处理对混合料抗滑性能造成的影响，选取以下指标进行分析：

（1） 平均构造深度。在扫描范围内，轮廓各点到轮廓峰顶线距离的综合算术平均值，表征轮廓竖向分布特征，评价路面粗糙特性，计算公式如下：

D_{\mathrm{M}\mathrm{T}\mathrm{D}}=\frac{\mathrm{1}}{N}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^N}H\left(x_i\right)（3）

式中：D_MTD为平均构造深度（mm）；N为断面轮廓采样总点数；H（x_i ）为轮廓各点到轮廓峰顶线距离（mm）。

（2） 平均断面深度。评价路面粗糙特性的重要指标，表征轮廓竖向分布特征，计算要求每个断面长度需超过100 mm，其产生与发展得益于激光等先进的路面扫描设备。该指标与D_MTD之间存在显著的相关性，二者共同构成了评价路面宏观纹理的主要依据^［17］，计算公式如下：

D_{\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{D}}=\frac{\left(F_{\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{1}}-F_{\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{2}}\right)}{\mathrm{2}}-\frac{\mathrm{1}}{N}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^N}Z\left(x_i\right)（4）

式中：D_MPD为平均断面深度（mm）；F_{\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{1}}为最高峰值1；F_{\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{2}}为最高峰值2；Z（x_i ）为采样点高程（mm）。

（3） 轮廓算术平均偏差。可用来量化形貌轮廓上各点相对于基准线高程离散程度的指标，能够反映不同高程点之间的平均高程偏差，揭示路面轮廓离散性，计算公式如下：

R_{\mathrm{a}}=\frac{\mathrm{1}}{N}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^N}\left|Z\left(x_i\right)-\overline{Z}\right|（5）

式中：R_a为轮廓算术平均偏差（mm）；Z（x_i ）为采样点高程（mm）；\overline{Z}为断面高程均值（mm）。

（4） 轮廓均方根偏差。与R_a相似，同样表征路面轮廓离散性，但其更类似于标准差，对断面高程有加权效应，计算公式如下：

R_{\mathrm{q}}=\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{N-\mathrm{1}}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^N}{\left[Z\left(x_i\right)-\overline{Z}\right]}^{\mathrm{2}}}（6）

式中：R_q为轮廓均方根偏差。

（5） 偏斜度。评价道路表面对称性的关键指标，其值反映了道路表面的形貌特征。当道路表面主要由凹陷或凹槽等负向纹理构成时，偏斜度将呈现负值；当道路表面主要由凸起或脊状等正向纹理构成时，偏斜度则呈现正值。这一指标不仅能够精确描述道路断面轮廓的形态分布，而且表明正负纹理的存在对道路表面产生的噪声水平具有显著影响。偏斜度R_sk计算公式如下：

R_{\mathrm{s}\mathrm{k}}=\frac{\mathrm{1}}{R_{\mathrm{q}}^{\mathrm{3}}}\frac{\mathrm{1}}{N}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^N}{\left[Z\left(x_i\right)-\overline{Z}\right]}^{\mathrm{3}}（7）

（6） 陡峭度R_ku。表征轮廓曲面分布变化的尖峭程度，R_ku=3时，形貌轮廓的偏距满足理想随机的正态分布；R_ku>3时，路面轮廓分布陡峭；R_ku<3时，轮廓曲线较为平坦（图4）。

R_ku计算公式如下：

R_{\mathrm{k}\mathrm{u}}=\frac{\mathrm{1}}{R_{\mathrm{q}}^{\mathrm{4}}}\frac{\mathrm{1}}{N}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^N}{\left[Z\left(x_i\right)-\overline{Z}\right]}^{\mathrm{4}}（8）

2 结果与讨论

2.1 构造深度试验

不同沥青混合料磨耗后构造深度试验结果如图5所示。

由图5可知：

（1） 一方面，随着磨耗数的增加，不同沥青混合料构造深度均呈三阶段线性降低规律。随着磨耗的持续，将造成集料表面沥青膜的剥落，集料表面微构造的磨平，以及路表宏观构造的磨损，从而表现为混合料表面的构造深度持续降低；另一方面，由于沥青膜剥落会使得集料表面微构造磨平难度降低，因此磨耗初期构造深度下降速率快，后期逐渐趋于平缓。在加砂磨耗试验过程中，混合料的构造深度变化可以分为3个阶段：快速下降阶段（0~200圈）、缓慢下降阶段（200~1 000圈）和趋于平缓阶段（1 000圈以后）。在前200圈磨耗期内，构造深度下降最为显著，该阶段平均下降量占总平均下降量的47.93%。此阶段集料表面包裹的沥青膜及其尖锐棱角不断被磨损消失；在200~1 000圈磨耗阶段，由于表面最易磨损的部位已经损耗完毕，构造深度的下降速率相比前一阶段有所减缓。尽管如此，在砂粒与轮胎的共同作用下，集料残余棱角仍然会受到进一步的磨损。当磨耗圈数超过1 000圈后，经过前两个阶段的磨耗，混合料棱角的磨耗程度较高，轮胎与金刚砂对集料的磨耗作用受到抑制，因此构造深度的下降趋势逐渐趋于平缓。

（2） 置换粗集料对改善混合料构造深度效果显著，即混合料存在明显的分异磨耗现象，该现象在置换粗集料中的偏细组分表现得尤为突出。未经磨耗作用时，4种混合料的初始构造深度大小顺序为S2.36>S4.75>S9.5>H，经过10 000圈加砂磨耗后，残余构造深度的排序依旧如此。这正是集料分异磨耗带来的结果，石灰岩与辉绿岩硬度差异显著，石灰岩强度较低、表面易磨损，沥青膜剥落后会优先发生破坏，而高硬度集料辉绿岩逐步承担表层骨架作用，磨耗后仍可以维持较高的构造深度。进一步分析整体下降率发现，4种混合料的构造深度下降率排序为：S4.75（31.48%）>S2.36（30.36%）>S9.5（28.42%）>H（28.26%）。这是因为级配中不同粒径集料所占比例不同，同时石灰岩与辉绿岩强度不同。虽然掺入石灰岩后，混合料初始表面构造更加丰富，但石灰岩针片状的比例较高，沥青膜磨损剥离之后，其与轮胎接触面积较小，表面集料难以承受轮胎的持续磨耗作用，抗滑衰变性能较差。因此，石灰岩替换占比高的沥青混合料虽在初期可以获得更大的表面构造深度，但更容易受磨耗作用影响；而石灰岩替换占比较小的沥青混合料，尽管初始构造深度较低，但具有更优异的耐磨性能。

2.2 摆值试验

不同沥青混合料磨耗后摆值试验结果如图6所示。

由图6可知：

（1） 随着磨耗数增加，不同沥青混合料摆值均呈分阶段线性降低。随着磨耗的增加，路面颗粒被逐步磨平，表面粗糙度降低，从而降低了摩擦力，导致沥青混合料抗滑性能下降。在加砂磨耗的过程中，混合料的构造深度变化可以分为两个阶段：快速下降（0~1 000圈）和缓慢下降（1 000圈以后）。在前1 000圈磨耗阶段，混合料的摆值衰减速率较快，该阶段摆值的平均下降值占总平均下降值的34.62%。初始状态下，混合料集料棱角较为丰富，磨耗初期，其表面最易磨损部分迅速被磨损，造成摆值快速下降；当磨耗圈数超过1 000圈时，摆值的下降幅度逐渐趋于平缓。说明该阶段混合料抗滑性能衰减速率降低。这可能是因为经过初期磨损之后，表面达到新的平衡状态，残余的颗粒逐渐起到了支撑作用，使得抗滑性能不再急剧下降。

（2） 置换粗集料可以提高混合料的摆值，但需要合理控制石灰岩的替换比例。未经磨耗的情况下，摆值由高到低依次为：S2.36>S4.75>S9.5>H，经过10 000圈磨耗后摆值大小排序未变。这是因为在分异磨耗的作用下石灰岩颗粒表面的沥青膜较易剥离，而表面微观结构也更易磨平，在初期磨耗掉集料表面沥青后，石灰岩与辉绿岩两种集料掺配形式会使混合料形成比单一集料更丰富的表面形态。因此，替换不同粒径石灰岩的沥青混合料均比未替换的沥青混合料有更高的摆值。不同混合料的摆值下降率排序为：S4.75（19.13%）>S2.36（19.08%）>H（18.88%）>S9.5（18.82%）。这是因为石灰岩与辉绿岩的耐磨性能不同。

磨耗200圈后与磨耗10 000圈后不同集料状态对比结果如图7所示。在经历磨耗后，图7（a）中的辉绿岩颗粒表面细部构造依旧清晰，颗粒形态保持完整；而图7（b）中的石灰岩颗粒在轮胎接触磨耗后变得光滑圆润，细部构造几乎完全消失，棱角也严重磨平［如图7（b）中的②所示］。即使使用石灰岩能够获得更优异的初始抗滑性能，但经过磨耗作用后，混合料表面构造的丰富度会大幅下降；当混合料中石灰岩占比较大时，该不利影响就会被放大。综上，虽然将辉绿岩替换成石灰岩可以在一定程度上提高混合料的摆值，但从混合料的全生命周期来看，大量的替换会对抗滑衰变性能产生不利影响。因此，在实际应用中需慎重选择集料替换方案，避免使用量过高而产生负面影响，以保证路面在进入摆值平缓衰变期后依旧具备良好的抗滑性能。

（3） 摆值试验结果与构造深度试验结果总体趋势一致。随着磨耗圈数的增加，构造深度和摆值初期下降较快，后期下降幅度逐渐趋于平缓。这表明沥青混合料的宏观粗糙度和抗滑能力在磨耗初期阶段受到了较为严重的破坏，经过一定磨耗作用后趋于稳定。但在相同的磨耗条件下，构造深度的下降幅度为28.26%~31.48%，摆值的下降幅度为18.82%~19.13%，构造深度的衰减程度更为明显。这可能是因为构造深度主要表征表面粗糙度变化，而摆值不仅受到粗糙度的影响，还与集料表面材料的黏附性等因素有关。

2.3 抗滑纹理激光扫描试验

不同沥青混合料类型经过不同程度磨耗后，各项评价指标变化情况如图8~14所示。

由图8可知：置换粗集料后沥青混合料的D_MTD均有提升。其中，上升幅度最大的为S2.36，并非替换粒径更大的S4.75。这说明集料分异处理后能够显著提升混合料表面构造的丰富度，但这种丰富度并不会随着石灰岩掺量的增加而递增，而是受到不同集料粒径的差异化影响。小粒径的石灰岩与辉绿岩的替换能形成更精细的表面微观结构，而大粒径集料的替换更易于构建粗糙的纹理结构。随着磨耗数的增加，混合料的D_MTD变化分为快速下降、缓慢下降和趋于平缓3个阶段。4种混合料D_MTD下降率排序为：S4.75（23.58%）>S2.36（21.24%）>S9.5（17.39%）>H（16.85%）。D_MTD的变化趋势与构造深度的变化趋势非常相似，但构造深度总平均下降率高达29.73%，变化幅度更大。这是因为PATT-Ⅱ仅扫描整块车辙板的表面轮廓，轮式磨耗仪的磨耗区域占试件上表面的42%，其他区域并未经磨耗，因此PATT-Ⅱ所计算的数据变化幅度较小。尽管如此，PATT-Ⅱ所测数据的变化规律仍能有效反映混合料的抗滑衰变性能。

由图9可知：随着磨耗数的增加，不同沥青混合料平均断面深度均呈三阶段线性降低规律。4种混合料D_MPD下降率排序为：S4.75（44.5%）>S2.36（43.46%）>S9.5（36.08%）>H（31.39%）。其中S2.36对应指标值的下降幅度并不小，但磨耗前后其D_MPD值均为最大。上述现象说明：① 石灰岩掺量越高，磨耗对混合料抗滑衰变性能的影响越显著；② 对于SMA-10型级配，将2.36 mm档辉绿岩替换为石灰岩后，混合料展现出了最优的抗滑衰变性能，体现了集料分异磨耗效应对抗滑性能优化的关键作用。磨耗早期，石灰岩与辉绿岩的硬度差异能够为混合料提供丰富的表面纹理，但石灰岩易于磨损，导致其抗滑性能会在长期磨耗过程中迅速衰退。因此，在集料掺配时合理控制石灰岩占比，对提升长期抗滑性能至关重要。

构造深度、D_MTD和D_MPD在变化趋势上高度一致，均表现为初期快速下降，后期趋于平缓。且不同混合料初始大小排序（S2.36>S4.75>S9.5>H）和下降率排序（S4.75>S2.36>S9.5>H）均保持一致。构造深度、D_MTD和D_MPD均用于表征路面表面宏观纹理的粗糙度，它们之间具有相关性。构造深度是传统宏观粗糙度指标，而D_MTD和D_MPD是基于激光技术的改进版，能更精准地评估路面纹理。三者共同构成了宏观纹理评价体系，其中D_MTD和D_MPD更适用于现代路面性能的全面评估，可作为传统铺砂法的改进和扩展，实现更加精准的路面纹理评价。D_MTD属于综合性评价指标，可较好地反映路面宏观粗糙度变化，与工程实际应用测量标准更为贴合。

由图10可知：置换粗集料后沥青混合料的R_a提升了7.92%~23.37%，S4.75提升幅度最大。混合料R_a在大幅下降后又经历了小幅上升，之后持续下降，并逐渐趋于平缓，说明磨耗初期，混合料的表面轮廓离散性显著降低。这表明，无论采用何种分异手段，磨耗均会使混合料进入轮廓形态趋同阶段，而随着磨耗圈数增加，试件表面的沥青逐渐被磨耗，部分集料直接裸露，在一定程度上提升了混合料的表面轮廓丰富度。随着磨耗持续开展，裸露集料不断被磨损，造成路表轮廓离散程度逐渐降低。4种混合料R_a下降率排序为：S4.75（38.68%）>H（37.03%）>S9.5（36.88%）>S2.36（27.93%）。由此可见，S2.36在磨耗过程中离散性降低的幅度最小，经过长期磨耗后仍能保持较高的离散性，即S2.36磨耗后表面轮廓依然存在较大差异，说明通过集料分异磨耗原理能够优化沥青混合料表面轮廓，S2.36方案中石灰岩替换了部分小粒径辉绿岩，石灰岩在磨耗初期提供了更丰富的表面构造，同时自身耐磨性较差；在磨耗后期混合料表面形态多样性得以保留，体现出小粒径集料对表面粗糙度的维持效果。

由图11可知：置换粗集料后沥青混合料的R_q提升1.33%~48.00%，S2.36提升幅度最高。混合料R_q的变化趋势与R_a相似。4种混合料R_q下降率排序为：S4.75（24.49%）>S2.36（23.42%）>H（17.33%）>S9.5（17.11%）。这说明S9.5的抗磨耗性能最佳，而S4.75表现最差。进一步分析混合料R_q变化曲线，发现H及S9.5的总体变化率差距极小，说明磨耗作用对二者的影响较小。S2.36磨耗前后的表面轮廓离散程度均较高，抗滑衰变性能最优。该现象反映了集料分异磨耗原理：在磨耗过程中，高硬度辉绿岩能够长期维持一定的粗糙度和尖锐性，抗滑衰退速率较慢；而软质石灰岩的表面微结构被磨平后，表面粗糙度下降较为显著，尤其是在磨耗后期，集料的磨损速率加快，导致其抗滑性能衰退较为迅速。因此，集料的硬度差异和磨损特性是决定混合料表面粗糙度变化的关键因素。

R_a和R_q具有一定相关性。但R_a主要反映表面粗糙度的总体平均水平，R_q则反映表面粗糙度的波动程度，在分析沥青混合料的抗滑性能时，可以同时参考R_a和R_q，以综合分析表面粗糙度的平均水平和波动特性。

由图12可知：置换粗集料后，沥青混合料的R_sk下降了17.91%~26.12%。其中S2.36表面负向纹理最多，初始抗滑性能最为优异。磨耗后S2.36表面轮廓与同期相比，依旧保持着较好的表面纹理特征，集料分异处理展现出最佳效果。不同混合料负向纹理的提升主要集中在前200圈，S4.75的提升幅度最高，达41.67%，后续负向纹理变化幅度较小，且存在小幅波动。这说明磨耗初期，轮胎荷载对路面的压实作用会显著改变路面构造，不同集料搭配形式会表现出不同的抗压实效果。这是因为不同集料及其粒径在混合料形成骨架的构建作用各不相同。在SMA-10型级配中，4.75 mm档集料占粗集料总量的50%，是形成骨架‒密实结构的主要粒径。石灰岩强度低于辉绿岩，针片状占比较高，石灰岩表面微结构更容易磨损，造成表面粗糙度与负向纹理的快速损失，辉绿岩具有高硬度和强度，能够保持完整的微观结构，不易被压平。若粗集料采用小比例石灰岩替换辉绿岩，可以通过集料分异磨耗提升粗集料外观的丰富性，增强粗集料间的相互嵌挤作用，形成更稳定的骨架，抵抗行车荷载的压实作用，但石灰岩占粗集料比例过高时，嵌挤作用主要由石灰岩承担，骨架稳定性变差；路表集料缺少嵌挤约束，该负面效应进一步放大，路表集料更易压平。

由图13可知：置换粗集料后，沥青混合料表面轮廓的尖峭程度大幅提升，R_ku提高了4.37%~20.90%。其中S4.75表面轮廓尖峭程度提升幅度最大，该组后期陡峭度衰减明显；S2.36在磨耗全过程均能够维持陡峭的表面轮廓，粗集料分异磨耗效果最优。石灰岩在磨损过程中能够暴露出更多硬质集料表面，从而维持较为陡峭的轮廓形态。不同混合料表面轮廓陡峭度的衰减大多集中在前200圈，S4.75的下降幅度高达51.64%；后期磨耗阶段，R_ku的变化幅度较小，仅存在小幅波动。其变化机理与R_sk相似，荷载作用下路表集料被逐步压平，此时R_ku变化幅度大；磨耗后期集料表面细部纹理被磨平，此时R_ku变化幅度小。

由图14可知：置换粗集料后，沥青混合料宏观、微观纹理分布密度都有所提高。宏观纹理密度提升了12.21%~31.30%，微观纹理密度提升了23.9%~44.65%。集料分异处理后，能够丰富混合料的表面轮廓，改善混合料的初始抗滑性能，微观尺度上提升效果尤为突出。这表明细小颗粒可增加表面微结构的复杂性和摩擦力。磨耗之后，沥青混合料不同微观纹理分布密度的差异性小于宏观纹理分布密度。这是因为微观纹理受局部细小凸起磨损影响，集料微观尺度性质较为均一，这种微观结构变化对表面纹理的影响较小；而宏观纹理分布密度主要受集料级配、尺寸和排列方式等因素的影响更为显著。磨耗后期，虽然集料表面已经明显磨损，但辉绿岩依旧可以保持一定的抗滑性，因此宏观纹理的变化幅度较大。

3 结论

本研究基于集料分异磨耗原理，采用不同粒径石灰岩等量替换部分辉绿岩集料，设计多组集料掺配方案并开展混合料抗滑性能衰变试验，得到以下结论：

（1） 基于分异磨耗的原理，选用石灰岩替换原辉绿岩集料开展了差异化集料掺配设计，在SMA-10级配与4%空隙率控制条件下，确定各组混合料的最佳油石分别为：基准组H为5.98%、S9.5为5.83%、S4.75为7.68%、S2.36为6.09%，为不同掺配方案混合料的抗滑性能对比试验提供了统一可靠的设计基础。

（2） 各组沥青混合料表面构造深度均呈现出前期快速衰减、后期趋于平稳的变化规律，磨耗初期（前1 000圈）构造深度衰减最为显著。其中，S2.36表现出最佳耐磨稳定性，H在磨耗后构造深度衰减最为明显。随着磨耗圈数的增加，沥青混合料的摆值普遍下降。然而，S2.36在10 000圈后仍保持在56 BPN，其抗滑性能衰变速率最慢，显示出良好的长期抗滑服役能力。

（3） 采用PATT-Ⅱ路面抗滑纹理测试仪开展路面表面激光扫描与微观纹理数据处理，发现经分异处理的混合料表面轮廓纹理更加丰富，磨耗纹理变化主要集中于前1 000圈，且石灰岩替换粒径越小，混合料表面轮廓受磨耗作用的变化幅度越大。

（4） 集料分异处理显著提升了混合料的初始抗滑性能与长期抗滑耐久性能，其构造深度与摆值均优于未处理混合料。特别是2.36 mm粒径替代方案（S2.36）的构造深度保持能力和抗滑衰变性能均为最优，该粒径下集料分异磨耗效应发挥效果最佳。

参考文献

[1] He Y L, Yang X, Xiao S Q, et al. Experimental study on the high-speed frictional behavior between the tire and asphalt pavement[J]. Construction and Building Materials, 2023, 371: 130782.

[2] Xie X G, Lu G Y, Liu P F, et al. Influence of temperature on polishing behaviour of asphalt road surfaces[J]. Wear, 2018, 402/403: 49-56.

[3] Tan T, Xing C, Tan Y Q, et al. Safety aspects on icy asphalt pavement in cold region through field investigations[J]. Cold Regions Science and Technology, 2019, 161: 21-31.

[4] 陈占权. 沥青路面表面纹理的检测方法及其精准度分析[J]. 中外公路, 2023, 43(6): 74-78.

[5] Chen Zhanquan. Detection method and accuracy analysis of asphalt pavement surface texture[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2023, 43(6): 74-78.

[6] Kane M, Edmondson V. Long-term skid resistance of asphalt surfacings and aggregates’ mineralogical composition: Generalisation to pavements made of different aggregate types[J]. Wear, 2020, 454/455: 203339.

[7] Zong Y J, Li S, Zhang J B, et al. Effect of aggregate type and polishing level on the long-term skid resistance of thin friction course[J]. Construction and Building Materials, 2021, 282: 122730.

[8] Wang H N, Wang C H, Bu Y, et al. Correlate aggregate angularity characteristics to the skid resistance of asphalt pavement based on image analysis technology[J]. Construction and Building Materials, 2020, 242: 118150.

[9] Zhao S, Zhang H T, Feng Y P, et al. Effect of temperature and water conditioning on noise and skid resistance of dense-graded, open-graded and gap-graded asphalt mixes[J]. Ain Shams Engineering Journal, 2024, 15(1): 102281.

[10] Qian G P, Wang Z H, Yu H N, et al. Research on surface texture and skid resistance of asphalt pavement considering abrasion effect[J]. Case Studies in Construction Materials, 2024, 20: e02949.

[11] Cai X, Wang D Y, Yu J M. Evaluation of the functional performance of paving materials based on the driving wheel pavement analyzer[J]. Applied Sciences, 2020, 10(7): 2410.

[12] Dong Y S, Wang Z H, Ren W Y, et al. Influence of morphological characteristics of coarse aggregates on skid resistance of asphalt pavement[J]. Materials, 2023, 16(14): 4926.

[13] 杨晓华,袁战文,温勇兵,等.沥青路面磨耗层与下卧层组合结构力学行为分析[J].中外公路,2024,44(1):40-47.

[14] Yang Xiaohua， Yuan Zhanwen， Wen Yongbing，et al.Mechanical behavior of composite structures of wearing course and underlying layer for asphalt pavements[J].Journal of China & Foreign Highway,2024,44(1):40-47.

[15] Zong Y J, Xiong R, Wang Z B, et al. Effect of morphology characteristics on the polishing resistance of coarse aggregates on asphalt pavement[J]. Construction and Building Materials, 2022, 341: 127755.

[16] Yan C J, Li Q, Wang J Q, et al. Evaluation for long-term skid resistance of ultra-thin asphalt overlay based on texture characteristics[J]. Construction and Building Materials, 2024, 438: 137151.

[17] Yu J M, Chen F D, Deng W, et al. Design and performance of high-toughness ultra-thin friction course in South China[J]. Construction and Building Materials, 2020, 246: 118508.

[18] Liu Z M, Luo S, Quan X, et al. Laboratory evaluation of performance of porous ultra-thin overlay[J]. Construction and Building Materials, 2019, 204: 28-40.

[19] 顾建军, 李夏, 李阿坦, 等. 基于平衡设计的超薄磨耗层研究与现场试验[J]. 中外公路, 2024, 44(2): 267-273.

[20] Gu Jianjun, Li Xia, Li Atan, et al. Research and field test on ultra-thin wearing course based on balanced design concept[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2024, 44(2): 267-273.

[21] 江照伟, 韦金城, 刘航, 等. 基于撒布磨耗料的SMA沥青路面早期抗滑性能改善研究[J]. 中外公路, 2023, 43(3): 56-60.

[22] Jiang Zhaowei, Wei Jincheng, Liu Hang, et al. Study on improvement of early skid resistance of SMA asphalt pavement based on spreading grit[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2023, 43(3): 56-60.

[23] Zhang W X, Xiao C Y, Hong Q Z, et al. Testing and evaluation for skid resistance of steel slag asphalt wearing course based on surface texture characteristics[J]. Construction and Building Materials, 2024, 411: 134597.

[24] Li S, Liu Z M. Using bauxite as alternative for coarse aggregate in asphalt mixture: Improving skid resistance[J]. Construction and Building Materials, 2023, 394: 131915.

[25] 张全民,宋昱,吴少鹏,等.钢渣-环氧沥青超薄磨耗层的路用性能研究[J/OL].中外公路,2026-01-17.

[26] Zhang Quanmin， Song Yu， Wu Shaopeng，et al.Study on pavement performance of steel slag-epoxy asphalt ultra-thin wearing course[J].Journal of China & Foreign Highway,2026-01-17.

[27] Huan X, Sheng Y P, Zhao X R, et al. Skid-resistance durability and wear/polish-resistance behaviors of ultra-thin friction course designed based on the differential polishing of aggregates[J]. Journal of Building Engineering, 2023, 78: 107585.

[28] Cheng M, Chen M Z, Wu S P, et al. Effect of waste glass aggregate on performance of asphalt micro-surfacing[J]. Construction and Building Materials, 2021, 307: 125133.