周志刚，罗靖，曹长斌

(1. 长沙理工大学 道路结构与材料交通行业重点试验室，湖南 长沙 410114；2. 广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530000)

沥青路面的主要材料包括沥青和集料。随着中国高等级公路的飞速发展，对优质石料的需求也越来越多。优质的石料不仅影响到路面的使用寿命，也可以提供较好的抗滑耐磨性能。嵌入式抗滑表层(Hot Rolled Asphalt，简称为HRA)不仅可以大量节约优质石料，也可以提供较好的抗滑性能。该路面是在摊铺好的断级配细粒式混凝土(嵌入层)上撒铺一层单一粒径且抗滑耐磨的预拌沥青碎石(撒铺层)，最后通过碾压形成的路面结构。

嵌入式抗滑表层路面在英国应用较多。近年来，中国的学者们也开始对嵌入式抗滑表层路面进行研究。邴桂斌[1]在英国 HRA修筑技术规范基础上，针对中国的气候和交通条件进行了研究，提出了相应的改进措施。刘勇[2-3]等人以国道G318线康东段改建项目为依托，对嵌入式抗滑表层混合料的集料组成和配合比进行了研究。李杨[4]等人对HRA的抗车辙性能进行了研究。陆阳[5]等人对HRA的高温粘弹塑性进行了研究。但人们对 HRA的研究集中在配合比和路用性能方面，而在施工工艺、工程实践和质量控制方面研究得较少。嵌入式抗滑表层的结构和施工过程与中国其他普通沥青路面的结构和施工过程存在着明显的差别。对 HRA的施工工艺进行系统全面的研究极为重要，关系到路面的使用性能和寿命，也是保证施工质量的重要依据。因此，作者拟通过室内模拟试验，对施工工艺中涉及到的多个关键因素进行研究，以期推荐一种最优的组合，为HRA路面的铺筑提供参考。

1 试验材料及配合比

1.1 沥青

本试验采用的沥青为SBS I-D改性沥青，其中，SBS的掺量为4.7%。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20-2011)》中的试验方法进行了检测，其性能指标(见表1)均满足规范要求。

1.2 集料与级配

本试验嵌入层所用粗、细集料均为石灰岩，撒铺层颗粒为玄武岩。根据《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》，集料的各项性能指标(见表2)均满足规范要求。采用英国标准BS EN 13108-4[6]中给出的C型级配进行矿料级配，见表3。

表1 SBS改性沥青技术性能Table 1 Technical index of the SBS modified asphalt

表2 沥青混合料集料技术特性Table 2 Technical index of aggregate in the asphalt mixture

表3 嵌入层沥青混合料级配组成Table 3 Embedded layer aggregate grade of the asphalt mixture

2 正交试验设计

2.1 正交试验

正交试验是一种能够分析多个因素多个水平的实验设计方法。通过正交试验，选出具有代表性的试验组，再对试验结果进行处理，得出最优的因素组合方案。正交试验具有效率高、可减少大量实验次数的优点[7]。

2.2 因素和水平的选择

影响嵌入式抗滑表层施工工艺参数的因素众多，本次实验选取了几个关键性控制因素，包括：预拌碎石撒铺量、预拌碎石粒径、拌和温度、摊铺温度、碾压温度及压实功。英国规范BS 594987—2015[8]中推荐的撒铺碎石量为9～17 kg/m2；撒铺碎石粒径为9.5～13.2 mm。根据中国《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)》，沥青混合料最低施工拌和、摊铺和碾压温度分别为170,160和150 ℃，且不同的拌合温度对改性沥青混合料的性能有一定影响[9]；试件高度为150 mm时的压实功为80 kN，试件高度为63.5 mm时的压实功为125 kN。为了简化正交试验，将拌和、摊铺和碾压温度合并为施工温度这一个因素。本次正交实验在规范推荐值的范围内选取，或上、下浮动一定的值进行设计，见表4。

表4 正交试验的因素和水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test

2.3 评价指标

嵌入式抗滑表层不仅要求具有良好的高温稳定性，还需具有抗滑耐磨以及撒铺层嵌入效果较好的性能。因此，通过进行SPT静态蠕变试验、肯塔堡飞散试验、手工铺砂试验及压实度试验，测定试件的流变时间、稳定阶段斜率、飞散损失、构造深度及压实度等，评价并得出最佳施工工艺参数。试件采用静压成型方式，其中，SPT静态蠕变试验试件高度为 150 mm，其他试验试件高度均为63.5 mm。

2.4 正交试验方案

根据本试验选取L9(34)正交试验表开展试验，正交试验方案见表5。

表5 正交试验方案Table 5 Scheme of orthogonal test

3 试验结果及分析

3.1 正交试验结果

9组试验的SPT静态蠕变试验、飞散试验、手工铺砂试验及压实度试验的结果见表6。

表6 正交试验结果Table 6 Results of orthogonal test

3.2 不同因素对高温性能影响的分析

采用直观分析方法，计算某一因素在同一水平试验组下的平均值，对其在不同水平下的变化趋势进行了分析，通过比较每个因子在不同水平均值的大小来判断该水平的好坏，用同一因素在不同水平的极差来判断该因素对指标的影响程度。

在SPT静态蠕变试验中，根据流变时间的大小来判别高温性能的好坏，流变时间越大，越不容易发生剪切破坏，高温性能越好，稳定阶段斜率越小(稳定阶段斜率与车辙试验结果具有很好的相关性)。表明：试件在高温条件下的变形越慢，耐高温性越好。根据这2个指标来综合判断高温性能[10]。

不同因素对高温性能影响的直观分析结果见表 7。高温性能各指标随因素和水平的变化规律如图1所示。从流变时间和稳定阶段斜率这2个控制指标的极差大小看出，压实功对高温性能的影响明显大于其他3种影响因素。随着压实功的增大，流变时间变长且稳定阶段斜率也降低。这是因为增大压实功使得撒铺层的嵌入效果更好，使得嵌入层与撒铺层能更好地结合。对高温性能影响程度由大到小的顺序为：压实功、撒铺碎石粒径、施工温度和撒铺量。

表7 高温性能各指标极差分析Table 7 Range analysis of high-temperatureperformance index

图1 高温性能各指标随因素和水平的变化规律Fig. 1 Variation of high-temperature performance index with factor level

3.3 不同因素对粘结性影响的分析

通过开展肯塔堡飞散试验，测定沥青混合料试件质量损失率来评价粘结性能。试验的目的是得出撒铺层碎石的质量损失率，但飞散试验的结果为全部颗粒的质量损失率。为了区分嵌入层和撒铺层颗粒的散落情况，撒铺层的实际损失率采用2种方法：①按照同样制备工艺分别成型加撒铺碎石的试件和不加撒铺碎石的试件，通过计算单位面积的飞散损失来得出撒铺层损失比例[11-12]；②在试件成型后，利用防水高黏的环氧地坪漆，对试件表面的撒铺层碎石进行染色。飞散试验后，取染色颗粒来计算撒铺层碎石的损失率。为了检验试件在高温、湿热状态下沥青老化对粘结性能的影响，分别开展普通标准飞散和浸水飞散，其中：普通标准飞散试验试件在20±0.5 ℃的恒温水槽中养生20 h，浸水飞散试验试件现在60±0.5 ℃恒温水槽中养生48 h。

然后，在室温中放置24 h。

不同影响因素对粘结性能的结果见表 8。通过计算得出的撒铺层飞散损失随因素和水平的变化规律如图2所示。通过染色得出的撒铺层颗粒损失随因素和水平的变化规律如图3所示。从图2,3中可以看出，撒铺量对粘结性的影响最大，撒铺碎石损失率随着撒铺量的增大而增加，其原因是：随着撒铺颗粒变多，嵌入层的细集料不足以被挤上来包裹住撒铺层颗粒，嵌入层和撒铺层的粘结主要通过沥青之间的粘结作用，其次是施工温度对粘结性的影响较大。随着施工温度升高，损失率逐渐变小。这是因为温度过低时，嵌入层沥青混凝土变硬，而导致嵌入效果不好。施工时，应注意温度的控制，避免温度过低而导致压实嵌入效果不好[13]。飞散损失率受撒铺碎石粒径和压实功的影响不大。因此，对嵌入式抗滑表层粘结性影响程度由大到小的顺序为：撒铺量、施工温度、压实功和撒铺碎石粒径。

3.4 不同因素对抗滑性能影响的分析

对构造深度的影响结果见表 9。构造深度随因素和水平的变化规律如图4所示。碎石的撒铺量和粒径对构造深度的影响较大。随着撒铺量的增加，构造深度变大。这是因为撒铺量增加时，试件单位面积内撒铺碎石露在外面的体积增大。施工温度和压实功的变化对构造深度的影响不明显。对试件表面抗滑性能影响程度由大到小的顺序为：撒铺量、撒铺碎石粒径、压实功和施工温度。随着构造深度的增加，该试件的表面抗滑性能变好。当构造深度过大时，撒铺碎石与嵌入层的粘结性能变差，嵌入效果不好，撒铺碎石容易脱落，抗滑性能会变得更差。因此，在满足粘结性的基础上，选择较大构造深度所对应的施工参数。

表8 粘结性能各指标极差分析Table 8 Range analysis of bonding performance index

图2 计算得飞散损失随因素和水平的变化规律Fig. 2 Variation of cantabro test wastage indicators with factor level

图3 染色颗粒损失随因素水平变化规律Fig. 3 Variation of grain wastage indicators with factor level

表9 构造深度极差分析Table 9 Range analysis of tectonic depth

图4 构造深度随因素和水平的变化规律Fig. 4 Variation of tectonic depth with factor level

3.5 不同因素对密实性影响的分析

开展密实性试验时，不需要撒铺碎石，影响因素只有施工温度和压实功。其极差分析见表10。压实度随因素和水平的变化规律如图5所示。从表10和图5中可以看出，压实功对密实性的影响程度比施工温度的大。压实度越大，表明密实效果越好。

表10 压实度极差分析Table 10 Range analysis of compaction

图5 压实度随因素和水平的变化规律Fig. 5 Variation of compaction with factor level

4 工艺参数确定

不同控制指标下各因素的最优水平见表11。撒铺量在4种控制指标下分别得出了不同的结果。从影响程度判断，撒铺量对粘结性能和抗滑性能的影响最大，对高温性能的影响较小。当撒铺量为 9 kg/m2时的粘结性能最好；当撒铺量为15 kg/m2时的抗滑性能最好，出现了2种极端情况。若考虑粘结性势必会影响抗滑性能。若抗滑性能好时，颗粒间粘结嵌入效果较差，容易导致碎石脱落。经综合考虑，选取撒铺量为12 kg/m2。施工时，建议撒铺量范围为 10～12 kg/m2。

撒铺碎石粒径对高温性能和抗滑性能的影响较大，而对粘结性的影响较小。当碎石粒径为9.5～13.2 mm时，其抗滑性能最好；当碎石粒径为4.75～9.5 mm时，其高温性能最好；且这2种粒径对抗滑性能和高温性能的影响波动均不大。考虑到后期的长期磨耗，选取撒铺碎石粒径为9.5～13.2 mm。

根据流变时间，确定最佳拌合-摊铺-碾压温度为170-160-150 ℃；根据稳定阶段斜率，确定施工温度为180-170-160 ℃；且采用这2种施工温度时，流变时间的变化仅为2.5%。施工温度越高尤其是碾压温度越高，撒铺层与嵌入层之间的粘结性越好。当施工温度大于170-160-150 ℃时，飞散损伤的变化趋于缓慢。随温度的升高，压实度的升高也变缓。因此，从能源消耗和沥青高温老化这2个方面考虑，选定拌合-摊铺-碾压温度为170-160-150 ℃。施工中拌和温度的建议范围为170～180 ℃，摊铺温度的建议范围为 160～170 ℃，初压温度的建议范围为150～160 ℃，终压结束时温度不宜低于90 ℃。

压实功对高温性能和密实性的影响最大，而对粘结性和抗滑性能的影响最小。当压实功为90(135)kN时，混合料的高温性能和密实性都最好。因此，选定压实功为90(135) kN。施工中，初压应在混合料摊铺后较高温度时进行，可采用10～12 t双钢轮压路机静压1～2遍；复压可采用6～10 t振动碾压3～4次；终压时，使用8～15 t胶轮压路机碾压2～3次；最后，再用双轮压路机静压收面压实2次。

表11 各控制指标下各因素最优水平表Table 11 Optimal level of each factor under each control index

5 结论

1) 正交试验结果表明，在选定的4种关键因素中，压实功对嵌入式抗滑表层高温性能的影响最大，撒铺碎石粒径和施工温度的影响次之，撒铺量的影响最小。高温性能随着压实功的增大而变好。

2) 撒铺层和嵌入层的粘结性受撒铺量的影响最大。撒铺量越多，粘结性越差，撒铺碎石越容易脱落。其次受施工温度的影响较大。施工温度降低时，粘结性将变差。粘结性随撒铺碎石粒径和压实功的变化最小。

3) 撒铺碎石粒径和撒铺量对嵌入式抗滑表层抗滑性能的影响较大。当粒径和撒铺量增大时，表面构造深度变大，但此时粘结性又变小，应选用合适的撒铺粒径和撒铺量。

4) 嵌入式抗滑表层施工工艺各关键因素的最佳组合为：撒铺量12 kg/m2、撒铺碎石粒径9.5～13.2 mm、拌合-摊铺-碾压温度为170-160-150 ℃、压实功90(135) kN。施工时，各参数宜在推荐范围内。