瀝青路面抗滑性能影響因素研究

王曉艷

(南寧市公路發(fā)展中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施及區(qū)域間交流需求的日益增長(zhǎng)，近5年我國(guó)平均年增公路里程達(dá)12.54萬(wàn)km，截止至2021年累計(jì)公路里程達(dá)501.25萬(wàn)km。伴隨公路總里程增長(zhǎng)的是交通事故率的攀升，2020年我國(guó)因雨、雪等極端天氣導(dǎo)致路面抗滑性能降低，車輛轉(zhuǎn)向困難、制動(dòng)距離加長(zhǎng)，因此事故死亡人數(shù)與前一年相比上升13.3%[1]。隨著大眾對(duì)道路交通安全的重視，瀝青路面抗滑研究成為道路研究者的重要課題之一。本文從抗滑性能影響因素出發(fā)，剖析路面抗滑性能不足的原理，以期為提高道路安全性研究提供理論基礎(chǔ)。

行車荷載反復(fù)作用，導(dǎo)致其構(gòu)造深度逐漸減小、表面集料被磨光，是瀝青路面抗滑性能下降的兩個(gè)主要原因，目前主流的抗滑性能檢測(cè)技術(shù)也是針對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行路面測(cè)試[2]。本文從瀝青混合料材料內(nèi)因及瀝青路面使用環(huán)境兩個(gè)角度，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)對(duì)輪碾法成型車轍板試件進(jìn)行抗滑值BPN和構(gòu)造深度TD測(cè)試，研究瀝青路面在不同集料類型、級(jí)配、環(huán)境溫度及濕度條件下抗滑性能變化特征及規(guī)律。

1 瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)方法與試驗(yàn)方案

1.1 瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)方法

本研究擬定的研究因素有集料類型、混合料級(jí)配、環(huán)境溫度及濕度，由于自然環(huán)境溫度、濕度、路面服役年限、結(jié)構(gòu)類型等因素多樣化，在現(xiàn)場(chǎng)路面展開研究不易控制試驗(yàn)因素與變量水平；而室內(nèi)瀝青路面模擬試驗(yàn)具有便捷性高、研究因素與變量水平可定量控制等優(yōu)點(diǎn)。本研究依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中T0703-2011，采用輪碾法成型的車轍板試件模擬實(shí)際瀝青路面并對(duì)瀝青路面的抗滑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 瀝青路面抗滑性能檢測(cè)技術(shù)

瀝青路面抗滑指標(biāo)主要為抗滑值BPN、構(gòu)造深度TD兩項(xiàng)，現(xiàn)行《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450-2019)中對(duì)BPN要求采用擺式摩擦儀法測(cè)定，TD采用手動(dòng)鋪砂法測(cè)定。為避免集料分布不均勻?qū)е碌臏y(cè)試誤差，對(duì)車轍板試件進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，在試件中心位置用粉筆畫一個(gè)11 cm×6 cm的測(cè)試區(qū)域，對(duì)測(cè)試區(qū)域重復(fù)進(jìn)行5次測(cè)量，取結(jié)果均值作為抗滑性能評(píng)價(jià)值，每種試驗(yàn)因素制備4塊試件，編號(hào)為A、B、C、D，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

2 瀝青路面集料類型、級(jí)配對(duì)抗滑性能的影響

2.1 集料類型

大量實(shí)測(cè)資料表明瀝青路面抗滑性能與路面摩擦系數(shù)存在直接聯(lián)系，而構(gòu)成路面的集料自身的粗糙表面在路表構(gòu)成細(xì)紋理，使輪胎與路面保持基礎(chǔ)摩擦接觸，從而保證瀝青路面在低速條件下的基本抗滑能力，本文試驗(yàn)選用石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖三種集料[3]，采用AC-13型級(jí)配制備試樣。具體抗滑性能測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

(1)玄武巖制備的試件抗滑性能較好。由表1可知，花崗巖、石灰?guī)r、玄武巖抗滑值逐漸增加。這是因?yàn)樾鋷r物理特性呈細(xì)粒結(jié)構(gòu)，而細(xì)粒結(jié)構(gòu)的巖石之間表面接觸較大，抵抗磨耗能力較強(qiáng)，可提高BPN值，從而提升路面抗滑性能，因此瀝青路面集料類型應(yīng)首選玄武巖制備混合料。

(2)堅(jiān)硬的集料對(duì)減小試件構(gòu)造深度有利。既有研究表明花崗巖、石灰?guī)r、玄武巖的母巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc均>50 MPa，其耐磨性(PSV)、堅(jiān)固性較一般量砂大，三種集料類型試件TD值分別為0.62、0.63、0.62，三者差異不大，說(shuō)明堅(jiān)硬母巖得到的集料有利于提高瀝青路面抗滑性能。

表1 不同集料類型試件BPN測(cè)試結(jié)果表

表2 不同集料類型試件TD測(cè)試結(jié)果表

2.2 混合料級(jí)配

瀝青混合料抗滑性能除受集料表面細(xì)紋理影響外，按一定級(jí)配構(gòu)成的集料在瀝青混合料表面形成凹凸不平的粗紋理對(duì)抗滑性能亦有較大影響，合理的集料類型、粗細(xì)占比能同時(shí)提供較大的摩擦系數(shù)和快速排水能力。為分析不同占比粗細(xì)集料形成的粗紋理等因素對(duì)瀝青混合料抗滑性能的影響，本文根據(jù)前文試驗(yàn)結(jié)果選取玄武巖作為集料，配合比采用AC-13，調(diào)整集料占比制備瀝青混合料并進(jìn)行BPN、TD測(cè)試，具體配合比及級(jí)配分布曲線如表3、圖1所示，配合比與BPN、TD的關(guān)系如圖2所示。

表3 三種混合料級(jí)配表

圖1 三種混合料級(jí)配分布曲線圖

圖2 三種配合比方案與BPN、TD的關(guān)系曲線圖

表4 不同粒徑集料占比試件的BPN測(cè)試結(jié)果表

表5 不同粒徑集料占比試件的TD測(cè)試結(jié)果表

(1)如圖2所示，粗集料占比最大的配合比3制備的試件BPN最大，抗滑性能較好，粗集料占比從配合比1到配合比3逐漸增加，對(duì)應(yīng)試件BPN逐漸增大，主要原因?yàn)榕浜媳?中粗集料相對(duì)較多，較多的粗集料構(gòu)成的粗紋理面積較大，有利于增加橡膠塊在擺動(dòng)過(guò)程中與試件表面的接觸時(shí)間和接觸面積，對(duì)應(yīng)得到摩擦系數(shù)更大。

(2)由表4及表5可知，TD隨混合料中粗集料通過(guò)率增加而加深。這是因?yàn)椴煌郊媳砻娼佑|點(diǎn)相對(duì)較多，容易形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，因而混合料空隙增加，導(dǎo)致車轍板試件表面構(gòu)造深度也就越大。因此合理增加混合料中粗集料的占比有利于提高瀝青表面粗紋理面積、骨料間隙，用其鋪筑的瀝青路面抗滑性能也就越好[5]。

3 瀝青路面環(huán)境對(duì)抗滑性能的影響

3.1 路面溫度

既有資料指出當(dāng)路面溫度上升1 ℃則摩擦系數(shù)下降0.01，本文根據(jù)廣西區(qū)域氣候環(huán)境，選取溫度為5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃，研究溫度變化與瀝青路面抗滑值BPN的關(guān)系[4]。不同溫度下BPN測(cè)定結(jié)果如表6所示，BPN隨溫度變化曲線如圖3所示。

表6 不同溫度下試件抗滑值BPN測(cè)試結(jié)果表

圖3 抗滑值隨溫度變化曲線圖

由圖3可知，試件抗滑性能呈隨溫度升高而減小趨勢(shì)，但不同溫度區(qū)間下不同試件的BPN降速不一致：在0 ℃～10 ℃，試件C、D降低速率為0.0～0.2，而試件A、B為0.2～0.4；在10 ℃～40 ℃各試件降低速率均值為0.5，這是因?yàn)橹苽滠囖H板試件所用的材料在低溫下硬度較大，這是物理特性導(dǎo)致試件表面摩擦系數(shù)比常溫下大，而隨著溫度升高，這種物理特性發(fā)生改變，試件表面摩擦系數(shù)減小，試件抗滑值也隨之減小。因此瀝青路面在高溫時(shí)應(yīng)注意養(yǎng)護(hù)，以減少交通事故。

3.2 路面濕度

本節(jié)從濕度對(duì)抗滑性能的影響進(jìn)行研究。濕度范圍控制在10%～100%，采用擺式摩擦儀橡膠塊與車轍板試件進(jìn)行反復(fù)摩擦，模擬現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面濕度，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃，每隔10%濕度測(cè)定一次抗滑值，研究濕度變化與抗滑值關(guān)系。不同濕度下車轍試件抗滑值測(cè)定結(jié)果如表7所示，抗滑值隨濕度變化曲線如圖4所示。

表7 不同濕度下試件抗滑值BPN測(cè)試結(jié)果表

由圖4可知，車轍板試件的抗滑性能隨濕度增大而減小，且BPN降低速率在不同濕度區(qū)間存在明顯區(qū)別：濕度由10%提高到50%，BPN均值由48降低至46，降低速率僅為0.0～0.2，表明在該區(qū)間范圍內(nèi)試件表面尚未形成水膜，橡膠塊與試件摩擦界面仍保持較完整接觸，試件仍具備較優(yōu)抗滑能力；當(dāng)濕度由50%提高到80%，BPN均值由46急劇降低至37，最大降低速率達(dá)到0.4，試件表面積水已形成連片水膜，降低了橡膠塊與試件摩擦界面實(shí)際接觸面積，造成試件抗滑能力急劇下降；當(dāng)濕度超過(guò)80%，BPN均值由37降低至34，降低速率為0.0～0.2，表明試件表面水膜厚度增加仍會(huì)降低抗滑能力，因此瀝青路面排水設(shè)置應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注單位時(shí)間內(nèi)的排水能力，盡快疏排表面積水以避免路面積水過(guò)多。

圖4 抗滑值隨濕度變化曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

為探究瀝青路面抗滑性能影響因素，通過(guò)改變集料類型，混合料級(jí)配及控制環(huán)境溫濕度模擬試驗(yàn)條件展開研究，得出結(jié)論如下：

(1)玄武巖制備的瀝青混合料抗滑值高于石灰?guī)r和花崗巖的抗滑值，使用玄武巖鋪筑瀝青路面其抗滑性能更好，可推薦瀝青路面上面層采用玄武巖集料。

(2)混合料中粗集料占比較大，其碾壓成型的車轍板試件抗滑值和構(gòu)造深度也就越大，用其鋪筑的瀝青路面抗滑性能也就越好。

(3)車轍板試件的抗滑值隨著濕度升高而逐漸減小，瀝青路面抗滑性能也隨其減小，濕度在50%～80%時(shí)，抗滑值減小速率較快。