高速公路瀝青路面抗滑性能影響因素及衰減規律分析

毛廣振

保利長大工程有限公司 廣東 廣州 510870

引言

相關人員都了解，瀝青路面憑借不揚塵、易養護及平整性好等優勢成為高速公路工程必選路面施工材料。隨著日常交通量持續提高，高速公路交通安全事故頻發問題，已經引起政府部門及社會各界廣泛關注，根據事故調查發現，部分交通安全事故的發生原因，通常與瀝青路面抗滑性不足存在一定關系，由此可見確保高速公路長期保持優越的抗滑性能，更有利于促進交通安全。因此高速公路瀝青路面抗滑性能影響因素及衰減規律，是高速公路運營及養護單位共同關注的重要問題。

1 影響高速公路瀝青路面抗滑性能的因素分析

1.1 內在因素

高速公路多為瀝青材質路面，其中對路面抗滑性能帶來不利影響的內在因素有瀝青和集料的類型、混合料類型、施工工藝以及運維管護等。

1.1.1 瀝青混合料類型。高速公路路面所用瀝青混合料中目前以OGFC-13、SMA-13以及AC-13為主。第一，OGFC-13。它在瀝青混合料類型中屬于大空隙開級配排水式類型，主料是粗集料，以鑲嵌方式構成，僅包括少量填料和細集料，通常有超過18%的設計空隙率，骨架空隙型路面結構層。它黏聚力不高，整體非常穩定，有較大內部摩阻力，缺陷是耐久性不理想。它較大的空隙率可以促進路面短時間內排干地表積水，抗滑降噪成效顯著，對車轍有很好抵御能力；第二，SMA-13。間斷級配類型的瀝青混合料，就是每種檔次的集料用量都不連續。粗細集料用量相比，粗集料用量更大，而且大量使用礦粉，摻入的纖維可促進混合料提升強度，骨架密實級配類型的整體結構。它的特點是混合料內部具有很高的內摩阻力和黏聚力，較之路面采用普通瀝青混凝土材質的高速公路，能夠在使用壽命上高出20～40個百分點。但是這種瀝青混合料路面比普通瀝青混凝土材質在成本上高出接近18%～23%，由于級配方式性能優良，所以在道橋工程、重交通道路以及交叉路口等路面鋪設作業中得到廣泛應用；第三，AC-13。它是一種密級配瀝青混凝土，就是每種檔次集料都是連續級配用料，按照級配依次逐漸填隙，空隙率不大。混合料為懸浮密實類結構，有很強黏聚力，但是內摩阻力不大，有良好的耐久性，但是穩定性不理想，在路面設計以及成型等方面已經形成非常成熟的技術體系，目前國內一級和二級瀝青公路路面表層，有70%～80%都在使用這種材料。同類材料條件下，瀝青路面抗滑性能很大程度上受到級配因素的影響，如果多數粗集料的粒徑都超過了4.75mm，就會表現出很好的抗滑性能，具體采用哪種類型的瀝青混合料，還須結合道路等級、環境條件以及實際需要合理選擇。

1.1.2 瀝青。瀝青混合料中的瀝青材料作用是把集料黏結起來，其中瀝青類型及具體用量在一定程度上影響路面的抗滑性能。瀝青類型是影響集料粘附性的決定性因素，對混合料成料的水穩性有重要影響，這兩種性能良好的指標可以保障當路面集料剝落，或者出現水體侵蝕危害情況下，其抗滑性能也不會降低。瀝青用量可顯著影響路面抗滑性能，如果瀝青混合料中所含瀝青用量無法對集料形成良好裹覆時，集料極易出現松動脫落，會降低路面抗滑性能；但是太大的瀝青用量會使混合料富含自由瀝青，瀝青膜就會泛油，路面抗滑性能下降得更快，導致降雨帶來的路面地表積水無法快速排出，容易引發交通事故[1]。

1.1.3 集料。高速公路路面施工須科學選擇集料。如果集料表面粗糙，經過碾壓作業可在互相嵌擠作用下產生較大內摩擦角，它的混合料成料較之光滑表面集料生產的混合料成料在抗剪及抗滑性能方面更加良好。其中集料磨光值對路面微觀構造有決定性影響，它可促使路面和輪胎加大咬合度，增強路面抗滑性能，能夠刺破水膜，遏制水滑問題出現。同時，針片狀集料含量也影響路面抗滑性能，含有更多針片狀集料的瀝青混合料，其磨耗值以及壓碎值也更好。礦質集料具備的耐磨性和硬度，可以顯著影響路面抗滑性能，硬度及耐磨性都不理想的礦料，路面剛成型時表面粗糙度較好，但是長期行車的磨耗及碾壓讓粗糙表面快速消失，抗滑性能短期內大幅下降，極易危害行車安全。因此，瀝青混合料的集料選擇，還須以低壓碎值和磨耗值，低針片狀含量，高磨光值和棱角性集料為宜，可保證路面具備優良的抗滑性能。細集料必須可與瀝青形成高度黏結，可保證混合料成料有良好的水穩性。機制砂、天然沙礫以及石屑不能與瀝青形成良好的黏結力，在一級公路及高速公路瀝青路面施工中不宜采用，且這種路面的瀝青混凝土中，抗滑表層和面層中石屑用量必須低于機制砂以及天然沙礫用量，且必須做好抗剝離處理。

1.1.4 施工工藝和運營養護管理。瀝青路面施工期間，瀝青混合料的拌和、攤鋪、碾壓以及成型等工藝，是影響路面宏觀構造的決定性因素，在對車胎變形特性產生影響的同時，還會在車胎變形以及能量釋放作用下對路面的摩擦力以及排水泄水能力產生影響。養護管理可對瀝青路面構成抗滑性能衰減方面，運營養護期間還須對路面油污以及空隙泥沙進行徹底清理，裂縫及坑槽等質量危害及時修補，避免集料脫落過多降低路面抗滑性能。

1.2 外在因素

通車時長、路面縱坡和長度、車輛載荷、交通流量、溫度和氣候條件以及隧道內外等因素，是影響路面抗滑性能的主要外在因素。

1.2.1 車輛荷載及通車時長。車輛荷載在很大程度上影響對瀝青路面抗滑性能，設計階段就要對車輛理論荷載與運營荷載可能的差異進行充分考量。同時，大量交通事故證實超載對路面抗滑性能有巨大影響。車輛荷載在磨耗性以及磨光性上影響路面抗滑性能。路面運行時間越長，集料表面磨光，車輛荷載也在持續磨耗混合料，表面宏觀構造磨平后抗滑力明顯降低。瀝青混凝土材質的高速公路路面，其抗滑性能整體上通車時間越長，性能會逐步衰減，原因在于路面通車會磨光表面紋理，集料磨光值在長期通車期間越來越小，抗滑性能也會隨之下降。

1.2.2 路面縱坡及坡長。車輛駛過路面縱坡需要調速，調速的主要措施是制動，期間車胎和路面由原來滾動摩擦的形式向滑動摩擦形式轉變，如果某一路段這種狀態持續時間太長，路面就會降低抗滑性能。樂廣高速北行K215～K209連續6km下坡路段為例，研究人員結合該路段縱坡過于長大的特點，結合車輛通行期間給路面帶來的作用等進行受力及作用分析，證實縱坡會讓路面產生水平分力，一旦車輛途經這種路段制動期間，水平分力短時間內驟然劇增，如果處于連續超長下坡路段，車輛必須長時間制動，就會快速衰減路面的抗滑性能。對重載狀態下的車輛長大縱坡行駛中的抗滑性能衰減進行研究，證實縱坡制動期間的車輛會加大水平分力，進而導致路面出現抗滑性能衰減。

1.2.3 隧道內外。隧道內部和外部的溫度條件是不一樣的，而且內部結構性滲水問題高發，濕度更高，路面長期處于潮濕環境中。而且隧道封閉性較強，路面油污以及車輛尾氣無法及時外排，路面表層就會有油膜產生，導致隧道內部路面降低抗滑性能，樂廣高速大瑤山隧道群情況更為嚴重。而且車輛在隧道內部和外部行駛中的車速很不一樣，車輛要持續制動達到調速目的，就會持續磨耗內部路面的表層混合料，導致隧道內部路面降低抗滑性能。而且重載車輛制動噴水導致隧道內部路面始終濕滑，部分過長隧道日常管護期間的結構性滲水問題和排水系統設計不力，路面油污長期存在，都會降低路面抗滑性能[2]。

2 高速公路瀝青路面抗滑性衰減規律試驗

2.1 原材料性能

某高速公路工程路面集料為石灰巖結合70號基質瀝青，為了在室內室外環境中獲得一致性的混合料性能指標，室內試驗試件制作時，選擇的集料和瀝青材料與高速公路路面材料相同。依據國家權威部門分別在2004年和2011年頒布實施的，關于公路瀝青路面的技術和試驗國標規定，嚴格測試瀝青路面的原材料性能指標，結合測試結果決定選擇石灰巖作為瀝青混合料粗細集料的設計用料，同時依據公路集料試驗的國標規定測試石灰巖集料的性能指標。

2.2 試驗方法

試驗須借助MMLS3儀器完成，為保證儀器使用要求，試驗人員依據設計配比制作試件6個，養護期滿依據儀器要求切割為標準尺寸。本高速公路通車初期采集的交通流量數據測算結果顯示，通車第一年年度日雙向平均交通當量達12317軸次，對其實施設計使用壽命期內單車道單向累計當量軸次換算，可設定雙向4車道數目。本次試驗選擇的路面抗滑性能檢測周期數量為10個，分別是通車后的1到6個月，還有滿8個月、11個月以及14個月，同時測算得出每個周期累計當量軸次。在加速加載設備試件槽中置入成型試件，以0.7兆帕接地壓強條件模擬車輛荷載，取各測試周期試件測試輪跡帶部位抗滑性能，晾干試件表面再置入試件槽，模擬后續車輛荷載。及MMLS3儀器荷載作用次數最大理論值是每小時7200次，中試驗條件的限制性，加載效率調試最終設定值是每小時5200次。

2.3 評估試驗結果

路面抗滑性能不同車輛荷載作用時的測試結果顯示，車輛荷載作用次數越大，路面抗滑性能在小于等于55.2萬次之前是遞增趨勢，超過該臨界值后遞減。原因初步估計是路面剛剛建成時，宏觀紋理0.5～5mm波長，微觀紋理0～0.5mm波長，二者共同提供抗滑性能，宏觀紋理對高速行駛車輛時路面抗滑性能產生影響，它的影響因素主要來自瀝青混合料的級配。路面通車運行時間越長，表面瀝青就會出現脫落，集料表面就會暴露出來，它的紋理比路面豐富，成為路面新的紋理形式，抗滑性能的提供者還是宏觀和微觀紋理，一旦瀝青脫落殆盡與集料表面紋理形成全方位接觸，路面抗滑性能會出現峰值。其后磨耗次數越來越大，集料表面紋理越來越平緩，尖峰磨平使微觀紋理作用漸失，車輛的長期荷載壓密了瀝青混合料，內部無法再達成骨架作用，細集料以及瀝青膠漿上升到路面，讓路面紋理越來越平緩，宏觀紋理作用也會越來越低，二者同步下降讓路面抗滑性能顯著下降。抗滑性能持續降至某種水平后趨緩，原因在于磨光的集料表面會同壓密的瀝青混合料，到達某種程度后，車輛荷載作用次數加大帶來的衰變速率降低了，路面越到通車后期，抗滑性能就出現越來越大的波動。觀察可知，車輛荷載模擬顯示車胎接觸路面的部位會磨光，其嚴重程度隨著荷載作用次數加大而越重，輪跡帶能夠直觀看到花白集料裸露在外，可判定暴露的集料表面微觀紋理可提高路面抗滑性能。而且，集料表面受到的車輛荷載作用次數越大就越光滑，輪跡帶不磨耗部位產生顯著高差，證實荷載作用時間越長，集料表面磨光和混凝土壓密會引發微觀紋理作用越來越小，進而降低路面抗滑性能。高速行駛的車輛宏觀紋理是影響抗滑性能的主要因素，而低速行駛時微觀紋理是影響抗滑性能的主要因素，且車輛荷載的長期作用會給宏觀和微觀紋理都造成磨損。集料級配影響宏觀紋理。集料性質影響微觀紋理，要強化路面抗滑性能，還須以優質集料或粗型級配為首選[3]。

3 結束語

生命至上、安全第一。在快節奏的現代社會生活中，交通安全事故已經成為危害民眾人身與生命安全的殺手。對于高速公路交通而已，瀝青路面抗滑性能不足，是交通安全事故一大誘因。因此，高速公路運營與養護管理部門應高度重視影響瀝青路面抗滑性能的各種原因，并全面了解瀝青路面抗滑性能衰減規律，以便科學制定針對性養護管理措施，借此促進高速公路行車安全性。