季凍區(qū)氣候條件下SMA表面抗滑功能性研究

程培峰 沈思彤

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

黑龍江省季凍區(qū)冬季時間長，降雪長期存在于路表面，導(dǎo)致路面摩擦系數(shù)長時間處于較低水平,車輛操作困難，制動距離縮短，極易發(fā)生制動失穩(wěn)、側(cè)滑、追尾等交通事故[1-4]。瀝青瑪脂碎石混合料(SMA)，因具有良好的路用性能和抗滑性能，常被用作抗滑面層[5]。因此，本文將對季凍區(qū)氣候條件下的SMA抗滑性能進行研究。

1 試驗方法

根據(jù)黑龍江省(季凍區(qū))氣候特點，選取季凍區(qū)氣候條件下形成的幾種典型的冰雪路面狀態(tài)，以SMA-13和SMA-16為研究對象，制備車轍板試件，首先通過鋪砂法測試試件在干燥狀態(tài)下的初始表面紋理特性，所得構(gòu)造深度值如表1所示，然后通過擺式摩擦系數(shù)測定儀進行抗滑性能研究。進行抗滑性能試驗時，不按照標準試驗方法進行灑水處理和溫度修正換算，以免影響不同路面狀態(tài)的模擬和抗滑能力的比較。

表1 試件表面紋理特性

由表1對比兩者平均構(gòu)造深度值大小可知：SMA-16>SMA-13，差值達13.9%，說明SMA-16瀝青路面表面宏觀構(gòu)造更粗糙。

2 雪狀態(tài)

2.1 松雪路面

松雪路面是指飛雪落到地面后未經(jīng)車輪碾壓的自然堆積形成的路面。模擬試驗方法如下，試驗溫度為-15 ℃，采用人工鋪灑的方式，將事先收集好的雪，按照試驗設(shè)計控制撒雪量，均勻鋪灑在試件表面，模擬不同降雪量下的松雪路面狀況，最后利用擺式儀測試其抗滑性能，測試方法如前面所述，松雪狀態(tài)下SMA路面抗滑擺值試驗結(jié)果見圖1。

從圖1數(shù)據(jù)分析可知，兩種路面在松雪狀態(tài)下抗滑擺值隨撒雪量的增加，呈現(xiàn)先下降后上升，最終趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。當試件表面存在少量雪顆粒(撒雪量為25 g)時，路表摩擦接觸面狀態(tài)改變，通過試驗過程觀察可知，橡膠塊與雪顆粒摩擦生熱部分融化，使摩擦系數(shù)大幅下降。隨著撒雪量的增加，摩擦系數(shù)逐漸下降，但下降幅度變緩，考慮是摩擦生熱而融化的雪量進一步增加導(dǎo)致的。當撒雪量增加到擺值最低點所對應(yīng)位置時(SMA-13為100 g雪，SMA-16為125 g雪)，松雪基本將試件表面凹陷處填平，繼續(xù)增加撒雪量，橡膠塊對雪產(chǎn)生挖掘作用，擺式儀受到雪的阻力，造成摩擦系數(shù)出現(xiàn)小幅度上升，直至最后再增加撒雪量對摩擦系數(shù)幾乎沒有影響，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。

降雪初期即撒雪量較少時，SMA-16路面由于構(gòu)造深度較大，擺值下降幅度比SMA-13小，且變化趨勢較SMA-13延遲，當降雪量增加到一定程度，兩種不同級配的路面抗滑擺值都相對于初始值降低約38%，且最終都穩(wěn)定在54左右，因為此時路面抗滑性能主要受到雪覆蓋的影響，受到路表面構(gòu)造形態(tài)影響較小。從數(shù)值上來看，SMA-16路面在降雪初期相較SMA-13路面具有更好的抗滑性能，但在降雪天氣下，SMA路面也表現(xiàn)出相對于相同溫度干燥條件下更加不利的抗滑性能。

2.2 壓實雪路面

對于實際路面降雪一定時間后，伴隨自然積雪和車輪碾壓形成的雪路面的情況，研究將其定義為壓實雪路面，模擬時控制試件溫度在-15 ℃左右，對不同撒雪量的松雪路面，采用人工均勻鋪灑降雪，然后用鐵盆壓實，壓實到雪層厚度穩(wěn)定不再沉降為止，最后利用擺式摩擦儀測試出壓實雪狀態(tài)下SMA路面的抗滑擺值BPN，試驗結(jié)果如圖2所示。由于新雪經(jīng)過壓實后，撒雪量的變化幅度對路表面雪層厚度的影響相對于松散雪情況小，所以試驗增大撒雪量的變化間隔為50 g，使試驗效果明顯。

分析圖2得知，兩種級配的SMA路面在壓實雪狀態(tài)下抗滑擺值隨著撒雪量的增加而降低，減小幅度由大變小，最終趨于穩(wěn)定值。SMA-13在撒雪量小于250 g時，被壓實過的雪不足以將試件完全覆蓋，摩擦力由壓實雪和試件表面一同提供，抗滑擺值隨著壓實雪量的增加而減小，特別是撒雪量為50 g時，路面雪從無到有，路面摩擦特性發(fā)生改變，抗滑擺值下降幅度最大。SMA-16在撒雪量小于300 g時，與前者抗滑擺值變化規(guī)律一致，因為在宏觀構(gòu)造深度上的優(yōu)勢發(fā)揮了一定的作用，使其能夠承受更大降雪量的沖擊。撒雪量達250 g(SMA-16為300 g)后，兩者的抗滑擺值基本穩(wěn)定在30左右，與初始值相比平均下降幅度約為65.7%，此時擺式儀橡膠塊與試件表面完全脫離，直接與壓實雪接觸。壓實雪路面，在未進行人工或機械清雪之前是一種存在時間很長的路面狀態(tài)，抗滑擺值可達到30，對行車安全極為不利。

3 冰雪狀態(tài)

3.1 融雪路面

融雪路面是指路面覆蓋一定松散雪和壓實雪后，當環(huán)境溫度升高0 ℃以上或汽車駛過時，部分雪顆粒溶解，形成雪漿狀雪水混合物覆蓋的路面。試驗?zāi)M該狀態(tài)時，溫度控制在0 ℃，將制好的一定質(zhì)量的雪漿均勻鋪在試樣表面，測量融雪狀態(tài)下的抗滑擺值BPN，測試結(jié)果匯總見圖3。

3.2 融凍路面

融凍路面，是雪漿凍結(jié)后所形成的冰雪板路面，易在環(huán)境正負溫度交替時產(chǎn)生，正溫時冰雪板表面部分融化成水，再次降雪后混合成雪漿，經(jīng)負溫凍結(jié)，多次循環(huán)造成冰雪板厚度不斷增加。試驗?zāi)M該狀態(tài)時，參照融凍路面形成條件，先在混合料試件表面，設(shè)置好雪漿路面，放入冰箱使其完全凍結(jié)成冰雪板后，使其表面溫度為-15 ℃，用擺式摩擦儀測量該融凍狀態(tài)下的抗滑擺值BPN，測量結(jié)果如圖4所示。

融雪和融凍兩種狀態(tài)下，兩種級配SMA路面的抗滑擺值隨雪漿或冰雪板質(zhì)量的增加而逐漸降低最終趨于穩(wěn)定，初期路面抗滑擺值SMA-16>SMA-13，究其原因是相同冰雪板質(zhì)量情況下，SMA-16路面的構(gòu)造深度相對較大，測量擺值時裸露的試件表面積大。對比兩種狀態(tài)下最終穩(wěn)定值可知，SMA路面在融雪狀態(tài)的抗滑性能優(yōu)于融凍狀態(tài)。

3.3 冰雪混合路面

表2 SMA冰雪混合路面抗滑試驗結(jié)果

試驗發(fā)現(xiàn)(如表2所示)，由于冰雪板上覆蓋雪層，潤滑了摩擦接觸界面，造成冰雪混合路面比融凍狀態(tài)下抗滑擺值明顯下降，雪量增加會略微增加路面的抗滑擺值，但作用效果不明顯；冰雪板厚度決定了擺式儀橡膠塊與SMA路面接觸狀態(tài)，故無論雪量大小，厚冰雪板路面比薄冰雪板路面擺值明顯減小；路面覆蓋有雪并存在薄冰板狀態(tài)時，SMA-16體現(xiàn)了構(gòu)造深度大的優(yōu)勢，抗滑擺值比同條件下SMA-13高11%。

4 結(jié)語

1)松雪狀態(tài)下，SMA路面抗滑擺值隨撒雪量的增加，呈現(xiàn)先下降后上升最終趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，期間擺值出現(xiàn)小幅度上升，是由于橡膠塊對雪產(chǎn)生挖掘作用，擺式儀受到雪的阻力；壓實雪狀態(tài)下，擺值隨著撒雪量的增加而減小，減小幅度由大變小，最終趨于穩(wěn)定值。

2)融雪和融凍兩種狀態(tài)下，兩種級配SMA路面的抗滑擺值隨雪漿或冰雪板質(zhì)量的增加而逐漸降低最終趨于穩(wěn)定，初降雪路面抗滑擺值SMA-16>SMA-13；冰雪混合狀態(tài)下，由于冰雪板上覆蓋雪層，潤滑了摩擦接觸界面，冰雪混合路面比融凍狀態(tài)下抗滑擺值小很多。

3)試件覆蓋物較少(相同質(zhì)量)時，路面宏觀構(gòu)造深度起關(guān)鍵作用，SMA-16抗滑擺值大于SMA-13；不同路面狀態(tài)下SMA路面的抗滑性能比較結(jié)果為，松雪狀態(tài)>融雪狀態(tài)>壓實雪狀態(tài)>融凍狀態(tài)>冰雪混合狀態(tài)。