基于抗滑性能的瀝青路面優(yōu)化設(shè)計

劉秦昆，陳 德，葉中辰,3，關(guān)甫洋

(1. 西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

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基于抗滑性能的瀝青路面優(yōu)化設(shè)計

劉秦昆1，陳 德2，葉中辰2,3，關(guān)甫洋2

(1. 西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

為解決現(xiàn)有瀝青路面設(shè)計只以結(jié)構(gòu)性能為指標，未考慮路面抗滑性能的不足，針對粗細兩種級配類型的實際瀝青路面芯樣及相應(yīng)的室內(nèi)Superpave旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混合料試件，采用鋪砂法、激光構(gòu)造測試儀法、擺式摩擦系數(shù)測試儀(BPT)法及動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀(DFT)法等4種不同的測試方法測試了路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能，分析了測試方法、試件成型方式、設(shè)計參數(shù)與路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：路面宏觀構(gòu)造參數(shù)MTD分別與路面設(shè)計參數(shù)及抗滑性能之間具有良好的相關(guān)性。以MTD作為中間參數(shù)建立了路面設(shè)計參數(shù)與其抗滑性能之間的預(yù)測模型，為基于抗滑性能的瀝青路面優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

道路工程；抗滑性能；宏觀構(gòu)造；設(shè)計參數(shù)；回歸分析

近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國公路通車里程迅速增長，公路網(wǎng)日趨完善，為人們的生活提供了很大方便，但同時路面安全問題也日益凸出[1]。以路面抗滑性能為設(shè)計指標進行路面優(yōu)化設(shè)計，是解決路面安全問題的重要途徑。路面宏觀構(gòu)造是反映路面表面功能最直接的指標之一，影響路面抗滑、降噪等一系列特性。所以通過研究路面宏觀構(gòu)造預(yù)測路面抗滑性能[2]，對未來路面以抗滑性能作為設(shè)計指標進行路面優(yōu)化設(shè)計[3]具有現(xiàn)實意義。

1 瀝青路面宏觀構(gòu)造及其抗滑性能測試方法

路面表面構(gòu)造按其水平方向波長(λ)的長短可以分為：微觀構(gòu)造(λ<0.5 mm)、宏觀構(gòu)造(0.5 mm<λ<50 mm)、巨觀構(gòu)造(50 mm<λ<500 mm)以及平整度(λ>500 mm)[4]。規(guī)范施工，通常可以保證巨觀構(gòu)造和平整度滿足路面表面功能的要求[5]，路面設(shè)計階段主要關(guān)注其宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造。

1.1 路面宏觀構(gòu)造測試方法

1.1.1 鋪砂法(SPM)

鋪砂法是體積測試法的一種，將一定量的標準砂置于路面表面，用橡膠刮平板將其刮平，然后通過測量標準砂攤鋪直徑的大小，反算路面宏觀構(gòu)造深度(MTD)。

1.1.2 激光構(gòu)造測試儀法(CTM)

激光構(gòu)造測試儀法[6]是通過發(fā)射并接收經(jīng)過路面反射回來的圓周形激光束來測量路面宏觀構(gòu)造，激光束圓周的直徑為284 mm(周長892 mm)。激光構(gòu)造儀在計算道路表面平均斷面構(gòu)造深度(圖1)時，將激光束圓周長分為8段，每段111.5 mm，分別計算每段的平均斷面構(gòu)造深度，然后將8個平均斷面構(gòu)造深度值平均得到最終的路面表面平均斷面構(gòu)造深度(MPD)：

圖1 平均斷面構(gòu)造深度計算示意

1.2 路面微觀構(gòu)造測試方法

1.2.1 擺式摩擦系數(shù)測試儀(BPT)法

為了能夠測試實際路面取回的芯樣，及室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的表面摩擦系數(shù)，在普通擺式摩擦系數(shù)測試儀下設(shè)置一試件固定夾具，如圖2(a)。

1.2.2 動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀(DFT)法

動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀法[7]是將3塊橡膠墊固定在旋轉(zhuǎn)飛輪上，測定飛輪從初始速度80 km/h降低到0的過程中，由于橡膠墊和路面之間摩擦產(chǎn)生的扭矩[圖2(b)]，以此來反映路面摩擦系數(shù)的高低。其值在0～1之間變化，越接近1，路面摩擦系數(shù)越大。

圖2 路面微觀測試方法

2 瀝青路面宏觀構(gòu)造及其抗滑性能測試

影響路面安全性能的因素主要有路面表面性能、車輛性能、輪胎性能和環(huán)境因素等4類[8]。筆者主要集中于路面性能的研究，通過選取不同類型的路面，現(xiàn)場測試其宏觀構(gòu)造及抗滑性能，并鉆取芯樣，在試驗室測試其結(jié)構(gòu)參數(shù)；同時根據(jù)測得芯樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)，室內(nèi)成型具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的路面試件，并測其路面宏觀構(gòu)造和抗滑性能。

為了全面涵蓋路面設(shè)計參數(shù)對路面抗滑性能的影響，選取粗、細兩種級配，粗級配中又選取連續(xù)級配和間斷級配(SMA路面)兩種。同時每種路面類型取3個芯樣做平行試驗，實際路面測試結(jié)果如表1。

表1 實際路面結(jié)構(gòu)參數(shù)、宏觀構(gòu)造及其抗滑性能測試結(jié)果

(續(xù)表1)

級配粗細級配類型試件編號瀝青含量/%BRD/(g·cm-3)VMA/%VFA/%集料級配參數(shù)CuCcFMMTD(SPM)/mmMPD(CTM)/mmBPT測試的BPN值DFT測試的f值細級配連續(xù)級配E35．02．3715．369200．44．470．300．5560．00．60F14．92．3516．064210．44．440．230．3358．30．58F25．12．3616．170200．44．580．250．4559．50．59F34．92．3416．265230．34．380．230．4156．90．45G15．12．4216．876290．33．890．250．4358．70．55G25．22．4117．273330．23．930．300．4758．40．58G35．12．4017．072310．33．880．310．4658．50．55H14．72．2520．750240．33．960．250．4458．70．51H24．32．2620．248200．33．980．240．4362．20．56H34．52．2620．648190．44．300．250．4560．20．54I15．02．3217．059200．44．410．370．5960．70．63I24．82．3116．962190．34．430．280．4059．90．58I34．92．3116．661210．44．500．250．3960．10．54

注：BRD為毛體積密度；VMA為礦料間隙率；VFA為瀝青飽和度；Cu為均勻性系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)；FM為細度模數(shù)，F(xiàn)M=(a0.15+a0.3+a0.6+a1.18+a2.36+a4.75+a9.5+a19.0+a37.5+a75+a150)/100，其中ai為相應(yīng)孔徑篩子的剩余百分率(ASTM C136-05)；DFT測試的f值是在10 km/h條件下測試的摩擦系數(shù)。

按照實際路面芯樣測得的結(jié)構(gòu)參數(shù)，室內(nèi)使用Superpave 旋轉(zhuǎn)壓實法成型相應(yīng)的路面試件，并測其宏觀構(gòu)造和摩擦系數(shù)，測試結(jié)果見表2。此處由于試件尺寸的限制，只用鋪砂法和擺式摩擦系數(shù)測試儀兩種方法進行路面宏觀構(gòu)造和摩擦系數(shù)的測試。

表2 室內(nèi)成型試件路面結(jié)構(gòu)參數(shù)、宏觀構(gòu)造及抗滑性能測試結(jié)果

3 分 析

3.1 路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能分析

采用線性回歸法分析鋪砂法所測平均構(gòu)造深度MTD與激光構(gòu)造儀所測平均斷面構(gòu)造深度MPD數(shù)據(jù)，得出二者之間的關(guān)系如圖3。二者之間的相關(guān)系數(shù)R2= 0.97，說明MTD與MPD之間有良好的相關(guān)性，所以完全可以只使用鋪砂法測試路面宏觀構(gòu)造。

圖3 激光構(gòu)造儀的MPD值與鋪砂法的MTD值

擺式摩擦系數(shù)測試儀(BPT)測試的BPN值與動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀(DFT)測試的f值之間的關(guān)系如圖4。二者之間的相關(guān)系數(shù)R2= 0.80，相關(guān)性并不高，主要是由于BPN值受測試者的影響較大，所測BPN值的標準誤差為0.855 6，遠大于動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀所測值的標準誤差0.014 64。表明動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀所測數(shù)據(jù)較擺式摩擦系數(shù)測試儀所測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，所以筆者使用動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀所測數(shù)據(jù)進行后續(xù)回歸分析。

圖4 擺式摩擦系數(shù)測試儀BPN值與動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀f值

3.2 室內(nèi)試驗對實際路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能預(yù)測分析

筆者對室內(nèi)試驗與實際路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能之間的關(guān)系進行了線性回歸分析，結(jié)果如圖5。

圖5 室內(nèi)與現(xiàn)場的MTD，BPN關(guān)系

分析圖5得出，路面宏觀構(gòu)造室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試值之間有很好的線性相關(guān)性，說明運用室內(nèi)設(shè)計的路面宏觀構(gòu)造預(yù)測實際施工后路面宏觀構(gòu)造是可行的。路面抗滑性能由于室內(nèi)采用Superpave 旋轉(zhuǎn)壓實成型試件尺寸的限制，未能采用動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀測試其抗滑性能，只采用了擺式摩擦系數(shù)測試儀，所以筆者只做了室內(nèi)成型試件和現(xiàn)場測試BPN之間的回歸分析。由于擺式摩擦系數(shù)測試儀測試結(jié)果受測試者的影響較大，所以二者之間的相關(guān)性較差；但這并不代表不能用室內(nèi)設(shè)計的路面抗滑性能預(yù)測實際施工后的路面抗滑性能，二者之間的相關(guān)性還需要做進一步的試驗研究。

3.3 路面設(shè)計參數(shù)與路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能之間關(guān)系分析

分析表1及表2的室內(nèi)及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)BRD、VMA及FM對路面宏觀構(gòu)造的影響顯著。同時路面宏觀構(gòu)造隨著BRD和VMA的增大呈減小趨勢，隨FM的增大呈增大趨勢。所以，筆者采用FM2/(BRD×VMA)與MTD之間進行回歸分析，結(jié)果如圖6。

圖6 路面設(shè)計參數(shù)和路面宏觀構(gòu)造之間的關(guān)系

得到路面材料設(shè)計參數(shù)與其宏觀構(gòu)造之間的關(guān)系：

(1)

式中：MTD 為路面宏觀構(gòu)造深度，mm； FM 為細度模數(shù)，F(xiàn)M =(a0.15+a0.3+a0.6+a1.18+a2.36+a4.75+a9.5+ a19.0+ a37.5+ a75+ a150)/100(ai為相應(yīng)孔徑篩子的剩余百分率)(ASTMC136-05)； BRD 為毛體積密度，g/cm3；VMA 為礦料間隙率，%。

分析室內(nèi)及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)BRD、VMA及FM對路面抗滑性能指標f值影響較為顯著。同時， f值隨著BRD和VMA的增大呈減小趨勢，隨FM的增大呈增大趨勢。同樣采用FM2/(BRD×VMA)與f值之間進行回歸分析，結(jié)果如圖7。

圖7 路面設(shè)計參數(shù)和路面抗滑性能之間的關(guān)系

得到路面設(shè)計參數(shù)與其抗滑性能指標之間的關(guān)系：

(2)

由于路面抗滑性能與其設(shè)計參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)(0.69)較低，所以式(2)僅作參考。這也說明直接建立路面設(shè)計參數(shù)和路面抗滑性能之間的關(guān)系比較困難。筆者采用現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)回歸分析路面宏觀構(gòu)造與其抗滑性能之間的關(guān)系，回歸結(jié)果如圖8。

圖8 路面抗滑性能和路面宏觀構(gòu)造之間的關(guān)系

由圖8可以看出，路面抗滑性能和路面宏觀構(gòu)造之間相關(guān)性較高，說明通過路面宏觀構(gòu)造，間接反映路面抗滑性能是可行的。根據(jù)式(1)，通過改變設(shè)計參數(shù)得到較高的表面構(gòu)造，同時結(jié)合圖8中得到的路面抗滑性能和路面宏觀構(gòu)造之間的關(guān)系，達到基于抗滑性能的瀝青路面優(yōu)化設(shè)計的目標。

4 結(jié) 論

筆者選取了不同類型的實際瀝青路面，采用不同方法測試其宏觀構(gòu)造及抗滑性能，并取芯樣室內(nèi)測試分析了其體積指標。同時在室內(nèi)參照原路面設(shè)計參數(shù)，利用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實法成型路面試件，測其體積參數(shù)、宏觀構(gòu)造及抗滑性能指標，分析了不同測試方法、室內(nèi)與現(xiàn)場、設(shè)計參數(shù)與路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能之間的關(guān)系，得出了以下主要結(jié)論：

1)鋪砂法測的平均構(gòu)造深度(MTD)與激光構(gòu)造測試儀所得路面平均斷面構(gòu)造深度(MPD)之間有良好的線性關(guān)系，對于條件受限的設(shè)計和施工單位，可以只采用鋪砂法測試路面宏觀構(gòu)造深度。

2)路面宏觀構(gòu)造與其抗滑性能之間有良好的相關(guān)性，所以可以用宏觀構(gòu)造參數(shù)作為路面抗滑性能的預(yù)估參數(shù)。

3)建立了路面材料設(shè)計參數(shù)與路面宏觀構(gòu)造之間，及設(shè)計參數(shù)和路面抗滑性能之間的關(guān)系式，由此可進行基于抗滑性能的路面材料優(yōu)化設(shè)計。

[1] 屠書榮,吳敏剛,程永華.基于道路和環(huán)境條件的干線公路安全性評價方法[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,29(3):425-429. Tu Shurong,Wu Mingang,Cheng Yonghua.Arterial highway safety evaluation based on road and environment condition[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2010,29(3):425-429.

[2] Rezaei A.Development of a Prediction for Skid Resistance of Asphalt Pavement [D].Texas,USA:Texas A&M University,2010.

[3] Rajaei M,Sefidmazgi N R,Bahia H.Establishment of relation between pavement surface friction and mixture design properties [J].Transportation Research Board,2015(12):104-113.

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Optimized Design of Asphalt Pavement Based on Pavement Skid Resistance Performance

Liu Qinkun1, Chen De2, Ye Zhongchen2,3, Guan Fuyang2

(1. Xi’an Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd., Xi’an 710068, Shaanxi, China; 2. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China; 3. CCCC First Highway Consultants Co. Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China)

The existing asphalt pavement design methods only use the structural parameters as design parameters without considering surface performance. A series of asphalt pavement types, including coarse and fine gradations, were chosen to test their texture and friction using different texture (i.e. Sand Patch Testing and Laser Texture Tester) and friction testing methods (i.e. British Pendulum Tester and Dynamic Friction Tester). At the same time, the mixture samples, with same design parameters, were compacted with Superpave Compactor Method and tested with the same testing methods. Based on those testing results, the relationships between different testing methods, compaction methods, design parameters and macro-texture and skid resistance were obtained. The results show that there are a good correlation between macro-texture, skid resistance and theMTD. Meanwhile, a model to predict the skid resistance of asphalt pavement using the design parameters was built. It can be used in asphalt pavement design basing on skid resistance performance.

road engineering; skid resistance; macro-texture; design parameter; regression analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.09

2014-04-25；

2014-12-16

劉秦昆(1978—)，男，陜西咸陽人，工程師，主要從事道路工程方面的研究。E-mail：35009590@qq.com。

陳 德(1989—) ，男，甘肅會寧人，博士研究生，主要從事道路工程方面的研究。E-mail：chendelu435@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)03-042-05