紫外辐射作用下SMA-13混合料抗滑性能及纹理参数演变规律

王明; 邹凌雲; 余小晴; 黄睿清; 孙洋

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504657

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (17) :7461-7469 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504657

交通运输

紫外辐射作用下SMA-13混合料抗滑性能及纹理参数演变规律

王明 ¹ ,
邹凌雲 ¹ ,
余小晴 ²^,^* ,
黄睿清 ¹ ,
孙洋 ³

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Skid Performance and Texture Parameter Evolution Law of SMA-13 Mixture under Action of Ultraviolet Aging

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摘要

为表征紫外辐射及较大荷载(1.0 MPa)作用下,不同材料组成的SMA-13混合料抗滑性能及纹理参数演变规律,分别采用SBS改性沥青+天然矿料(A)、SBS改性沥青+含钢渣矿料(B)、高模量沥青+天然矿料(C)制备混合料。借助双轮车辙仪设备,开展了紫外老化前、后混合料的磨耗实验,并测定不同磨耗时长的摆值(British pendulum number,BPN)及纹理构造参数。结果表明:随磨耗时长增加,3种混合料的BPN均表现出非单调变化特征,并呈现“三阶段”演变规律。据此提出了由2阶段BPN均值及最大值、3阶段BPN衰减速率和最大磨耗时长BPN组成的抗滑性能评价指标体系。经紫外辐射老化后,与混合料A、C相比,混合料B抗滑性能更优:其2阶段BPN均值及最大值显著提高,最大磨耗时长BPN也更大;同时,其三阶段衰减速率分别降低50%和67%。紫外老化前后混合料A与B的均值断面深度(mean profile depth,MPD)初值均明显降低,其三阶段MPD退化速率分别为0.50 mm/h和0.15 mm/h。因此,紫外老化是导致纹理退化的重要因素,且钢渣混合料纹理退化速率更低。回归分析表明,混合料A和B的纹理参数MPD与摆值BPN相关性良好,相关系数分别为0.87和0.94。这验证了不同尺度测试结果的一致性,也说明了从抗滑纹理重塑角度研究路面抗滑性能提升的新途径是合理的。

Abstract

To characterize the evolution of the skid resistance and texture parameters of SMA-13 mixtures with different material compositions under ultraviolet radiation (UV) and a high load (1.0 MPa), three SMA-13 mixtures were prepared and subjected to testing: SBS-modified asphalt with natural aggregates (A), SBS-modified asphalt with steel slag aggregates (B), and high-modulus asphalt with natural aggregates (C). Using a dual-wheel abrasion tester, the mixtures were subjected to wear tests before and after UV aging. The British pendulum number (BPN) and texture parameters were measured at different wear durations. The results demonstrate that with increasing wear duration, the BPN of all three mixtures exhibits a non-monotonic trend, characterized by a distinct three-stage evolution pattern. Consequently, an evaluation index system for skid resistance was proposed, comprising the mean and maximum BPN values in stage 2, the BPN decay rate in stage 3, and the BPN at the maximum wear duration. Compared to mixtures A and C, mixture B exhibits enhanced skid resistance following UV aging, as evidenced by significantly higher mean and maximum BPN values in stage 2 and an increase in the BPN at the maximum wear duration. Furthermore, the decay rates in the three stages decreases by 50% and 67%, respectively, indicating reduced aging sensitivity and superior wear resistance. Following UV aging, the initial mean profile depth (MPD) of mixtures A and B decreases significantly, with MPD degradation rates in stage 3 of 0.50 mm/h and 0.15 mm/h, respectively. These findings confirm that UV aging is a critical factor in texture degradation, and the steel slag mixture (B) demonstrating a significantly lower degradation rate. Correlation analysis revealed high coefficients of determination (R²) between MPD and BPN of 0.87 and 0.94 for mixtures A and B, respectively, indicating a strong correlation. Therefore, research on pavement skid resistance restoration technology based on the concept of texture reconstruction is justified.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / 混合料 / 紫外辐射 / 抗滑性能 / 纹理参数 / 演变规律

Key words

road engineering / asphalt mixture / ultraviolet radiation / anti-slip properties / texture parameter / evolution law

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王明, 邹凌雲, 余小晴, 黄睿清, 孙洋. 紫外辐射作用下SMA-13混合料抗滑性能及纹理参数演变规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(17): 7461-7469 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504657

WANG Ming, ZOU Ling-yun, YU Xiao-qing, HUANG Rui-qing, SUN Yang. Skid Performance and Texture Parameter Evolution Law of SMA-13 Mixture under Action of Ultraviolet Aging[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(17): 7461-7469 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504657

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路面抗滑性能在车辆行驶安全中发挥着至关重要的作用,其退化过程往往受到荷载、温度及材料老化等多因素耦合作用的影响,表现出复杂性和非线性特征^[1]。研究表明,轮胎与路面表层材料之间的摩擦直接决定了抗滑性能^[2],而摩擦行为主要由粗集料特性、矿料级配、沥青类型及掺量等因素控制^[3-4]。Lei等^[5]发现轮胎与路面的接触存在黏附和滞后两种效应,黏附效应主要与路面的微观纹理有关,滞后效应主要由宏观纹理和材料的性质变化引起^[6]。Chen 等^[7]指出粗集料的矿物组成、粒径级配和表面微观纹理共同决定了抗滑水平和衰减规律,并指出从三维纹理视角预测长期抗滑性能更精准。Zhang 等^[8]基于钢渣沥青磨耗层的三维纹理信息,建立了纹理参数与抗滑性能的定量关系。在抗滑性能表征方面,研究者一致认为纹理构造退化是抗滑性能演变的关键诱因^[9-10];已有研究提出了平均构造深度(mean texture depth, MTD)、偏度Rsk、算术均方根Rq等典型表征指标^[11-12]。这些研究表明,基于纹理特征参数开展路面抗滑性能评价已经成为主流方向。

近年来,固废材料在路用工程中的应用受到广泛关注。研究发现,钢渣骨料因质地坚硬、表面纹理丰富而表现出良好的耐磨特性,掺入沥青混合料中能够有效提升抗滑性能^[13-14]。然而,现有研究多集中于宏观力学性能的提升或单一荷载工况下的抗滑衰减规律^[15],而从纹理构造演变机理角度系统评价钢渣混合料抗滑性能的研究仍较为鲜见^[16]。尤其是,沥青路面的运维环境日益复杂,研究发现紫外辐射作用下沥青膜老化将改变骨料表面的包裹形态和粗糙度,使纹理构造发生退化,从而加速抗滑性能的衰减^[17-18]。重载重复作用则通过磨平骨料微观凸起进一步削弱宏观和微观纹理的协同抗滑能力。现有成果虽已从MTD、算术平均粗糙度Ra、均方根粗糙度Rq等角度对纹理和抗滑关系进行了分析,但针对不同材料组合的SMA-13混合料的协同作用机理,以及在紫外老化与重载耦合作用下抗滑性能演变特征的研究仍较薄弱。

基于上述分析,现针对紫外辐射及较大荷载(1.0 MPa)共同作用下,选取 SBS 改性沥青+天然矿料(A)、SBS 改性沥青+含钢渣矿料(B)和高模量沥青+天然矿料(C)三种类型的SMA-13沥青混合料,采用紫外老化试验箱与车辙仪模拟老化、磨耗工况。通过对不同磨耗阶段摆值(British pendulum number, BPN)及均值断面深度(mean profile depth, MPD)、均方根(root mean square, RMS)等纹理参数进行测试与分析,揭示紫外老化前后 SMA-13 混合料抗滑性能与纹理特征的演变规律,并探讨MPD、RMS 等纹理参数与BPN之间的相关性。

1 材料与方法

1.1 沥青与矿料

选用4%SBS改性沥青、微粒化高模量天然沥青制备混合料。SBS改性沥青由实验室自制而成,高模量沥青由西安众力公司提供。沥青的主要技术性质如表1所示。

依据《公路工程集料试验规程》(JTG 3432—2024)进行了各集料密度及吸水率测试^[19],如表2所示。

1.2 配合比设计

按照SMA-13级配要求,进行了天然矿料组和含钢渣矿料组的混合料组成设计,结果如表3所示。由于钢渣集料密度较大,基于体积替换法,将5~10 mm玄武岩集料等体积替换为钢渣^[20-21] 。

在上述基础上,采用马歇尔设计方法,分别采用SBS改性沥青+天然矿料(A)、SBS改性沥青+含钢渣(5~10 mm)的矿料(B)、高模量沥青+天然矿料(C),制备了A、B、C三种混合料。

1.3 紫外老化与磨耗实验设计

采用UVH-Ⅱ型紫外老化试验箱[图1(a)]进行紫外老化环境(时长14 d,温度60 ℃)模拟。同时,采用HYCZ-5A型车辙试验机[图1(b)]替代加速磨耗仪^[22],开展了1.0 MPa较大荷载下的磨耗试验。

1.4 测试技术

1.4.1 摆式摩擦实验

将成型车辙板沿横向均分为左、中、右3个区域,分别标记为位置a、b、c。采用BM-V型摆式摩擦系数仪(Pendulum friction coefficient tester)完成BPN测试。由于普通摆式仪的滑溜块宽度大于车辙仪的轮迹带宽度,为保证BPN测试精度,每磨耗6 h对试样上下移动,形成约90 mm宽轮迹带,满足滑块宽76.2 mm的测试需求。结合文献,定义BPN<45即为抗滑失效^[23-24],停止磨耗。

1.4.2 激光纹理扫描测试

选用美国Ames LTS-9500型激光纹理扫描仪(图2),扫描试样表面10 cm×10 cm区域。激光使表面凹凸形态自不同角度反射至接收屏幕,得到原始三维图像。

均值断面深度MPD已作为一项参数指标纳入《公路技术状况评定标准》,用于计算路面磨耗指数(pavement wearing index,PWI)^[25]。也有研究认为RMS表征纹理构造更为精准,如式(1)所示^[26]。

(1)RMS=$\sqrt{\frac{1}{N}\sum _{0}^{N}{\left|{P}_{i}-{P}_{i}^{\mathrm{*}}\right|}^{2}}$

式(1)中:N为测线内的坐标数;P_i为测线中第i个测点的估计深度值;${P}_{i}^{\mathrm{*}}$为测线中第i个测点的实际深度值。

2 结果与讨论

2.1 基于BPN的演变规律

2.1.1 BPN曲线的退化特征

混合料A、B、C的BPN随磨耗时长的变化情况如图3所示。

由图3可知,混合料的BPN衰减曲线呈现典型的“阶段性”演化特征,尤其在磨耗初期呈现出非单调性变化规律。这是由于在磨耗初期BPN测试结果受试样成型因素(如表面平整度)的影响,BPN数值出现较大波动。考虑BPN曲线的退化趋势,以12 h、48 h的磨耗时长为界,将BPN衰减过程划分为1、2、3 共3个阶段。在磨耗1阶段,主要表现为沥青膜对磨耗的抵抗作用,随着磨耗时长增加,部分沥青膜逐渐减薄直至剥落,骨料纹理开始显露;在磨耗2阶段,骨料表面纹理逐步承担主要的抗磨耗作用,由于骨料自身具有丰富的微观纹理形态,导致BPN在一定磨耗时长内呈现增大趋势;而在磨耗3阶段,随着磨耗时长的继续增加,骨料纹理会逐渐退化,BPN进入衰减并趋于稳定^[27]。

为量化表征混合料BPN的衰减规律,考虑到BPN测试受试样成型因素的显著影响,导致1阶段结果精确度相对较低,且磨耗时长较短,因此主要选择2、3阶段的BPN结果作为比对依据。据此,提出采用2阶段BPN均值及最大值,3阶段衰减速率以及最大磨耗时长(磨耗108 h)的BPN组成抗滑表征体系,其统计分析结果如表4所示。

由表4可知,混合料A的2阶段BPN均值、最大磨耗时长的BPN均呈现最大值,且3阶段衰减速率呈现最小值;而混合料C的2阶段BPN均值及最大值、最大磨耗时长BPN均呈现最小值,且3阶段衰减速率呈现最大值;这表明混合料A的抗滑性能显然优于混合料C。对于混合料B,2阶段BPN均值与混合料A类似,但2阶段BPN最大值显著高于混合料A(18.5%),这说明在2阶段中的某一磨耗时段,混合料B 的抗滑性能优于混合料A。然而,从3阶段衰减速率以及最大磨耗时长的计算结果来看,钢渣混合料并未展现其良好的抗滑优势。

2.1.2 紫外老化对BPN表征体系的影响

经紫外老化后,混合料BPN随磨耗时长的变化情况如图4所示。

由图4可知,老化后混合料BPN随磨耗时长变化仍然呈现“阶段性”演变特征。为方便对比,仍然沿用12 h和48 h作为磨耗阶段的划分依据。紫外老化对混合料BPN退化趋势影响极为显著。对混合料A而言,磨耗2阶段BPN近乎呈显著增长的趋势,这是由于在磨耗初期(1阶段),紫外老化使得沥青膜近乎完全脱落,骨料纹理快速裸露主导抗磨耗作用。相比之下,老化后的混合料B在2阶段BPN仍呈现波动变化,且3阶段的BPN未呈现显著下降,显示其较强的抗退化能力。而混合料C在2、3阶段的BPN均显著降低,这表明其具有较大的老化敏感性。此外,经紫外老化后,3种混合料的BPN初值均大幅度降低,这说明了紫外辐射和荷载磨耗因素均是BPN降低的关键诱因。老化后3种混合料的BPN表征体系的量化结果如表5所示。

由表5可知,经紫外老化后,与混合料A、C相比,混合料B的2阶段BPN均值及最大值、最大磨耗时长的BPN显著增大,且3阶段衰减速率分别降低50%和67%。这说明混合料B具有最低的老化敏感性和较强的抵抗磨耗的能力。究其原因,混合料B中含有SBS改性沥青和部分钢渣骨料,SBS改性沥青的抗紫外线老化性能优于混合料C中的高模量沥青,且其与钢渣骨黏附性较好^[28],再加上钢渣骨料丰富的纹理构造延缓了混合料BPN的退化速率。

再者,与未老化混合料相比,经紫外老化后,3种混合料的2阶段BPN均值分别降低11.1%、4.9%和3.5%,最大值分别降低9.2%、20.8%和6.4%。这说明紫外老化过程,显著降低了混合料在2阶段抵抗磨耗的能力。然而,3种混合料的3阶段衰减速率均呈现出降低的趋势,尤其是混合料B由老化前0.21 h^-1衰减至0.06 h^-1,这说明紫外老化并没有加速3阶段的BPN退化速率。

2.2 基于纹理参数的演变规律

2.2.1 纹理高度/表征参数

1)纹理高度图像

随磨耗时长增加,3种混合料不同磨耗阶段的纹理高度图像如图5所示。图像中颜色的不同表征纹理高度的差异。

由图5可知,混合料的纹理高度随阶段演化发生显著变化。对于混合料A,在未磨耗阶段(0阶段)时,纹理高度图像主要由黄、绿色组成,纹理高度整体处于较高水平;在1阶段时,主要由浅绿色组成;而在2、3阶段时,主要由蓝、绿、紫色组成,证明纹理高度进一步下降并趋于稳定。混合料B的纹理高度图像,也呈现出类似的演变规律,但在磨耗3阶段,主要由蓝色组成,纹理高度下降幅度更为显著。与混合料A、B不同,混合料C的纹理图像在0~2阶段主要由红、绿、黄颜色组成,纹理高度保持相对较高水平,而3阶段主要由黄、绿、蓝颜色组成,纹理高度出现明显退化。总体来看,荷载磨耗作用导致混合料纹理高度逐渐降低,其中混合料B和C在3阶段的退化最为显著,反映其纹理退化速率较大。需要指出的是,由于试样成型及材料组成差异,3种混合料的初始纹理高度存在一定差别。

2)纹理参数(MPD & RMS)

基于AMES软件的统计分析功能,分别计算了混合料各磨耗阶段最大磨耗时长的MPD和RMS值,结果如图6所示。

由图6可知,随磨耗阶段增加,混合料A和C的MPD和RMS均逐渐降低,而混合料B呈现先降低(0至1阶段)后升高(1至2阶段)再降低(2至3阶段)的演变规律。在磨耗2阶段,混合料B的MPD和RMS指标显著高于混合料A和C。究其原因,混合料B中含有钢渣骨料,在磨耗2阶段的最大磨耗时长,部分骨料的沥青膜已脱落,骨料的纹理开始承担磨耗作用,尤其是钢渣骨料丰富的微观纹理裸露出来,是导致MPD和RMS呈现升高趋势的关键原因。综合来看,纹理指标的退化规律与上述2.1节BPN的演变规律呈现出较大的一致性。此外,由磨耗2阶段至3阶段,混合料A、B、C的MPD指标分别降低37%、43%、57%,RMS指标分别降低41%、62%、55%。这说明在磨耗3阶段,骨料表面被迅速磨平,纹理构造加速退化,从微观层面为BPN曲线的衰减提供了合理解释。

再者,从不同混合料纹理构造表征结果来看,在磨耗2阶段,3种混合料MPD指标大小顺序为B>A>C,RMS指标大小顺序为B>A≈C;在磨耗3阶段,3种混合料MPD指标大小顺序为B>A>C,RMS指标大小顺序为B≈A>C。因此,混合料B的抗滑纹理构造最优。此外,对比MPD、RMS两个指标对纹理构造的表征结果,可发现在磨耗3阶段,3种混合料的RMS指标差异性不显著,而MPD指标差异性非常明显。可见,MPD指标对于混合料的纹理构造形态更加敏感,更适合于表征混合料的微观纹理构造。

2.2.2 紫外老化对纹理参数的影响

以混合料A、B为例,探讨紫外老化前、后纹理参数MPD的演变规律,结果如图7所示。

由图7可知,经紫外老化后,混合料A、B在未磨耗时(0阶段)的MPD值均显著降低,降低幅度分别为30%、45%。这说明紫外老化作用也是导致混合料纹理退化的关键因素。究其原因,沥青膜在强紫外辐射作用下加速老化,在骨料表面包裹的形态发生变化,导致纹理构造形态退化^[29]。其次,混合料A在磨耗0、1和3阶段的MPD降低,而混合料B在整个磨耗过程中MPD均显著降低。这说明荷载反复磨耗作用是降低混合料纹理参数的直接原因。混合料A在磨耗2阶段的MPD升高,这可能是由于紫外辐射作用使得SBS改性沥青膜在2阶段的脱落面积大于老化前,导致骨料裸露面积增大,MPD升高。在整个磨耗过程中,第3阶段的磨耗时长最大,是混合料纹理退化的关键阶段。从3阶段的MPD退化速率来看,老化后混合料A、B分别是0.50 mm/h和0.15 mm/h。可见,钢渣混合料纹理退化速率更低,预示其对紫外老化环境的抗力更优。

2.2.3 纹理参数与BPN相关性

为探究纹理参数与BPN测试结果的相关性,将老化前、后混合料A、B的MPD与BPN数据进行回归分析,结果如图8所示。

由图8可知,在95%置信区间内,混合料A、B的MPD与BPN相关系数分别为0.87和0.94,均表现出较好的拟合效果,其中钢渣混合料优于普通混合料。这表明不同测试尺度下的表征结果具有一致性,也进一步验证了纹理构造退化是抗滑性能演变的关键诱因。

综上,利用激光纹理扫描技术快速获取纹理参数,预期可实现纹理检测与抗滑性能评估的一体化。通过定期的纹理扫描并结合少量 BPN 校准,即可实现对大范围路面抗滑状态的快速诊断和退化趋势预判。基于本文研究成果,混合料 B在长期服役条件下具有更好的纹理特征形态和优异的抗滑耐久性,适用于强日照、重载工况下的高等级公路。相比之下,混合料 A 和 C 的抗滑衰减更为明显,更适合作为交通较低或紫外辐射较弱运维环境的候选材料。

3 结论

(1)随着磨耗时长增加,3种混合料的BPN均呈现非单调性变化规律和“3阶段”演变特征,提出由2阶段BPN均值及最大值、3阶段BPN衰减速率、最大磨耗时长BPN共4个指标组成抗滑表征体系。

(2)对于未老化混合料,混合料A的抗滑性能优于B、C,其2阶段BPN均值、最大磨耗时长的BPN均呈现最大值,且3阶段衰减速率呈现最小值。紫外老化后,与混合料A、C相比,混合料B的2阶段BPN均值及最大值、最大磨耗时长的BPN显著增大,且3阶段衰减速率分别降低50%和67%。可见B具有最低的老化敏感性和较强的抵抗磨耗的能力。

(3)从混合料纹理构造表征来看,在磨耗2阶段,3种混合料MPD指标大小顺序为B>A>C,RMS指标大小顺序为B>A≈C;在磨耗3阶段,3种混合料MPD指标大小顺序为B>A>C,RMS指标大小顺序为B≈A>C。因此,混合料B的抗滑纹理构造最优。

(4)经紫外老化后,混合料A、B在未磨耗时的MPD值分别降低30%、45%。这说明紫外老化过程是导致纹理退化的关键因素。究其原因,沥青膜在强紫外辐射作用下加速老化,在骨料表面包裹的形态发生变化,导致纹理构造形态退化。此外,从3阶段的MPD退化速率来看,混合料A、B分别是0.50 mm/h和0.15 mm/h。可见,钢渣混合料纹理退化速率更低,预示其对紫外老化环境的抗力更优。

(5)在95%置信区间内,混合料A、B的MPD与BPN相关系数分别为0.87和0.94,拟合效果均为良好,且钢渣混合料效果优于普通混合料。这表明不同测试尺度表征结果的一致性,激光纹理扫描技术可实现路面纹理与抗滑性能的快速一体化评估,也验证了纹理形态退化是抗滑性能演变的关键诱因。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金青年科学基金(52308469)

国家自然科学基金配套项目(3122024PT19)

天津市教委科技计划(2021KJ056)

江西省交通运输厅重点工程科技项目(2023C0016)

中央高校基本科研业务费项目中国民航大学专项(3122024036)

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Received	Published	Revised
2025-06-23	2026-06-18	2025-12-18
Online Date
2026-08-04

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