集料配合比设计参数对沥青路面抗滑性能的影响

4 结语
该文主要研究结论如下 ：1）PNMSA、PCS、AC 这 3 个 参数是提高路面抗滑性能的关键设计参数。其中 PNMSA 对 抗滑性能的影响最大，AC，PCS 对路面抗滑性能的影响最 小 ；上述参数对路面抗滑性能的影响程度总体高于 PNMSA-1 及 PCS-1；SMA 路面的抗滑性能随着 PNMSA 和 AC 增加而逐渐 降低，随着 PCS 增加先减少后增加。2）对 PNMAS-1 和 PCS-1 来说，SMA 路面在不同混合料类型和影响因素水平下的抗 滑性能存在差异，但二者之间无明显不同，表明 PNMAS-1 和 PCS-1 对 SMA 路面的抗滑性能影响较小，当集料粒径足够 小时，混合料压实条件会对路面抗滑性能产生影响。
量较大，因此对计算速度和效率有很大的影响，因
为集料粒径存在显著差异，所以计算面积根据混合
1
料类型选择。SMA-16 和 SMA-13 的分析面积约为
100mm（长）×100mm（宽），而 SMA-10 和 SMA-5
0
的分析面积为 55mm（长）×55mm（宽），每个试件
在不同位置测试 3 次。 2.1 创建三维模型
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集料配合比设计参数对沥青路面抗滑
性能的影响
王莉 （山东交通职业学院，山东 潍坊 261000）
摘 要 ：SMA 沥青路面在配合比设计不合理的情况下，抗滑性能及耐久性较差。因此该文采用正交试验设计
了不同配合比参数的沥青混合料，影响设计的因素如下 ：通过最大粒径的团聚体百分率（PNMSA）、比最大粒径 小1个的团聚体百分率（PNMSA-1）、通过对照粒径的团聚体百分率（PCS）、集料通过筛比例和沥青含量（AC）， 每个影响因素共有4个水平，计算得出抗滑指数（SI）评价路面的抗滑性能。研究结果表明 ：PNMSA、PCS 和 AC 这3个因素是影响路面抗滑性能的关键因素，其中 PNMSA 对路面抗滑性能影响最大，AC，PCS 对路面抗滑性
32
24
6.5
假设任意 2 个因素间没有相互作用，采用 SI 指数评价
路面抗滑性能，对各影响因素在常数水平 i 的校验值进行
求和，得到相应水平的均值（ki）和极差（R），计算如公
SI 值越高，路面抗滑性能越好。
Z1=0.966θs-0.723Ka+0.913Z2s+0.984Rs+0.984Ts （3）
（2）
式中：ki 为在某一水平 i（i=1、2、3、4）下各影响因素 SI
的平均值，ki 越高，路面抗滑性能越好。对每个因素来说，
kmax 在 4 个水平中最大，kmin 最小，R 为不同因素的影响程
度，R 值越高，对路面抗滑性能的影响越大。
表 4 SMA-13 的影响因素及水平
水平i
1 2 3 4
3.2 集料筛分率对路面抗滑性能的影响
SMA 路面通过控制筛的百分比与防滑力间的关系，如 图 2 所示，随着 PCS 增加，不同类型混合料的 ki 变化趋势 基本一致，均为先减少后增加，说明随着 PCS 增加，SMA 路面的抗滑性能先降低后提高。对 PNMAS-1 和 PCS-1 来说，ki 有不同的混合料类型和影响因素水平，而 ki 值变化不大， 说明 PNMAS-1 和 PCS-1 对路面抗滑性能的影响不明显。
SMA-16、SMA-13 的影响因素和水平见表 3 和表 4。
表 3 SMA-16 的影响因素及水平
A
B
C
D
E
2.2 抗滑性能计算 基于路面纹理三维模型，可以得到 5 个参数（θs、Z2s、
水平i
1 2
PNMAS/％ 16mm
90 93
PNMAS-1/％ 13.2mm
65 71
PCS/％ 4.75mm
A PNMAS/％ 13.2mm
90 93 96 100
B PNMAS-1/％
9.5mm 50 58 66 75
C PCS/％ 4.75mm
20 24 29 34
D PCS-1/％ 2.36mm
15 18 22 26
E
AC/％
5.6 5.9 6.2 6.5
注：表3、表4中，A、B、C、D和E分别为不同的影响因素。
能的影响最小。
关键词 ：沥青路面 ；配合比设计 ；抗滑性能 ；正交试验
中图分类号 ：TU 74
文献标志码 ：A
路面抗滑性能是指路面阻止车轮沿路面滑动的摩擦 力，研究表明，当滑阻低于某一阈值时，会导致道路交通 的事故风险增加 [1]，因此，路面的抗滑性能是影响行车安 全的重要设计参数。路面抗滑力由车轮附着力及滞后力组 成，路面抗滑力主要取决于路面的表面纹理 [2]。
指标要求 68~80 ≥-0.4 ≥55 ≥100
2.0~-3.0
3~5mm
2.754 2.713 0.43
指标要求 ≤26 ≤28 ≥2.6
≤2.0
- 108 -
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PNMSA-1、PCS 和 PCS-1）的值，根据 OAC 选取 AC 值。其中， 片输入计算机，建立路面纹理的三维模型。
Z2=0.149θs-0.690Ka+0.051Z2s+0.157Rs+0.157Ts （ 4）
SI=0.84488Z1+0.10992Z2
（5）
式（1）和如公式（2）所示。
3 试验结果分析
¦ ki
SIi 4
（1） 3.1 NMAS 对路面抗滑性能的影响
R=kmax-kmin
2 沥青路面表面纹理表征
关于粗糙表面的三维几何特征表征，需要对有代表性 的参数进行评价，因此，评价可能会比较片面，无法对粗 糙表面进行全面、准确地分析及表征 [4]。研究人员提出 5 个典型的三维评价参数定量表示集料的纹理特征 [5]，包括
采用 SI 评价路面抗滑性能，ki 为每个影响因素在一定 水平 i（i=1、2、3、4）下 SI 的平均值，R 为不同影响因 素的影响程度。
1.2 沥青混合料配合比设计
该文采用 4 种不同尺寸（NMAS）的 SMA，包括 SMA16、SMA-13、SMA-10 和 SMA-5，采用马歇尔混合料的设 计程序对混合料配合比进行设计。目标空隙率（VV）为 3.5％，最佳沥青含量（OAC）按国家标准《公路沥青路 面施工技术规范》（JTG F40—2004）进行计算。SMA-16、 SMA-13、SMA-10 和 SMA-5 的 OAC 分别为 5.7％、6.3％、 6.5％和 6.6％。对 SMA 路面来说，须对粗集料中的空隙率 进行检测，在过程中有一个可调的筛孔尺寸（PCS）。根据 相关标准，SMA-16 和 SMA-13 的 PCS 均为 4.75mm，SMA10 和 SMA-5 的 PCS 分别为 2.36mm 和 1.18mm，PNMSA 和 PCS 是 SMA 级配设计的关键影响因素。此外，路面表面纹理也 受 AC 的影响，因此，该文选择 PNMSA、PNMSA-1、PCS、PCS-1 和 AC 作为混合料设计的影响因素。
-1
1
2
3
4
利用相机采集路面纹理图像，采用喷涂显影剂 和滤波过滤等方式对图像进行处理。将处理ห้องสมุดไป่ตู้的照
图1
不同水平的PNMAS PNMAS 与 SMA 路面抗滑性能的关系
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合料类型的 ki 随 AC 增加而逐渐减少，说明路面的抗滑性
能降低。当 AC 增加时，沥青膜变厚，宏观结构变小，导
-1
1
2
3
4
不同水平的PCS
（b）PCS 对路面抗滑性能的影响
SMA-16
4
SMA-13
SMA-10
SMA-5 3
图 2 筛孔通过率与 SMA 路面抗滑性能的关系 2
1
0
-1
1
2
3
4
不同水平的PCS-1
（c）PCS-1 对路面抗滑性能的影响 图 2 筛孔通过率与 SMA 路面抗滑性能的关系
-1
1
2
3
4
不同水平的AC
图 3 AC 与 SMA 路面抗滑性能的关系
致路面抗滑性能降低。研究结果表明，SMA-5 的 ki 变化趋 势与其他类型的 SMA 不同。ki 随 AC 增加先增加后减少， 当团聚体变少至一定尺寸时，试件在压实过程中可能导致 团聚体重排，从而导致混合料级配异常，对路面的抗滑性 能有影响。
建立路面三维模型并计算路面粗糙度参数，采用该参 数对路面微纹理、宏纹理和巨纹理进行评估 [3]。沥青路面是 由不同粒径的集料以及沥青组成的，其质地受集料类型、 集料粒径和混合料类型等因素影响，以往主要研究如何体 现路面表面质地以及不同因素对路面抗滑性能的影响。但 在同类型集料和混合料条件下，混合料设计参数对路面抗 滑性能的影响研究较少。在实际工程中，集料和混合料类 型保持一致，因此，路面的抗滑性能主要取决于配合比设 计参数，如级配、沥青含量等。该文采用正交试验设计不 同级配的混合料，其中包括不同的影响因素，每个影响因 素共有 4 个水平。利用三维测量的模型计算路面抗滑指数 （SI）评价抗滑性能。
4
不同水平的Ki
3
4
SMA-16
SMA-13
SMA-10
2
3
SMA-5
1 2
SMA-16 SMA-13 SMA-10 SMA-5
不同水平的Ki
0 1
不同水平的Ki
0
-1
1
2
3
4
不同水平的PNMAS-1
（a）PNMAS-1 对路面抗滑性能的影响
SMA-16
4
SMA-13
SMA-10
SMA-5 3
2
1
0
表1
测试项目
集料压碎值 洛杉矶磨耗率 表观相对密度 毛体积相对密度
吸水率
单位 ％ ％
％
SBS 改性沥青的各项性能指标
测试值 71.3 0.287 88.6 122.5 2.24
表 2 集料的物理特性
10~15mm 13.3 11.7 2.764 2.689 0.287
测试值 5~10mm
2.757 2.638 0.48
20 24
PCS-1/％ 2.36mm
15 18
AC/％
5.6 5.9
Ka、Rs、Ts），SI 的值表示路面抗滑能力，采用主成分分析 （PCA）的方式分析这 5 个参数与 SI 的关系，计算 SI 如公 式（3）~ 公式（5）所示，其中 Z1、Z2 为累积成分函数，
3
96
78
4
100
85
28
21
6.2
3.3 AC 对路面抗滑性能的影响
基本倾角在整个表面上的均值（θs）、节理表面梯度均方 根（Z2s）、表观各向异性程度（Ka）、表面粗糙度系 数（Rs）和表面弯曲系数（Ts）。以上参数不受集料
轴向的影响，能够准确地反映三维集料纹理面的几
4
何特征。此外，5 个参数对表面几何形状变化的灵
敏度也不同，因此适用性较好。
PNMAS 与 SMA 路面抗滑性能的关系如图 1 所示，由图 1 可知，随着 PNMAS 增加，路面抗滑性逐渐降低，其中 PNMAS 是通过最大尺寸聚集体的百分比，PNMAS 较低说明更多的集 料团聚体留在了筛上，沥青路面的宏观结构主要由粗集料 构成，粒径大于公称最大粒径的集料含量，使混合料的宏 观结构更多，路面抗滑性能更好。
1 试验材料及配合比设计
1.1 试验材料
该文选用的沥青原料为苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯（SBS） 改性沥青，改性沥青与 SK90# 原沥青和 SBS 按 3 ∶ 100（质
量比）的比例混合。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验 规程》（JTG E20—2011）对其性能进行测试，测试结果见表 1。该文采用的粗细集料类型均为片麻岩，矿物填料采用研磨 的石灰石。对集料性能进行测试，集料各项性能指标见表 2。
参考文献 [1] 沈小俊，黄维蓉，杨玉柱，等 . 高速公路沥青路面抗滑 性能影响因素及衰减规律分析 [J]. 公路交通技术，2021，37 （5）：12-16，23. [2] 梁斌 . 路面抗滑能力检测方法和评定标准研究 [J]. 山西交 通科技，2020（1）：21-24. [3] 舒春建，胡玉梅 . 基于分形理论的沥青路面纹理特征与 抗滑性能关系 [J]. 山东交通学院学报，2022，30（2）：8993. [4] 张开银，崔树森，李松，等 . 集料形态特性对沥青路面 抗滑性能的影响 [J]. 武汉理工大学学报，2021，43（6）： 41-46. [5] 彭毅，李强，战友，等 . 基于区域三维纹理特征的路面 抗滑性能评估 [J]. 东南大学学报（自然科学版），2020，50 （4）：667-676.
该文选取上述 5 个参数说明路面纹理特征，采
3
AC 与 SMA 路面抗滑性能的关系如图 3 所示，不同混
SMA-16 SMA-13 SMA-10 SMA-5
用 SI 评价路面抗滑性能，试件几何尺寸为 300mm
不同水平的Ki
（长）×300mm（宽）×50mm（高），采用 3 个相同混
2
合料类型和级配的 SMA 试件，由于图像采集的数据
由于该文中混合料设计涉及多个影响因素和水平，因 此，该研究选择正交试验设计（OED），基于设计正交性， 该文运用 OED 分析配合比设计参数对 SMA 路面抗滑性能 的影响，根据分级范围，确定与分级相关 4 个参数（PNMSA、
测试项目 针入度（25℃）0.1mm
针入度指数 软化点/℃ 延度（15℃）/cm 黏度（135℃）/（Pa·s）