公路瀝青路面抗滑性能影響關(guān)鍵因素與改善措施研究

樊 浩

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210001）

0 引言

影響行車(chē)安全的因素較多，其中包括駕駛?cè)藛T、車(chē)輛狀況、路面抗滑狀況及周邊環(huán)境等。而路面抗滑性能是影響安全行車(chē)的極為重要因素之一。表現(xiàn)抗滑性能的物理指標(biāo)——摩擦系數(shù)，作為評(píng)價(jià)路面抗滑性能的重要指標(biāo)之一，對(duì)正確了解測(cè)試與評(píng)價(jià)方法及提高路面的實(shí)際抗滑性能，同時(shí)降低行車(chē)安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)起到了至關(guān)重要的作用［1］。

本文通過(guò)道路抗滑能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立、分析和比較，得出路面各抗滑測(cè)試指標(biāo)在車(chē)輛行駛過(guò)程中的衰減規(guī)律，然后從中獲取部分關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)抗滑性能的影響程度，并通過(guò)此類(lèi)關(guān)鍵因素的合理分析，最終總結(jié)出路面抗滑性能的防治和改善措施，為進(jìn)一步提升路面抗滑性能提供方法，為道路行車(chē)安全提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障措施。

1 研究目的

本文研究的目的在于客觀、科學(xué)檢測(cè)評(píng)價(jià)瀝青路面抗滑性能，動(dòng)態(tài)掌握了解不同表層混合料抗滑性能衰變的特性和規(guī)律，明確影響密級(jí)配混合料抗滑性能的各關(guān)鍵因素，同時(shí)提出有針對(duì)性的抗滑性能改善方法和措施，其目的在于全力保障路面使用的安全性能，延長(zhǎng)道路的使用壽命，對(duì)道路養(yǎng)護(hù)部門(mén)而言，還能提高養(yǎng)護(hù)資金的運(yùn)營(yíng)效率，最大限度地產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)道路抗滑性能變化規(guī)律合理進(jìn)行把握，建立一種科學(xué)合理的抗滑性能指標(biāo)評(píng)價(jià)體系顯得尤為必要，該體系可以分為單指標(biāo)和復(fù)合指標(biāo)兩類(lèi)，具體如表1 所示。

表1 抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表

其中，規(guī)范涉及應(yīng)用較多的是橫向力系數(shù) SFC 與摩擦系數(shù) FN，兩者測(cè)試原理相近，但測(cè)試結(jié)果需要經(jīng)過(guò)一定的換算才能得出，

3 測(cè)試方法

目前用于測(cè)試路面抗滑性能指標(biāo)的設(shè)備較多，傳統(tǒng)測(cè)試抗滑性能設(shè)備如擺式摩擦儀，其缺點(diǎn)是由于測(cè)試效率低且需要臨時(shí)封閉交通，對(duì)道路車(chē)輛通行有一定的限制作用，取而代之的是單輪式橫向力系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)（橫向力系數(shù) SFC）、雙輪式橫向力系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)（摩擦系數(shù)μh）、縱向摩擦系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)（縱向摩擦系數(shù)μz），包括近些年來(lái)出現(xiàn)的用于公路的多功能測(cè)試車(chē)，其中橫向力系數(shù)、縱向力系數(shù)和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系如表2 所示。

據(jù)公安部交通管理局《中華人民共和國(guó)道路統(tǒng)計(jì)報(bào)》信息顯示：高速公路最易發(fā)生的交通事故為尾隨相撞，而在此過(guò)程中，橫向力系數(shù) SFC 主要體現(xiàn)最不利狀態(tài)下的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)，縱向力系數(shù) BFC 亦表現(xiàn)出最不利狀態(tài)下的碰撞，至于摩擦系數(shù) FN 更能反映現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀態(tài)，且結(jié)果也較為科學(xué)、客觀。

表2 不同評(píng)價(jià)體系指標(biāo)應(yīng)用區(qū)別分析表

4 衰減規(guī)律

4.1 分析方法

本文采用路網(wǎng)調(diào)查法。調(diào)查范圍涉及 8 條高速公路，合計(jì) 719 km；調(diào)查混合料類(lèi)型分別是 SMA13、AC16、微表處、Novachip超薄磨耗層；調(diào)查交通水平分為重交通水平、中等交通水平；并將這些路段交工驗(yàn)收、歷年定期檢測(cè)數(shù)據(jù)作為此次調(diào)查的基礎(chǔ)性資料。

4.2 重交通抗滑性能衰減規(guī)律

以下分別以 SMA13、AC16、微表處、Novachip 超薄磨耗層為例，分別給出不同路面類(lèi)型的道路抗滑性能的衰減規(guī)律，如圖1～4 所示。

1）SMA13。通車(chē)前 3 年橫向力系數(shù) SFC 快速衰減，年平均衰減幅度在 6.5 左右；橫向力系數(shù) SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間為（42.2，44.2）；

2）AC16。通車(chē)前 2 年橫向力系數(shù) SFC 快速衰減，年平均衰減幅度在 10 左右；橫向力系數(shù) SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間為（40.8，44.2）；

圖1 SMA13 歷年抗滑性能衰減規(guī)律對(duì)比圖

圖2 AC 16 歷年抗滑性能衰減規(guī)律對(duì)比圖

圖3 微表處歷年抗滑性能衰減規(guī)律對(duì)比圖

圖4 Novachip 歷年抗滑性能衰減規(guī)律對(duì)比圖

3）微表處。通車(chē)前 1 年橫向力系數(shù) SFC 快速衰減，年平均衰減幅度在 7.5 左右；橫向力系數(shù) SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間為（41.3，44.2）；

4）Novachip。通車(chē)前 2 年橫向力系數(shù) SFC 快速衰減，年平均衰減幅度在 8 左右；橫向力系數(shù) SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間為（42.7，44.9）。

4.3 中等交通抗滑性能衰減規(guī)律

以下分別以 AC16、微表處、Novachip 超薄磨耗層為例，分別給出不同路面類(lèi)型的道路抗滑性能的衰減規(guī)律，如圖5～7 所示。

圖5 AC16 歷年抗滑性能衰減規(guī)律對(duì)比圖

圖6 微表處歷年抗滑性能衰減規(guī)律對(duì)比圖

圖7 Novachip 歷年抗滑性能衰減規(guī)律對(duì)比圖

1）AC16。通車(chē)前 2 年橫向力系數(shù) SFC 快速衰減，年平均衰減幅度在 7 左右；橫向力系數(shù) SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間為（41.8，45.6）；

2）微表處。通車(chē)前 2 年橫向力系數(shù) SFC 快速 衰減，年平均衰減幅度在 8 左右；橫向力系數(shù) SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間為（39.1，44.7）；

3）Novachip：通車(chē)前 2 年橫向力系數(shù) SFC 快速 衰減，年平均衰減幅度在 10 左右；橫向力系數(shù) SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間為（41.8，45.6）。

4.4 表層混合料抗滑性能優(yōu)劣排序

4.4.1 重交通水平

現(xiàn)將重交通水平的不同路面結(jié)構(gòu)表層混合料抗滑性能變化趨勢(shì)如圖8 所示，不同路面結(jié)構(gòu)橫向力系數(shù)SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間變化如圖9 所示。

圖8 不同路面結(jié)構(gòu)橫向力系數(shù) SFC 歷年變化趨勢(shì)圖

圖9 不同路面結(jié)構(gòu)橫向力系數(shù) SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間變化趨勢(shì)圖

通過(guò)圖8～9 發(fā)現(xiàn)，綜合考慮橫向力系數(shù) SFC 衰減速度、周期、穩(wěn)定區(qū)間等因素，重交通抗滑性能優(yōu)劣排序：SMA13＞AC16，Novachip＞微表處。

4.4.2 中等交通水平

現(xiàn)將中等交通水平的不同路面結(jié)構(gòu)表層混合料抗滑性能變化趨勢(shì)如圖10 所示，不同路面結(jié)構(gòu)橫向力系數(shù)SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間變化如圖11 所示。

圖10 不同路面結(jié)構(gòu)橫向力系數(shù) SFC歷年變化趨勢(shì)圖

圖11 不同路面結(jié)構(gòu)橫向力系數(shù) SFC 衰減穩(wěn)定區(qū)間變化趨勢(shì)圖

通過(guò)圖10～11 發(fā)現(xiàn)，綜合考慮橫向力系數(shù) SFC 衰減速度、周期、穩(wěn)定區(qū)間等因素，中等交通抗滑性能優(yōu)劣排序：AC16＞微表外，Novachip＞微表處。

5 關(guān)鍵影響因素

5.1 研究思路

抗滑性能優(yōu)良的表層混合料不僅要在建成初期具有較高的抗滑指標(biāo)值，還要具有良好的抗滑耐能，研究方法、研究?jī)?nèi)容及研究目標(biāo)詳如圖12 所示。

圖12 研究方法、研究?jī)?nèi)容及研究目標(biāo)流程圖

5.2 研究方法

5.2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

檢測(cè)路段為 SSX 高速公路、KY 高速公路，檢測(cè)內(nèi)容包括現(xiàn)場(chǎng)取芯、構(gòu)造深度、擺值。具體檢測(cè)方法為：硬路肩 150 mm 芯樣 8 個(gè)，取芯位置及平行行車(chē)道輪跡帶進(jìn)行構(gòu)造深度和擺值測(cè)試。檢測(cè)點(diǎn)位選取方案為：檢測(cè)高速每個(gè)施工標(biāo)段 2～4 點(diǎn)，區(qū)分抗滑性能優(yōu)劣（優(yōu)：SFC 衰減穩(wěn)定值≥45，SFC 衰減穩(wěn)定值≤42）。

5.2.2 室內(nèi)試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)空隙率可以研究施工水平對(duì)密級(jí)配瀝青表層抗滑性能的影響，抽提試驗(yàn)是研究混合料級(jí)配、瀝青含量對(duì)密級(jí)配瀝青表層抗滑性能的影響，集料試驗(yàn)則研究磨光值、磨耗值、微狄法爾磨耗值對(duì)密級(jí)配瀝青表層抗滑性能的影響。

5.2.3 施工資料解析方法

瀝青混合料目標(biāo)、生產(chǎn)配合比報(bào)告數(shù)據(jù)，可以輔助研究混合料級(jí)配與抗滑性能之間的相關(guān)性。

5.3 研究成果

5.3.1 施工水平——現(xiàn)場(chǎng)空隙率

用于表征路面抗滑性能指標(biāo)的構(gòu)造深度與擺值，在施工過(guò)程中表現(xiàn)出的與現(xiàn)場(chǎng)空隙率的關(guān)系如圖13～圖14 所示。

從圖13～14 可以看出：密級(jí)配混合料初始抗滑性能與空隙率無(wú)明顯的相關(guān)性［2］。

5.3.2 集料——初始、衰減穩(wěn)定橫向力系數(shù) SFC

用于混合料中的集料，其自身的抗磨性能指標(biāo)——磨光值分別在通車(chē) 1 年和通車(chē) 3 年與橫向力系數(shù) SFC 之間存在一定的相關(guān)性如圖15～16 所示。

圖13 構(gòu)造深度 MTD 與現(xiàn)場(chǎng)空隙率的相關(guān)性分析

圖14 擺值 BPN 與現(xiàn)場(chǎng)空隙率的相關(guān)性分析

圖15 磨光值PSV與通車(chē)1年橫向力系數(shù)SFC相關(guān)性

圖16 磨光值 PSV 與通車(chē) 3 年橫向力系數(shù) SFC 相關(guān)性

從圖15～16 可以看出：集料磨光值 PSV 與路面初始、衰減穩(wěn)定橫向力系數(shù) SFC 正相關(guān)［3］。

5.3.3 瀝青含量——初始、衰減穩(wěn)定橫向力系數(shù)

用于瀝青混合料的主要指標(biāo)之一的油石比分別在通車(chē) 1 年及衰減穩(wěn)定橫向力系數(shù) SFC 之間的關(guān)系如圖17～18 所示。

圖17 油石比與通車(chē) 1 年橫向力系數(shù) SFC 相關(guān)性

圖18 油石比與衰減穩(wěn)定橫向力系數(shù) SFC 相關(guān)性

從圖17～18 可以看出：瀝青含量與路面初始、衰減穩(wěn)定橫向力系數(shù) SFC 無(wú)相關(guān)性。

5.4 改善措施

5.4.1 AC16 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

在日常檢測(cè)得取數(shù)據(jù)經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)道路表層的初始抗滑性能一般都能達(dá)到優(yōu)良級(jí)別的相關(guān)技術(shù)要求，然而隨著時(shí)間的推移，其抗滑耐久性就表現(xiàn)出較差的一面，如圖19～ 21 所示。

圖19 SSX 高速一期芯樣抽提合成級(jí)配

圖20 SSX 高速二期芯樣抽提合成級(jí)配示意圖

圖21 KY 高速芯樣抽提合成級(jí)配示意圖

從圖19～ 21 可以看出，抗滑耐久性優(yōu)良點(diǎn)位的芯樣，其抽提合成級(jí)配偏細(xì)，4.75 mm 篩孔通過(guò)率≥40 %，9.5 mm 篩孔通過(guò)率≥65 %。

通過(guò)實(shí)例分析可以得出：混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)，盡量增加 5～10 mm 檔集料用量，使礦料合成級(jí)配曲線成平坦的 S 型骨架嵌擠穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，建議 AC16 型混合料4.75 mm 篩孔通過(guò)率宜控制在 36 %～42 %，9.5 mm 篩孔通過(guò)率宜控制在 62 %～68 %，具體如表3 所示。

表3 混合料級(jí)配范圍建議值控制表

5.4.2 AC16 混合料體積指標(biāo)

通過(guò)對(duì)礦料間隙率 VMA 的試驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)得出：盡量提高 VMA 指標(biāo)值，VMA 越大意味著要能填充更多的瀝青膠結(jié)料。表層混合料瀝青膠結(jié)料越多，石料油膜越厚，延長(zhǎng)抗滑性能衰減周期，提高抗滑耐久性［4］，具體如圖22 所示。

圖22 瀝青混合料單位體積內(nèi)各質(zhì)量體積分布示意圖

5.4.3 AC16 集料技術(shù)要求

微狄法爾磨耗值是集料在有水狀態(tài)下抵抗摩擦和撞擊能力的一項(xiàng)指標(biāo)［5］，如表4 所示。

表4 不同高速磨光值、磨耗值及微狄法爾磨耗值變化值表

顆粒度指數(shù)反映集料的形狀和構(gòu)造特性，計(jì)算如式（1）所示，AC16 集料技術(shù)要求如表5 所示。

表5 各指標(biāo)技術(shù)性能及試驗(yàn)方法匯總表

式中：Ia為顆粒指數(shù)；V10為每層插搗 10 次時(shí)的空隙率；V50為每層插搗 50 次時(shí)的空隙率。

5.4.4 實(shí)施應(yīng)用效果

本文結(jié)合 YG 高速現(xiàn)場(chǎng)歷年運(yùn)營(yíng)情況，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)段與正常路段抗滑性能指標(biāo)，該路段全長(zhǎng) 1 713 m，于2014 年 12 月建成通車(chē)。具體結(jié)果對(duì)比如表6～ 7 所示。

表6 試驗(yàn)段 GAC16 礦料合成級(jí)配各篩孔通過(guò)百分率匯總表

表7 試驗(yàn)段跟蹤觀測(cè)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

在確定評(píng)價(jià)體系指標(biāo)就測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，了解到不同影響因素對(duì)路面抗滑性能衰減的趨勢(shì)情況，從這些眾多的影響因素中總結(jié)提煉出關(guān)鍵影響因素，同時(shí)通過(guò)以大量采集數(shù)據(jù)及相關(guān)分析，進(jìn)而得出改善路面抗滑性能的必要措施。在跟蹤試驗(yàn)段及正常路段路面抗滑性能后分析比較，明顯可以看出試驗(yàn)段在提高路面抗滑性能指標(biāo)方面較正常路段有一定的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)今后配合比設(shè)計(jì)對(duì)混合料級(jí)配的優(yōu)化調(diào)整，可以達(dá)到進(jìn)一步提升路面抗滑性能效果，為道路行車(chē)安全加大保障力度，讓人、車(chē)和個(gè)人財(cái)產(chǎn)都能在道路運(yùn)營(yíng)中更加安全舒適。