瀝青路面整體模量對路面抗滑性能影響研究

吳國雄，高 超，肖 彬

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 交通與市政工程系，重慶 400039；3.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020)

瀝青路面整體模量對路面抗滑性能影響研究

吳國雄1,2，高 超1，肖 彬3

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 交通與市政工程系，重慶 400039；3.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020)

抗滑性能是瀝青路面質(zhì)量控制的主要指標(biāo)。為了分析瀝青路面整體抗壓回彈模量對抗滑性能的影響，基于一種新型路面摩擦因數(shù)測定儀，分別對柔性基層、半柔性基層、半剛性基層3種瀝青路面進(jìn)行了滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，分析了路面結(jié)構(gòu)整體模量、上部荷載、試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速對路面摩擦因數(shù)的影響，在此基礎(chǔ)上提出將瀝青路面整體模量控制在1 300 MPa內(nèi)以滿足抗滑需求。

道路工程；瀝青路面；路面整體結(jié)構(gòu)模量；滾動(dòng)磨阻因數(shù)；滑動(dòng)磨阻因數(shù)；抗滑性能

瀝青路面的抗滑性能與行車安全關(guān)系密切?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要從路面材料、礦料級配、混合料配合比及路面抗滑構(gòu)造深度研究影響路面抗滑性能的因素[1-2]，少有談及路面整體變形能力對路面抗滑的影響。筆者基于一種新型路面摩擦因數(shù)測定儀研究路面整體結(jié)構(gòu)模量與路面摩阻力的關(guān)系。

1 試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)

1)面層采用5 cm厚AC-16瀝青混合料。

2)基層分別為級配碎石柔性基層、乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石半柔性基層、水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層，厚度均為5 cm。

3)底基層材料為級配碎石，厚度5 cm。

1.1 抗壓回彈模量試驗(yàn)

采用單軸無側(cè)限靜態(tài)壓縮七級加載試驗(yàn)測定AC-16瀝青混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石和乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石基層抗壓回彈模量分別為1 043.41,1 592.83，2 149.61 MPa，采用強(qiáng)度儀法測量級配碎石抗壓回彈模量為329.28 MPa。

1.2 路面整體結(jié)構(gòu)模量的換算

運(yùn)用彈性層狀體系理論算出3種路面結(jié)構(gòu)整體抗壓回彈模量。各結(jié)構(gòu)層和整體結(jié)構(gòu)抗壓回彈模量如表1。

表1 3種類型路面各層及整體結(jié)構(gòu)模量

Table 1 Every pavement and holistic elastic modulus of the 3 types

of pavement MPa

2 試驗(yàn)參數(shù)選取

考慮試驗(yàn)儀器尺寸及試件成型條件，對3種基層的路面結(jié)構(gòu)均成型300 mm×300 mm×150 mm車轍板試件，試驗(yàn)溫度18 ℃，試驗(yàn)輪直徑15 cm，轉(zhuǎn)速分別為3.25,9.92,16.58 r/s,試驗(yàn)輪接地面積4.2 cm2。

3 路面滾動(dòng)摩阻力試驗(yàn)

針對模量、上部荷載及試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速3個(gè)影響因子，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)，測量路面滾動(dòng)摩擦因數(shù)，正交試驗(yàn)因素和水平如表2，路面滾動(dòng)摩擦因數(shù)測量結(jié)果如表3。

表2 滾動(dòng)摩擦因數(shù)正交試驗(yàn)

表3 滾動(dòng)摩擦因數(shù)測量結(jié)果

3.1 路面整體結(jié)構(gòu)模量對滾動(dòng)摩擦因數(shù)影響分析

以路面整體結(jié)構(gòu)模量為橫坐標(biāo)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為縱坐標(biāo)作折線圖，如圖1。

圖1 路面整體結(jié)構(gòu)模量與滾動(dòng)摩擦因數(shù)關(guān)系Fig.1 Relationship between holistic elastic modulus and rolling friction coefficient of pavement

由圖1可知，上部荷載250 N，試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為較低的3.25和9.92 r/s時(shí)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)隨路面整體結(jié)構(gòu)模量增大而逐步減??；當(dāng)試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為較大的16.58 r/s時(shí)，隨著路面整體結(jié)構(gòu)模量增加，滾動(dòng)摩擦因數(shù)則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。上部荷載為500和750 N時(shí)，在3種試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速下，滾動(dòng)摩擦因數(shù)皆隨路面整體結(jié)構(gòu)模量增大而減小。

當(dāng)路面整體結(jié)構(gòu)模量由605.26 MPa升為1 163.69 MPa，上部荷載250 N時(shí)，隨速度提升，滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別下降了0.034，0.050，0.061，以路面整體結(jié)構(gòu)模量較低的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別下降了8.71%,14.20%,19.24%；上部荷載750 N時(shí)，隨速度提升，滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別下降了0.052,0.077,0.103，以路面整體結(jié)構(gòu)模量較低的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別下降了12.35%,20.05%,29.01%。說明當(dāng)試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速增大時(shí)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)隨路面整體結(jié)構(gòu)模量增大而減小的趨勢愈加明顯。

3.2 速度對滾動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

以試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為縱坐標(biāo)作普通折線圖，如圖2。

圖2 速度與滾動(dòng)摩擦因數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationship between speed and rolling friction coefficient

由圖2可知，在不同上部荷載作用下，滾動(dòng)摩擦因數(shù)均隨試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速升高而減小。試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速由3.25 r/s提高到16.58 r/s時(shí)，隨著整體結(jié)構(gòu)模量增大，滾動(dòng)摩擦因數(shù)-試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)數(shù)曲線斜率變小，說明當(dāng)路面整體結(jié)構(gòu)模量增大時(shí)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速增大而減小的趨勢愈加明顯。

3.3 上部荷載對滾動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

以上部荷載為橫坐標(biāo)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為縱坐標(biāo)作普通折線圖，如圖3。

圖3 上部荷載與滾動(dòng)摩擦系數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between upper load and rolling friction coefficient

由圖3可知，試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為3.25和9.92 r/s時(shí)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)均隨上部荷載增加而增大。上部荷載由250 N增大到750 N，試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為3.25 r/s時(shí)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)隨路面整體結(jié)構(gòu)模量增大分別上升了0.074,0.056,0.039，以上部荷載較低的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別上升了21.33%,16.67%,11.82%；在試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速的9.92 r/s時(shí)滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別上升了0.078,0.040,0.012，以上部荷載較低的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別上升了25.49%,13.51%,4.07%。說明當(dāng)路面整體結(jié)構(gòu)模量增大時(shí)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)隨上部荷載增加而增大的趨勢減弱。

試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為16.58 r/s，路面整體結(jié)構(gòu)模量為605.26和992.88 MPa時(shí)，滾動(dòng)摩擦因數(shù)隨上部荷載增加而增大；路面整體結(jié)構(gòu)模量為1 163.69 MPa時(shí)，隨著上部荷載的增加，滾動(dòng)摩擦因數(shù)則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

4 路面滑動(dòng)摩阻力試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度、各結(jié)構(gòu)層厚度及試件尺寸與滾動(dòng)摩擦相同?？紤]試驗(yàn)設(shè)備的限制，選取200,300,400 N作為滑動(dòng)狀態(tài)下上部荷載因素變量，正交試驗(yàn)如表4。路面滑動(dòng)摩擦因數(shù)測量結(jié)果如表5。

表4 滑動(dòng)摩擦因數(shù)正交試驗(yàn)

表5 滑動(dòng)摩擦因數(shù)

4.1 路面整體結(jié)構(gòu)模量對滑動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

以路面整體結(jié)構(gòu)模量為橫坐標(biāo)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)為縱坐標(biāo)作折線圖，如圖4。

圖4 整體結(jié)構(gòu)模量與滑動(dòng)摩擦因數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between holistic elastic modulus and sliding friction coefficient

由圖4可知，上部荷載為200 N，試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為3.25,9.92 r/s時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨路面整體結(jié)構(gòu)模量增大逐步減??；而試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為較大的16.58 r/s時(shí)，隨著路面整體結(jié)構(gòu)模量的增加，滑動(dòng)摩擦因數(shù)呈先減小后增大的趨勢。

在上部荷載為300和400 N時(shí)，3種試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速下，滑動(dòng)摩擦因數(shù)皆隨路面整體結(jié)構(gòu)模量增大而減小。路面整體結(jié)構(gòu)模量由605.26 MPa升為1 163.69 MPa，上部荷載為300 N時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)分別下降了0.111,0.127,0.140，以路面整體結(jié)構(gòu)模量較低的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別下降了8.97%,10.69%,12.23%；上部荷載為400 N時(shí)滑動(dòng)摩擦因數(shù)分別下降了0.109,0.141,0.181，以路面整體結(jié)構(gòu)模量較低的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別下降了8.51%,11.54%,15.31%。說明當(dāng)試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速增大時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨路面整體結(jié)構(gòu)模量增大而減小的趨勢愈加明顯。

4.2 速度對滑動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

以試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)為縱坐標(biāo)作普通折線圖，如圖5。

圖5 速度與滑動(dòng)摩擦因數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between speed and sliding friction coefficient

由圖5可知，3種上部荷載作用于不同路面整體模量路面時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)均隨試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速升高而減小。試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速由3.25 r/s提高到16.58 r/s，隨路面整體模量增大，上部荷載為200 N時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)分別下降了0.050,0.098，0.077，以試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速最高時(shí)的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別下降了4.62%，9.18%，7.30%；上部荷載為300 N時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)分別下降了0.092，0.105，0.121，以試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速最高的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別下降了7.43%，8.94%，10.75%；上部荷載為400 N時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)分別下降了0.099，0.125，0.171，以試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速最高的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別下降了7.73%，10.20%，14.59%。說明當(dāng)路面整體結(jié)構(gòu)模量增大時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速增大而減小的趨勢愈加明顯。

4.3 上部荷載對滑動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

以上部荷載為橫坐標(biāo)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)為縱坐標(biāo)作普通折線圖，如圖6。

圖6 上部荷載與滑動(dòng)摩擦因數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between upper load and sliding friction coefficient

由圖6可知，試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為3.25和9.92 r/s時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)與上部荷載呈正相關(guān)趨勢。上部荷載由250 N增大到750 N，隨著路面整體結(jié)構(gòu)模量增大，試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為3.25 r/s時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)分別上升了0.199,0.157,0.117，以上部荷載較低的摩擦因數(shù)為基準(zhǔn)，分別上升了18.39%,14.70%,11.09%；試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為9.92 r/s時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)分別上升了0.165,0.112,0.052，以上部荷載較低的摩擦系數(shù)為基準(zhǔn)，分別上升了15.63%,10.73%,5.06%。說明當(dāng)路面整體結(jié)構(gòu)模量增大時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨上部荷載增加而增大的趨勢減弱。

在試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速為16.58 r/s，路面整體結(jié)構(gòu)模量為605.264和992.883 MPa時(shí)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)與上部荷載正相關(guān)。當(dāng)路面整體結(jié)構(gòu)模量為1 163.686 MPa時(shí)，隨著上部荷載增加，滑動(dòng)摩擦因數(shù)先增大后減小。

5 機(jī)理分析及抗滑指標(biāo)提出

經(jīng)典的摩擦理論認(rèn)為物體表面之間的摩擦是分子力和機(jī)械齒合共同作用的結(jié)果。路面與輪胎接觸面間的分子引力、黏著作用及路面凸出顆粒對輪胎的微切削作用在不同程度影響路面與輪胎之間的摩擦效果[3]。輪胎與路面的摩擦性能受荷載，實(shí)際接觸面積，滑移速率等的共同影響[4-5]。

在一定的上部荷載和試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速下，隨著路面結(jié)構(gòu)整體模量增大，路面與輪胎接觸面產(chǎn)生的變形減小，輪胎與路面的實(shí)際接觸面積變小，分子引力與黏著作用以及小尺寸微凸體對輪胎的微切削作用減弱，所以摩擦因數(shù)隨路面模量增大而減小。

由路面材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線[6]可知,隨著荷載增加，路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變增幅減小，荷載增加引起的路面變形量減小導(dǎo)致輪胎與路面的實(shí)際接觸面積減小，且整體結(jié)構(gòu)模量越大，這種現(xiàn)象越明顯。所以路面整體結(jié)構(gòu)模量增大時(shí)，摩擦因數(shù)隨荷載增大而增大的趨勢減弱。

當(dāng)試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速很低時(shí)，路面微凸體有足夠的時(shí)間產(chǎn)生塑性變形使黏結(jié)點(diǎn)增大，也有充分的時(shí)間在表面膜破裂以后形成牢固的黏結(jié)點(diǎn)，從而發(fā)生界面黏著，所以摩擦因數(shù)較大。路面模量增大后，路面微凸體塑性變形減小，在速度增大的雙重影響下，滑動(dòng)摩擦因數(shù)減小的趨勢更加明顯。

由上述分析可知，瀝青路面整體結(jié)構(gòu)模量過高，不利于輪胎與瀝青路面充分接觸，因此對瀝青路面抗滑不利?？紤]BZZ-100 kN，輪胎接地壓強(qiáng)0.7 MPa，滑動(dòng)摩擦因數(shù)大于0.41[7-8]。對圖4(b)進(jìn)行回歸分析可推算出要滿足行車速度60 km/h和標(biāo)準(zhǔn)軸載下路面滑動(dòng)摩擦因數(shù)大于0.41的要求，路面整體模量應(yīng)控制在1 300 MPa以內(nèi)。路面彎沉是瀝青路面竣工驗(yàn)收評價(jià)路面質(zhì)量的重要指標(biāo)，實(shí)際工程中為了驗(yàn)收合格往往采用高模量路面[9]。建議限制路面整體結(jié)構(gòu)模量的范圍來控制瀝青路面的變形，使路面與輪胎之間的實(shí)際接觸面積能夠滿足路面抗滑的需要。

6 結(jié) 語

采用新型路面摩擦因數(shù)測定儀，通過對不同整體抗壓回彈模量的瀝青路面進(jìn)行滾動(dòng)摩擦及滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，分析了路面整體變形能力對路面抗滑性能的影響。發(fā)現(xiàn)一般情況下瀝青路面整體模量越高，路面滾動(dòng)、滑動(dòng)摩擦因數(shù)越小，且上部荷載增加引起的摩擦因數(shù)增幅減小，試驗(yàn)輪轉(zhuǎn)速增大引起的摩擦因數(shù)降低的趨勢更加明顯；但當(dāng)上部荷載較小行車速度較大時(shí)，隨著路面整體模量增大，瀝青路面摩擦因數(shù)先減小后增大。

鑒于在實(shí)際工程中通常提高路面整體結(jié)構(gòu)模量來減小路面變形，從而增強(qiáng)路面耐久性能，而過高的路面模量不利于路面抗滑。建議在高等級瀝青路面設(shè)計(jì)中將路面整體模量限制在1 300 MPa以內(nèi)，使瀝青路面擁有足夠的變形，以滿足路面抗滑性能的要求。

[1] 楊軫,郭忠印.隧道路面抗滑性能測定及其對行車安全影響分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2006,25(6):38- 42. YANG Zhen, GUO Zhongyin. Measurement of anti-slide performance of tunnel road surface and its effect on driving safety[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity, 2006,25(6):38- 42.

[2] 黃寶濤,田偉平,李家春,等.瀝青路面抗滑性能定量評價(jià)的分形方法[J].中國公路學(xué)報(bào),2008,21(4):12-17. HUANG Baotao, TIAN Weiping, LI Jiachun, et al. Fractal method based on quantitative evaluation of asphalt pavement anti-slide performance[J].ChinaJournalofHighwayandTransport,2008, 21(4):12-17.

[3] 王吉忠,顧善發(fā),宋年秀.輪胎與路面之間的摩擦和附著[J].輪胎工業(yè),2002,22(2):67-70. WANG Jizhong, GU Shanfa, SONG Nianxiu. Friction and adhesion between tire and road surface[J].JournalofTireIndustry, 2002,22(2):67-70.

[4] 王野平.論輪胎與路面間的摩擦[J]. 汽車技術(shù),1999(2):10-14. WANG Yeping. Friction between tire and road surface[J].JournalofAutomotiveTechnology, 1999(2):10-14.

[5] 彭旭東,謝友柏,郭孔輝.輪胎摩擦學(xué)的研究與發(fā)展[J].中國機(jī)械工程,1999,10(2):215-219. PENG Xudong, XIE Youbo, GUO Konghui. Research and development of tire tribology[J].JournalofChinaMechanicalEngineering，1999, 10(2) :215 -219.

[6] 姚祖康.道路路基和路面工程[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1994：46. YAO Zukang.RoadSubgradeandPavementEngineering[M].Shanghai: Tongji University Press,1994:46.

[7] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D 50—2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007. CCCC Highway Consultants Co.，Ltd. JTG D 50—2006SpecificationsforDesignofHighwayAsphaltPavement[S].Beijing: China Communications Press,2007.

[8] 鄭木蓮,陳拴發(fā),王選倉,等.縱向摩擦系數(shù)在路面抗滑性能評價(jià)中的應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,25(4):9-12. ZHENG Mulian, CHEN Shuanfa, WANG Xuancang, et al. Application of profile frictional coefficient in evaluation of pavement skid-resistant Performance[J].JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition), 2005,25(4):9-12.

[9] 李峰,孫立軍.基層模量對瀝青路面力學(xué)性能的影響分析[J].公路交通科技,2006,23(10):41- 43. LI Feng, SUN Lijun. Analysis of the influence of base course modulus on the mechanics performance of asphalt pavement[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2006,23(10):41- 43.

(責(zé)任編輯 譚緒凱)

Influence of Asphalt Pavement Holistic Elastic Modulus on Anti-sliding Performance of Pavement

WU Guoxiong1,2，GAO Chao1，XIAO Bin3

(1.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China； 2.Department of Transportation and Municipal Engineering, Chongqing Vocational College of Architectural Engineering, Chongqing 400039, P.R.China；3.Chongqing Municipal Design and Research Institute, Chongqing 400020, P.R.China)

Anti-sliding performance is the main factor of the asphalt pavement quality control. In order to analyze the influence of asphalt pavement holistic elastic modulus on anti-sliding performance, the rolling friction and sliding friction tests were carried out respectively on three types of pavements as semi-flexible pavement, semi-rigid pavement and flexible pavement by use of a new type of road friction coefficient measuring instrument, thus the effects of different holistic elastic modulus, upper loads, rotate speed of the test wheel on the pavement friction coefficient were analyzed. On the basis of the above, it is proposed that to control asphalt pavement holistic elastic modulus within 1 300 MPa can meet the requirement of anti-sliding.

highway engineering; asphalt pavement; holistic elastic modulus of pavement; rolling resistance coefficient; sliding friction coefficient; anti-sliding performance

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.06

2016-06-15；

2016-12-26

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500508)；2014年度重慶市高校優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目(KJZH14104)

吳國雄(1966—)，男，湖北崇陽人，教授，博士,主要從事路面結(jié)構(gòu)分析與破壞機(jī)理方面的研究。E-mail:wgx_ph.d@163.com。

高 超(1991—)，男，重慶人，碩士，主要從事路面破壞機(jī)理方面的研究。E-mail:1592310693@qq.com。

U416.22

A

1674-0696(2017)02- 032- 06