超薄磨耗层广泛用于非结构性损坏沥青路面表面功能恢复或提升,抗滑性能改善或提升是其主要应用目的。基于抗滑性能角度,从材料组成、混合料类型和级配设计等方面对目前使用广泛的超薄磨耗层材料的研究和应用情况进行梳理,结合实体工程应用情况,探索影响超薄磨耗层抗滑性能的关键因素,为考虑抗滑性能要求的超薄磨耗层材料选择和工程应用提供参考。

随着高等级公路修筑技术提升,沥青路面结构性破坏逐渐减少,而功能性破坏与日俱增沥青网sinoasphalt.com。同时,预防性养护理念也被广泛认同[1]。近年来,针对路表抗滑性能恢复和提升的超薄罩面在预防性养护工程中占比呈上升趋势。调查表明,约25%的交通事故与路表抗滑力衰减有关[2];我国每年因交通事故死亡人数为6万~7万人,部分与路表抗滑性能不足相关,尤其是在雨、雾、冰雪等不利天气。此外,路面在交竣工验收时抗滑指标往往能够满足规范要求,但很多工程抗滑性能在2~3年内迅速衰减[3],甚至不能满足要求,亟需对抗滑性能进行恢复或提升。

超薄磨耗层(UTWC)源于20世纪70年代的法国,先后演化成20~30mm 的薄面层(BBTM)和超薄面层10~20mm(BBUM);至20世纪90年代,超薄磨耗层已占法国新建和养护沥青路面的50%以上[4]。同时,美国联邦公路局也提出了开级配抗滑磨耗层(OGFC),期望通过增大路表构造来提升抗滑性,但存在空隙率过大和耐久性不足问题。后来,美国科氏材料公司开发出具有良好抗滑性和抗磨耗性的Novachip,并广泛应用[5]。

近年来,基于温拌技术和密级配的超薄磨耗层开始应用于工程,如杭瑞高速公路[6]的温拌超薄罩面。然而,目前关于超薄磨耗层的研究重点普遍聚焦于材料选择、级配设计、路用性能、层间黏结情况和耐久性,而对于抗滑性能及其耐久性研究尚嫌不足。但在工程实际中,抗滑性能又是超薄磨耗层最主要的应用基础。本文梳理了境内外基于抗滑性能要求的超薄磨耗层,从材料选择、混合料类型、评价指标和工程应用等角度阐述了相关研究和进展,以期为基于抗滑的超薄磨耗层工程应用提供参考。

沥青路面抗滑性能与表面构造密切相关[7]。超薄磨耗层拥有良好表面构造的前提是选择合适的原材料,设计良好的级配,采取恰当的施工技术。

1.1 集料

集料矿物组成、粒径、形状、棱角性等对沥青路面抗滑性均有影响[8]。Mengesha等[9]研究发现,采用石灰岩集料铺筑的磨耗层抗滑性能快速衰减;当石灰岩为唯一选择时,控制不溶酸性残留物为20%~30%,以保证较好的抗滑耐久性。Liu等[10]研究认为,采用玄武岩和辉绿岩集料的超薄磨耗层摆值损失率明显小于石灰岩。唐忠国[4]提出,使用辉绿岩、玄武岩以及安山岩等耐磨性能较好的粗集料,可提高超薄磨耗层微观纹理,对增强路面低速时的抗滑性有利。关博文等[11]利用煅烧铝矾土集料制成的SMA-5经5万次加速磨耗后,仍保持良好抗滑性延长而不断衰减,但含有硬度较高的矿物成分的集料衰减率较小,表现出更好的抗滑耐久性。

同时,超薄磨耗层压实厚度一般在25mm以内,集料的公称最大粒径一般为10mm。褚晨枫等[13]对3种不同粒径的超薄磨耗层进行相同次数的加速磨耗试验,认为集料公称最大粒径越小,摆值损失率越大。蒋天昊[12]认为初始微观纹理与集料粒径无关,但在服役过程中大粒径集料表现出更好的抗磨耗性能。廖亦源[14]也提出,增加粗集料颗粒粒径分形维数,可使沥青路面后期的摩擦系数保持相对较高水准。研究表明,沥青路面的摩擦系数与集料的磨光值相关度达0.93[15]。张小瑞[16]采用5种集料制备混合料再进行磨光,其中使用硬度大和硅含量高的集料的试件在磨光前后抗滑指标均较高,且整体衰减幅度小;灰关联分析表明,造成BPN 初值衰减最主要因素是集料磨光值,相关度达到0.98。许新权[17]将横向力系数SFC 不小于40设为阈值,提出对应累计荷载作用次数4000万次的SMA-10 和NovaChipB用粗集料磨光值应分别不小于44和42。

然而,王永平等[18]认为磨光值只能体现一定时间内磨耗值的下降程度,不能描述其衰减过程。Cui等[19]将15mm 厚超薄磨耗层车辙板放入磨光机中试验,测定试板磨光前后的BPN,提出应将磨光损失值作为超薄磨耗层抗滑性能的主要指标。同时,褚晨枫等[13]通过灰关联分析,指出粗集料的磨光损失值与超薄磨耗层摆值衰减显著相关。

此外,低磨耗值和压碎值的集料能降低超薄磨耗层的抗滑衰减速率[20]。当集料棱角性较差和针片状颗粒含量较多时,压碎值往往也较大,施工后对路表纹理和抗滑耐久性均有不利影响。王永平[21]研究指出,集料压碎值与磨光值存在负线性关系,即压碎值越小,磨光值越大。熊依筱[7]基于等效椭圆概念,认为粗集料棱角性对抗滑性能有不利影响,且粗集料的粒径越大,影响越显著。Gao等[8]通过磨光试验,发现粗集料磨光后的棱角性发生了显著变化,且制备的试件构造深度和摆值都明显衰减。Deng等[22]认为,棱角性较好的细集料对于混合料的表面构造也有影响,且使用机制砂的混合料具有更好的抗滑耐久性。

1.2 沥青

考虑路用性能和耐久性,超薄磨耗层一般采用高黏改性沥青。Kane等[23]提出沥青的老化会短暂增加磨耗层抗滑性能。而Hadiwardoyo等[24]认为磨耗层的抗滑性能与沥青的针入度、软化点和延度都有关。熊依筱[7]则认为沥青中蜡含量对磨耗层抗滑性能有不利影响,即含蜡量高的沥青在高温季节容易泛油,使沥青路面表面光滑,也会降低路表摩擦系数。唐忠国[4]研究认为,自由沥青过多对沥青路面构造深度和摩擦系数不利。