刻槽瀝青路面抗滑性能分析

代 思 楊孝思 譚祺琦

（重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074）

隨著運輸需求的增長與高速公路總里程的增加，交通事故發生率也逐漸升高。交通事故的產生與人、車、路和環境有關，其中道路狀況是影響行車安全的主要影響因素，包括路面的抗滑性、平整度、噪聲以及反射特性等方面[1]。在諸多影響因素中路面抗滑性直接影響著行車安全[2]，路面的微觀與宏觀構造特征可提高其抗滑性能，微觀構造提高了輪胎與路面的嚙合程度，當路面干燥且車速較低時對路面抗滑起著主導作用；宏觀構造可排出車輪與路面間的動水力，當路面潮濕且車速較高時能有效提高路面抗滑性[3]。沙慶林[4]通過分析構造深度與橫向力系數發現，橫向力系數隨著車速增加而減小的幅度會隨著路面構造深度的增加而降低。楊軍[5]等通過數值模擬發現大構造深度對干燥與潮濕路面的抗滑性能均有利。

提高瀝青路面抗滑性能的措施有加鋪瀝青抗滑層、工藝型抗滑封面結構以及表面紋處理。機械刻槽工藝是表面紋處理措施中的一種，主要是采用機械在瀝青面層切割出規則的紋理，以此提高路面的抗滑性能。刻槽工藝操作便捷、成本較低，能有效提高路面抗滑能力，對于舊路面也可采用刻槽工藝來恢復其抗滑性能。路面刻槽技術在水泥混凝土路面上已有較為廣泛的應用，美國和日本等國家也將此工藝用于瀝青混凝土路面上，并有效提高了路面抗滑性能。20 世紀50 年代人們發現路表構造深度直接影響著濕滑路面的行車安全，但缺乏有效措施來增加其構造深度[6]。早坂保則發現瀝青混凝土路面刻槽的槽深度比槽密度對抗滑性能的影響更大，Alex 提出刻槽的耐久性與瀝青種類以及集料特性有關，郝培文結合日本刻槽瀝青混凝土道面進行了系統研究[7]。我國在1991 年研制了第一臺電動刻槽機[8]，李波通過研究水泥混凝土路面刻槽與抗滑性能，提出了水泥混凝土路面的最優刻槽組合[9]。路面刻槽工藝能有效地提高路面抗滑性能，相比于水泥混凝土路面，路面刻槽工藝在瀝青混凝土路面上應用得還較少。本文通過對不同類型瀝青混合料進行刻槽處理，分析其在不同刻槽參數與不同溫度等條件下的抗滑性及其耐久性，進而推薦適宜的刻槽參數。

1 原材料與試件制備

1.1 原材料

試驗中所需的集料采用花崗巖，需整潔、干燥、堅硬且無雜雜質，按《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2019）測定集料特性指標均滿足要求，其中壓碎值為19.2%，針片狀含量10.4%，堅固性5.0%，吸水率0.91%。瀝青選用基質瀝青與SBS 改性瀝青，其技術性能試驗結果分別是針入度35.4 與44.8、延度36 與40.4、軟化點72.0 與53.5 等。

1.2 級配

試驗所采用兩種級配類型進行比較，其級配如表1 所示。試驗方案如表2 所示。

表1 各級配中值通過率百分率（%）

表2 試驗方案組合

1.3 試件制備

采用馬歇爾設計方法確定表2 中各方案瀝青混合料的最佳油量，制作尺寸為300mm×300mm×50mm 的車轍板。脫模后用粉筆在車轍板表面確定刻槽位置，用手持式砂輪對其進行刻槽，刻槽完成后用小刷子將槽中的灰塵掃凈，并用水沖洗試件至干凈無雜物，晾干備用。

2 瀝青路面刻槽耐久性

瀝青混凝土路面上的刻槽會在高溫與車輛荷載的作用下產生變形，例如刻槽在豎向上被壓縮導致槽體積的縮小，或是槽產生橫向變形導致槽原有的寬度變窄。為得到瀝青路面刻槽的耐久性，需測定槽在高溫車轍試驗下的閉合變形狀況，在刻槽中灌入標準砂，如圖1 所示，利用試驗前后槽內灌砂的體積變化來表示其變形程度。

圖1 刻槽體積測量灌砂區域50mm

制作刻槽深度和寬度為6mm，槽中心間距為35mm 的試件，灌砂測試件中心寬50mm 區域的槽體積，再將試件置于60℃恒溫箱內保溫6h 后進行車轍試驗，測定碾壓200、500、1500、3000、5000 次后刻槽的體積變化。灌砂時用適宜尺寸的硬紙塊卡在每條槽測量區域的邊界上，以保證測量的體積始終在其區域內。分別對比瀝青相同時最大粒徑對刻槽高溫性能的影響（方案1 與方案2），級配相同時瀝青類型對刻槽高溫性能影響（方案2 與方案3），試驗結果如圖2 所示。

圖2 車轍試驗結果

由圖2 可知，隨著碾壓次數增加刻槽體積變化逐漸增大。在各種碾壓次數下，瀝青混合料最大公稱粒徑為AC-16 的體積變化率始終比AC-13 更小，公稱粒徑大的槽的高溫性能更好；改性瀝青混合料刻槽的高溫性能優于普通瀝青，使用改性瀝青能有效提高瀝青路面刻槽的高溫耐久性。

3 合理刻槽參數確定

3.1 刻槽參數取值

瀝青路面刻槽時需要確定其刻槽形狀、槽中心間距、槽寬度、槽深度、槽走向等參數，為得到抗滑效果與耐久性較好的刻槽形式，對各種刻槽參數組合下的試件進行高溫車轍試驗與抗滑性能試驗，從而確定合理的參數。結合現有實驗室中刻槽刀片的形狀條件，選擇刻槽形狀為矩形；文獻10 模擬計算了路面橫向刻槽與縱向刻槽的摩擦系數，提出刻槽后路面抗滑能力有顯著提高，其中橫向刻槽的抗滑性能更好[10]。后續試驗中考慮刻槽走向為橫向，槽寬度和深度取值為2、4、6mm，刻槽中心間距取15、25、35mm。

3.2 刻槽瀝青路面抗滑性

擬定的刻槽寬度與深度的變化值均較小，分析在三種寬度和深度相同組合時刻槽間距為15mm、25mm、35mm 下的刻槽的抗滑性能，通過人工鋪砂法與擺式摩擦儀測定其構造深度與摩擦系數，結果圖3 所示。為分析刻槽參數對槽耐久性的影響，將各試件保溫至60℃測定其在車轍試驗儀碾壓后的體積變化率，結果如圖4 所示。

圖3 刻槽參數對抗滑性能影響

圖4 刻槽參數對耐久性影響

由圖3 可知，試件的摩擦系數與構造深度均隨著刻槽間距的增加而減小，隨刻槽寬度與深度的增加而增大，且槽寬度與深度達到4mm 后對摩擦系數與構造深度的影響更為顯著，刻槽間距達到25mm 后對摩擦系數的影響更大。因此相同間距時增加刻槽寬度與深度，或是縮小槽中心間距是有利于提高抗滑性的。因此推薦刻槽的寬度與深度尺寸為6mm。

由圖4 可知，當刻槽的寬度和深度保持不變時，（轉下頁）在各種碾壓次數下槽中心間距越大槽體積變化越小，即刻槽的高溫耐久性越好；當槽中心間距一定時，刻槽的寬度與深度越大其高溫性能越好。結合刻槽抗滑性與高溫耐久性的分析，推薦瀝青混凝土路面的刻槽尺寸為6mm×6mm×35mm。

4 結論

瀝青混凝土路面刻槽能有效提高其抗滑性能，瀝青混合料的集料級配與瀝青類型會影響刻槽的耐久性，刻槽寬度、深度、間距等參數對其抗滑性與耐久性均有一定程度影響，通過室內高溫車轍試驗與抗滑性能試驗分析得到如下結論：

4.1 AC-13 與AC-16 相比，最大公稱粒徑大的瀝青混合料刻槽的高溫耐久性更好；普通瀝青與改性瀝青相比，改性瀝青混合料刻槽的高溫耐久性更優。選擇大公稱粒徑與改性瀝青做瀝青混合料對提高刻槽的耐久性是有益的。

4.2 擬定刻槽的寬度和深度為2、4、6mm，間距為15、25、35mm，試驗分析得到瀝青混凝土刻槽的寬度越大，其抗滑性能越高，推薦槽尺寸為6mm×6mm。

4.3 對不同尺寸的刻槽進行高溫性能試驗，得到槽的尺寸越大其高溫性能越好，刻槽間距越大其高溫性能越好。建議刻槽參數為6mm×6mm×35mm。