新型组合劣化指数用于环氧与沥青基高摩擦表面处治的长期性能比较

《Transportation Research Record》：Novel Combined Degradation Index for Long-Term Performance Comparison of Epoxy and Asphalt-Based High-Friction Surface Treatments

　　

高摩擦表面处治（HFST）是提高高风险路段抗滑性能、减少交通事故的关键安全措施。传统环氧基HFST虽应用广泛，但存在与既有路面相容性差、施工及铣刨成本高昂、易受下承层路面状况影响而出现耐久性问题等局限。本研究通过系统性试验，探究新型沥青基柔性HFST替代方案与传统环氧体系的长期劣化行为。在受控抛光条件下，研究人员开展实验室试验以比较两种体系的性能。试验方案包括对两种级配的铝矾土和流纹岩集料进行最高达14万次循环的系统性抛光研究。采用摩擦系数（COF）、平均剖面深度（MPD）以及新提出的组合劣化指数（CDI = COF × MPD）综合表征微观纹理与宏观纹理的联合劣化。CDI的有效性通过与多速度摩擦测量的一致性以及无监督k均值聚类（轮廓系数 = 0.549）得到验证，聚类分析仅基于实验室测量结果，识别出统计上显著不同的CDI区间，分别代表低、中、高劣化状态。为刻画劣化进程，研究人员评估了多种模型，其中基于Weibull的函数拟合效果最佳（平均R² = 0.95），优于指数模型（0.90）和幂律衰减模型（0.76）。外推至30万次循环表明，环氧体系在整个延长测试期间维持CDI值于低劣化区间，而沥青基体系通常在15万至20万次循环间进入中或高劣化区间。在沥青体系中，PG88-16高聚合物改性（HPM）搭配粗级配煅烧铝矾土可在约24.5万次循环前保持CDI高于中度劣化阈值（约为环氧体系>30万次循环性能窗口的82%），但其绝对CDI值较低。沥青基HFST对不同路面条件表现出良好的适应性，并在施工便捷性、下承层相容性和成本方面具有实际优势。尽管环氧体系在实验室测试中显示出更高的绝对耐久性，但部分沥青基配置在两种体系均超出典型HFST设计需求的场合下可提供足够的性能水平。经验证的CDI框架为评价HFST材料劣化建立了稳健的实验室方法，但仍需进一步工作以标定CDI区间在现场条件和更广泛路面应用中的适用性。

论文解读

一、研究背景与问题

高摩擦表面处治（HFST）是应用于高风险路段以提升抗滑性能、降低事故率的关键路面安全技术。美国传统HFST体系主要采用双组分环氧粘结剂配合煅烧铝矾土（CB）集料，依据AASHTO MP 41规范执行，依托其高硬度和优异的抗磨光性能。尽管此类环氧基体系在历史上提供了良好的摩擦性能，但近期现场和实验室证据揭示了其与沥青路面之间显著的相容性问题。热膨胀系数失配、对路面状况的敏感性以及下承层相关的黏附性破坏，均导致过早病害和服务寿命缩短。环氧粘结剂与沥青路面的热膨胀失配在大温差气候下尤为突出，可能引发脱粘、开裂和表面缺陷；同时，老化和风化后的下承层会削弱粘结效果，而沥青面层内的剪切应力还可能导致内聚性破坏。相比之下，沥青基粘结剂的粘弹性特征和热膨胀系数与沥青路面更加匹配，环氧的膨胀/收缩速率约为沥青混合料的3至4倍。新泽西州交通部和密苏里州交通部等机构的实践已表明，沥青基替代方案、优化集料级配和混合粘结剂技术可提升成本效益，并可能提供与环氧体系相当的摩擦性能。

然而，既有研究对环氧基和沥青基HFST在长期循环抛光作用下的劣化行为认识不足，缺乏采用可控、可重复的实验室方法模拟真实交通磨耗并进行劣化建模的系统性研究。为此，本研究提出了一项关键创新：基于延长抛光循环（模拟实际荷载和磨耗）建立环氧与沥青基柔性HFST体系的对比劣化模型。为捕捉此类处治中微观与宏观纹理变化的复杂交互作用，研究引入了组合劣化指数（CDI），该指数定义摩擦系数（COF）与平均剖面深度（MPD）的乘积，在一个统一框架内同时量化微观纹理和宏观纹理的劣化，从而支持全面的性能评价和跨体系的对比。

二、研究内容与主要方法

本研究通过系统的实验室试验，比较了环氧基与多种沥青基粘结剂搭配不同集料类型和级配的HFST体系在长期抛光下的性能演化。研究采用的关键技术方法包括：1）使用三轮抛光设备（TWPD）模拟交通荷载引起的累计磨耗，在0、3万、7万、14万次循环四个节点进行测量；2）采用动态摩擦测试仪（DFT）在20、40和50 km/h滑移速度下测量COF（依据ASTM E1911），其中DFT20用于CDI计算；3）使用环形轨道仪（CTM）通过激光轮廓法测定MPD（依据ASTM E2157），量化宏观纹理；4）构建CDI（COF × MPD）作为综合劣化指标；5）对完整数据集进行无监督k均值聚类分析（轮廓系数0.549，Davies–Bouldin指数0.566），确定低、中、高三个统计上显著的劣化区间；6）评估Weibull衰减模型、指数衰减模型和幂律衰减模型，以R²、赤池信息准则（AIC）、贝叶斯信息准则（BIC）和均方根误差（RMSE）作为模型选择标准，并结合自助抽样（bootstrap resampling）量化预测不确定性；7）利用选定模型将性能预测外推至30万次循环。所有沥青粘结剂均经旋转薄膜烘箱短期老化和压力老化容器长期老化模拟，并依据AASHTO M320-23规范完成弯曲梁流变仪（BBR）和动态剪切流变仪（DSR）测试。样本制备采用胶合板基板（经配对t检验验证与沥青混合料板无显著差异），粘结剂施用量控制在50%–60%嵌入深度。试验矩阵包含2种集料（CB和流纹岩Rhy）× 2种级配（HFST标准尺寸和粗级配）× 4种粘结剂（环氧、PG88-16、PG82-22高聚合物改性HPM、PG88-16 HPM）；除CB HFST + PG88-16(HPM)制备双样本（n=2）用于重复性验证外，其余均为单样本（n=1）。

三、主要研究结果

不同粘结剂和集料尺寸对COF的影响：CB在所有粘结剂和级配条件下均优于Rhy。环氧体系在不同集料和级配组合中表现出最均匀的摩擦性能，而柔性体系对材料选择更敏感。在CB条件下，PG88-16配合粗级配表现更好，而PG82-22(HPM)趋势相反，说明最优级配取决于粘结剂改性程度。对于Rhy体系，粗级配一致优于HFST级配，例如PG82-22(HPM)配合粗Rhy保留了62%的初始摩擦，而HFST级配仅保留36%。

不同粘结剂和集料尺寸对MPD的影响：环氧体系在所有条件下均表现出优异的纹理保持能力。以CB粗级配为例，环氧保持了84%的初始MPD（3.07降至2.59 mm），而沥青体系劣化更显著。PG88-16在Rhy HFST条件下MPD从1.84降至0.71 mm（减少61%），与COF高损失直接相关。

劣化模式分析：环氧体系表现为耦合劣化，COF和MPD按比例同步下降，纹理层级在抛光过程中得以保持。沥青基体系（尤其聚合物改性）呈现解耦劣化模式，例如PG88-16在Rhy HFST条件下微观纹理显著损失（COF：0.75降至0.06），宏观纹理劣化程度相对较轻但仍明显（MPD：1.84降至0.71 mm），表明不同尺度上存在不同失效机制，传统单参数方法难以刻画这种复杂交互。

各类HFST应用的CDI值：CB条件下环氧体系CDI保持率优于沥青体系。CB HFST级配下，环氧保持稳定（CDI：1.707降至1.399，劣化18%）；PG88-16(HPM)劣化最严重（CDI：1.795降至0.668，减少63%），其次为常规PG88-16（减少56%）和PG82-22(HPM)（减少40%）。粗级配普遍提升了各类粘结剂的整体表现，但性能排序保持一致。Rhy HFST条件下环氧仍有最稳定表现（劣化37%），而沥青体系劣化达79%至97%。值得注意的是，环氧在不同级配下展现出与级配无关的特性——两种级配最终CDI均收敛至约1.4至1.45，而沥青体系对粗级配提供的宏观纹理依赖程度更高，粗级配与HFST级配的CDI保持率差异达10至16个百分点。

模型选择与劣化预测：Weibull模型平均R²为0.95，优于指数模型（0.90）和幂律模型（0.76）；其AIC和BIC值最低，RMSE-R²散点图显示Weibull拟合集中于高精度低误差区域。HPM体系的R²约0.95，优于环氧（约0.72）。基于Weibull模型外推至30万次循环，环氧体系在整个期间保持CDI在低劣化区间；多数沥青体系在15万至20万次循环间进入中或高劣化区间。PG88-16(HPM)搭配CB粗级配在约24.5万次循环前保持CDI > 1.0，相当于环氧体系相同劣化区间时长（>30万次循环）的约82%，但绝对CDI较低（25万至30万次循环时环氧为1.43–1.47，该沥青配置为0.96–1.08）。

四、讨论与结论

讨论部分指出，CDI的乘性结构使其对COF或MPD的任一显著下降都极为敏感，便于早期识别不相容的粘结剂–集料组合。实验室定义的劣化区间（低度：CDI > 2.0；中度：1.0–2.0；高度：CDI < 1.0，低于0.5为严重劣化）为材料比较和长期趋势解释提供了实用框架，但不直接等同于现场性能阈值。环氧体系凭借其热固性本质和化学键合机制，对磨光具有稳定抵抗力和级配无关性；沥青体系则更依赖集料颗粒与粘结剂基体间的机械互锁，因此对级配和集料几何更为敏感。

研究结论为：环氧体系在所有指标上均表现出更高的绝对性能（更高的CDI、更好的纹理保持和更少的集料损失），但PG88-16(HPM)配合CB粗级配在基于CDI的劣化区间评价中表现出与环氧可比的实验室劣化时间线；该配置在约24.5万次循环内保持CDI > 1.0，约为环氧体系（>30万次循环）的82%，表明在考虑相对劣化进程而非绝对峰值的选材场景下，该沥青基方案可作为可行的实验室备选。CB在所有性能指标上均胜过Rhy，验证了AASHTO MP 41中优先选择高硬度抗磨光集料的规定，CB体系的CDI在14万次循环时约为对应Rhy体系的2至5倍。粗级配为沥青体系提供了更强的宏观纹理保持和抗劣化能力。Weibull模型被选为最佳预测工具，但超过约20万次循环的外推不确定性增加。现场长期监测是未来研究的关键方向，用以标定CDI的现场适用性、验证性能阈值并完善寿命预测。该研究由密苏里州交通部（MoDOT）资助，项目编号TR202206。