沥青路面的纹理构造与抗滑性检测方法

董 祥,张士萍,丁小晴,沈 正

(1.南京工程学院建筑工程学院,南京 211167；2.南京市市政公用工程质量安全监督站, 南京 210036)

“安全、舒适、快速、经济”是交通运输系统的基本要求和发展方向。道路交通作为运输系统中的一个重要领域,同样应以“安全”作为建设发展的关键要素。根据我国交通部交通管理局的统计数据,2010年我国共发生道路交通事故390.6万起,其中涉及伤亡的道路交通事故22.0万起,造成65 225人死亡、254 075人受伤,直接财产损失达9.3亿元。以上数据较之5年前已有一定程度的下降,主要原因在于道路安全设计、车辆性能、车轮抗滑性等的改进,但是,道路交通安全的严峻形势仍应引起道路交通工作者的足够重视。实际上,导致道路交通事故的原因很多,由于沥青路面抗滑性不良导致车辆碰撞、追尾等是其中重要的一方面[1]。因此,在沥青路面设计、施工、检测等过程中,必须十分重视沥青路面的抗滑性问题。但是,目前工程中对如何保证沥青路面抗滑性的认识存在一定的盲目性,世界各国检测评价沥青路面抗滑性的方法也不尽相同。造成上述现象的根源在于,目前对沥青路面抗滑机理的研究还有待进一步深入。基于以上问题,在深入分析沥青路面宏观构造和微观构造及其对沥青路面抗滑性影响的基础上,介绍了世界各国常用的沥青路面抗滑性检测方法,探讨了这些方法的测试原理、适用性和优缺点等,以期为工程实践提供参考。

1 沥青路面的纹理构造

路面构造深度是指道路表面上下凹凸或起伏不平的构造状况,目前认为其是影响沥青路面抗滑性的最主要因素。但沥青路面的纹理构造具有不同的特征,不同种类的构造深度对路面抗滑性具有不同影响。因此,在工程实践中必须正确弄清沥青路面的构造深度,才能正确设计沥青路面的抗滑性,合理选用路面抗滑性检测方法,并正确分析抗滑性检测结果。

为了深入研究路面构造深度的不同对路面抗滑性的影响,国际道路协会将路面构造深度分为micro-texture(细观构造)、macro-texture(粗观构造)、mega-texture(宏观构造)和roughness(平整度)4类。以上分类在路面抗滑的机理研究中具有重要意义；但在实际工程应用中,出于简便实用的需要,通常将沥青路面的构造分为宏观构造(又称“宏观纹理”)和微观构造(又称“微观纹理”)两大类,如图1所示。

图1 沥青路面的宏观纹理和微观纹理

1.1 沥青路面的宏观构造深度

路面宏观构造深度通常是指路表水平方向0.5～50 mm、垂直方向0.2～10 mm的较粗凹凸构造。这种宏观纹理用肉眼即可观察出来,常用路表是否粗糙或光滑来描述。

根据目前的研究结论,在路面因降雨等原因而存在水膜时,车辆轮胎与道路表面的接触状态可表示为图2[2-3]。其中,a区的水膜最厚,轮胎和路表处于完全不接触状态；c区由于水膜被抽空,轮胎与路表处于直接接触状态；b区介于a区和c区之间,虽存在水膜,但轮胎的花纹和路表的凹凸会使得水膜呈不连续分布状态,轮胎与路表处于半接触状态。若路面的宏观构造深度大,则会有以下优点：其一,a区的水膜厚度会因排水通畅而减薄,a区的面积也相应减小；其二,c区的水在动力作用下易被抽空,从而提高轮胎与路表的接触面积和摩擦力；其三,b区水膜的中断面积也会增加,但这一效果亦与路表微观纹理、轮胎花纹等因素有关。在车辆高速行驶时,由于轮胎与路表间排水相对困难,因而接触摩擦较小,故路面宏观构造深度对于路面潮湿条件下的中、高速行车的抗滑性与安全性具有重要影响。

图2 有水膜时轮胎与路表的接触状态

影响沥青路面宏观构造深度的因素很多,降水、泥土污染路面等外部因素均会降低路面的宏观纹理；但就道路建设而言,关键是从路面材料设计的角度来保证沥青路面的宏观构造。根据笔者的研究,影响沥青路面宏观纹理的材料因素主要有以下3方面。

(1)粗集料的最大粒径。粗集料的最大粒径越大,沥青路面的宏观纹理也越大；但是,随着粗集料最大粒径的增大,沥青路面的压实会较为困难,混合料的压实空隙率也会相应增大。因此,粗粒式沥青混合料虽然宏观纹理较好、骨架作用也很强,但用于沥青路面上面层易因渗水而导致沥青路面的水损害,故多用于下面层的抗车辙,较少用于沥青路面的上面层。由此可见,虽然粗集料的最大粒径对沥青混合料的宏观纹理具有重要影响,但这一因素难以在工程中实际应用。

图3 沥青路面泛油影响抗滑性

(2)沥青的用量。笔者从事工程科技服务时与工程第一线的技术人员交流时发现,我国许多工程单位的技术人员存在“油多不坏路”的观点,即认为沥青路面中的沥青用量稍多不会对路面性能造成不良影响。实际上,这一观点是不全面的——沥青用量稍多,对于沥青路面中、下面层的抗疲劳、耐老化、抗水损害等耐久性的确较为有利；但对于沥青路面表层,若沥青用量较多,则沥青混合料的抗剪强度会受到影响,在实际工程中易产生泛油现象,从而导致沥青路面的宏观纹理和微观纹理丧失,严重降低沥青路面的抗滑性,见图3。因此,为保证沥青路面具有良好的构造深度和抗滑性,工程实践中必须在同时满足各项矛盾技术要求的条件下,严格控制沥青的最佳用量。

(3)沥青混合料的类型。目前,应用于沥青路面上面层的混合料类型主要有沥青混凝土混合料(AC)、沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)以及新型排水路面所用的开级配沥青磨耗层(OGFC)等[4]。这3种不同的沥青混合料具有不同的工程性能与宏观构造。其中,AC混合料(图4)在目前我国应用仍最多,其属于悬浮-密实结构,由于沥青胶浆用量很大且填充了粗骨料间隙,因而混合料的宏观纹理较浅；SMA混合料(图5)属于骨架-密实结构,其具有强骨架作用,构造深度比AC混合料明显增加,抗滑性和高温稳定性较好；OGFC混合料(图6)主要用于排水路面的表面层,属于骨架-空隙结构,具有排水、抗滑、降噪等显著优点[5],其抗滑性最好。值得注意的是,OGFC抗滑性好的优势主要源于两方面：其一,由于OGFC混合料的空隙率在20%左右,因而路表宏观构造很大,无论是对于晴天还是雨天的路面抗滑均很有利；其二,OGFC混合料高空隙率的排水效果可消除降雨时的路面积水和水膜,因而对滑溜最严重的雨天路面抗滑性的提高最为有利。由此可见,根据具体工程需要合理选择路面表层的沥青混合料类型,是保证沥青路面宏观构造、抗滑性与耐水性的关键。

图4 沥青混凝土(AC)面层及芯样

图5 沥青玛蹄脂碎石(SMA)面层

图6 开级配沥青磨耗层(OGFC)

1.2 沥青路面的微观构造深度

沥青路面的微观构造深度通常指路表水平方向0～0.5 mm、垂直方向0～0.2 mm的微小构造。这种微观纹理主要是由于路表粗集料表面的沥青膜被轮胎磨损后,粗集料的表面纹理所构成。

目前研究表明,微观构造主要影响轮胎与路表之间的附着力,故对高速行车和低速行车时路面的抗滑性均具有影响[6],但对低速行车时的抗滑性影响更大[7]。

车辆荷载反复作用所造成的轮胎对路表磨耗,会使得粗集料表面的微观纹理逐渐被磨光,从而造成沥青路面微观构造的衰减,故保证路面具有长期稳定的构造深度的关键措施是选用坚硬耐磨的粗集料。目前我国对用于高等级公路抗滑表层的粗集料提出了磨光值、磨耗值和冲击值的要求,实际上是为了保证抗滑表层的微观构造。

由以上分析可知,在工程实践中,对于沥青路面上面层的粗集料,宜选用磨光值高、磨耗值低、冲击值高的粗集料,以保证沥青路面的微观构造和抗滑效果。但需注意的是,工程中最为坚硬耐磨的石料多为酸性石料,如花岗岩等,由于沥青呈酸性,与酸性集料的粘附性很差,故难以应用；反之,与沥青粘附性最好的碱性集料,如石灰岩等,通常强度偏低、耐磨性偏差,可用于沥青路面的中、下面层,但难以用于抗滑、耐磨要求高的上面层。因此,在沥青路面的上面层可选用性能介于酸性集料与碱性集料之间的中性集料,如玄武岩、辉绿岩集料等,这些集料既可保证沥青路面具有长期稳定的微观纹理和抗滑性,在适当采用抗剥落措施后又具有与沥青材料良好的粘附性。

2 沥青路面的抗滑性评价方法

目前,世界各国提出了很多用于评价沥青路面抗滑性的方法,与这些方法相对应的检测设备也存在较大的区别。但总的看来,这些方法可以归结为间接评价法和直接评价法两大类。

2.1 沥青路面抗滑性检测的间接评价方法

沥青路面抗滑性检测的间接评价方法是通过测定沥青路面的构造深度,进而对路面抗滑性做出评价,其理论依据是路面的构造深度是影响路面抗滑性最为重要的因素之一。但值得注意的是,根据所检测路面纹理类型的不同,这类方法具体包括检测路面宏观构造深度的方法和检测路面微观构造深度的方法两类。

2.1.1 路面宏观构造的检测

目前,基于沥青路面的宏观构造深度检测沥青路面抗滑性的方法大体包括体积法、断面法和流出法3类。

(1)体积法

检测沥青路面宏观构造深度的体积法依所用仪器的不同,分为“手工铺砂法”和“电动铺砂法”2类。两者的检测原理是相同的——将已知体积的细砂摊铺在待测路面的测点上,量取细砂摊平后的铺砂直径,计算所得的砂体积与铺砂面积之比即为构造深度(TD)。若测得的TD指标越大,表明路表的宏观构造越深,相应的抗滑性应越好。铺砂法是目前我国现行标准中用来评价沥青路面宏观构造深度的标准方法。

其中,手工铺砂法为人工利用铺砂筒和推平板完成检测(图7),具有携带方便、测试简单、结果直观等优点,适用于沥青路面及水泥混凝土路面的路表构造深度测试。但是,手工铺砂法亦存在一定的不足之处：其一,由于是人工操作,各测试员对于铺砂力度的不同以及对铺砂完成认识的不同等均存在差异,因而导致了该法测试结果的误差很大；其二,铺砂法虽然简单,但测试速度慢、效率低,对里程较长的公路只能选择一些路段进行抽样调查,存在所抽路段不能代表全路状况的现象,故具有较大的抽样误差；其三,对已通车道路用铺砂法进行检测时,为保障测试人员的安全需进行局部交通管制,对交通运行具有一定的影响。

图7 手工铺砂法测路面宏观构造深度

电动铺砂法的检测原理与手工铺砂法相同,由于采用电动铺砂仪实现砂的摊铺,故减少了手工铺砂法人工操作所造成的误差,但其仍具有上述的抽样误差和对交通的不良影响。

(2)断面法

断面法的检测原理是利用仪器检测路表宏观构造的纵断面,从而来确定构造深度,并用于抗滑性评价。目前,已发明的断面法构造测定仪主要有激光断面仪、灯光扫描仪和探针跟踪仪3类,其中,只有激光断面仪得到了普遍应用。

世界上最早的激光断面仪为美国人首先发明并应用——美国弗吉尼亚交通运输部研发出的激光纹理测试仪,利用激光来测定路面宏观构造深度,并用该仪器与铺砂法相结合来评价路面的构造状况。此后,丹麦发明的激光断面仪RSP也是用来检测路表宏观构造的,该仪器向路面发射激光束、并在另一个角度接收反射光束,以此来检测反射点高度。此外,环形纹理测试仪(Circular Texture Meter,简称 CTM)利用位移传感器来测量半径142 mm的圆形断面内的平均断面深度(MPD),不仅实现了检测全程的计算机处理,具有很高的检测效率(整个检测仅需40 s),还可在动态摩擦系数测试仪(Dynamic Friction Tester,简称DFT)检测过的同一位置进行测量,提高了测试的准确性。美国加州交通运输部还发明了多功能激光测试车,该车的前端安装有激光发射器,随着车辆的移动,激光发射器向路面发出激光束,照射到路表的不同深度后反射到测试车外部的接收器中,通过记录激光从测试车发出到反射回测试车所经历的时间来计算激光移动距离,并确定路面纹理和构造深度。

现有工程实践表明,断面类构造深度测试设备具有数据处理方便、测试成本低、精度高等优点,适用于道路的质量控制及评价。国外研究结果还表明,利用激光测得的路面宏观构造深度与铺砂法的检测结果之间具有良好的相关性。

(3)流出法

该法利用流出仪检测沥青路面宏观构造深度。流出仪的主要部件是1个体积一定的圆筒。检测时先用圆形橡胶套筒将圆筒与路表之间密封,然后在圆筒内注满水,测定流出一定量水所经历的时间。对于时间的测定,可用秒表测定流出仪圆筒内水位下降一定高度所经历的时间,亦可用电子记时器记录圆筒内两悬挂电极间落差的时间。流出法所依据的检测原理是水流出速度与路表宏观构造深度有关,若该法测得的水流出时间越短,则表明路表宏观构造深度越深。

流出法检测路面宏观构造深度的最大优点是测试原理简单。但在实际应用中,流出仪很难做到真正完全密封,故测试误差较大；此外,该法检测效率较低,且受抽样误差影响大,故在实际工程中应用不多。

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2.1.2 路面微观构造深度的检测

通过以上分析可知,沥青路面的微观构造无论是对于高速行车、还是低速行车时的抗滑性都是十分重要的,但由于微观构造的纹理细微,目前还没有真正意义上的检测设备。现有检测方法主要分两类：一是在现场近似测定路表微观构造的方法,包括立体摄影法、电子显微镜法、扫描法等,这些方法对仪器设备的要求严格、测试成本高,故应用较少。二是考虑到粗集料的抗磨光性是影响沥青路面微观纹理的主要因素,故转而在实验室测定粗集料的磨光值(PSV)等指标(图8),以此来间接评定其用于路表的微观纹理。

图8 用加速磨光试验机测定粗集料磨光值

2.2 沥青路面抗滑性检测的直接评价方法

沥青路面抗滑性的直接评价是指通过仪器测定路表的摩擦系数,所用测试设备有较大差别。

2.2.1 单点式检测设备

(1)摆式摩擦系数测定仪

摆式摩擦系数测定仪最初由英国研发,后被许多国家广泛使用,20世纪80年代后开始作为我国测试路面抗滑性的标准方法之一[8]。其测试原理为：摆式仪的摆锤底面装有橡胶滑块,当摆锤从一定高度自由摆下时,滑块面与路表测试面相接触。因两者之间的摩擦作用会消耗部分能量,故摆锤只能回摆到一定高度。路表的摩擦阻力越大,摆锤回摆高度越小,摩擦摆值指标越大(图9)。

图9 摆式仪法测定路面摩擦系数

摆式仪法测定摩擦系数为定点测量,原理简单、便于携带、操作简便,不仅适用于实验室研究,亦可用于现场测定路面的抗滑值。但是,摆式仪只能在单点采样条件下测定一种速度下的摩擦系数,且该方法只能反映车速较低时的路面抗滑性能,故精度低、代表性差,难以满足高等级公路发展的需要[9]。

(2)动态摩擦系数测试仪

动态摩擦系数测试仪(DFT)为日本研发[10]。其检测原理与摆式仪类似,具体方法是：用一定荷载的轮胎和路面接触,并以一定速度行进,轮胎会受到摩擦力作用而造成动能损失,测试出这个力后,便可从摩擦公式求得摩擦系数[11]。

动态摩擦系数测试仪能在单采样点处模拟0～80 km/h的实际行车速度、以及常用车辆荷载[12],检测结果符合实际情况,且具有便于携带、测试速度快等优点,故具有很好的应用前景。

2.2.2 制动式检测设备

美国、日本、瑞典等国采用纵向摩擦系数测试车来测定路面防滑状况。其检测原理是：承受恒定垂直荷载的测试轮与路面紧密接触,并以恒定速度平行于车辆前进方向前进,在测试轮上产生纵向滚滑摩擦力。用力矩传感器测得该纵向摩擦力,同时用垂直负载传感器测得测试轮竖向荷载,两者之比即为路面纵向摩擦系数值。

纵向摩擦系数测试车测定的纵向摩擦系数主要反映车辆沿行车方向制动时的路面抗力,与高速公路的制动距离关系十分密切；且具有测试速度快、不影响交通、数据处理系统先进等优点。

(2)锁定轮摩擦测试车

该测试车首先被美国一些州所采用,用来调查和监控路面的摩擦状况[13]。测试车为一辆挂车,安装有锁定的测试轮及测试系统[14]。检测时,在潮湿路面上让作用一定荷载的锁定车轮以一定速度滑动,测定路面锁定测试轮的摩擦力。该法具有测试连续、检测效率高的优点。

(3)摩擦系数仪

摩擦系数仪(Grip Tester)为英国1985年首先研制,目前被许多国家应用。其主要优点如下：①可直接、连续测定垂直作用力和水平作用力,用于摩擦系数计算,测试精度高、无需中断交通、安全性和经济性好；②可用计算机分析检测数据和结果,并采用图形化显示、输出,检测数据可导入数据库；③较之偏转轮式检测设备,摩擦系数仪的测试轮始终与行车方向一致,接近实际行车中的制动轮；④该测试仪的水箱容积取决于牵引车类型,装载1 500 L水时能满足120 km测试里程；⑤配有水量控制和喷洒系统,可根据测试速度实时调整水量,确保路表喷洒的水膜厚度达到测试要求。⑥灵活性强,测试仪既可由汽车牵引,也可用手推法进行特殊地段的小面积、低速检测。

基于上述优点,目前摩擦系数仪被广泛应用于公路和城市道路路面、机场道面和停机坪、城市广场、人行道等工程中的路表摩擦系数检测。

2.2.3 偏转轮式检测设备

(1)SCRIM横向力系数测试仪

横向力系数(SFC)测试仪为英国20世纪60年代首先研发,被称为SCRIM系统。我国于20世纪80年代末引进该系统,现已成为我国路面摩擦系数检测的标准方法。

SCRIM系统的测试车安装有与行车方向成20°偏角的标准试验轮(图10),当其在潮湿路面上以一定速度行驶时,试验轮起到侧向摩阻作用。横向力系数为该侧向摩阻力除以试验轮上载重后所得的数值,该值反映了路面纵、横两个方向摩擦特性。

图10 SCRIM横向力系数测试车

SCRIM系统主要优点如下：①能以任意速度对路面进行长距离连续检测,该测试车的喷洒水量一次约可测试55 km长的路段；②测试结果符合车辆实际制动或滑溜时的情况；③检测时不需封闭交通,故对其他车辆的正常行驶无影响。但需注意：SCRIM系统的测试结果需进行温度修正,我国交通部公路科学研究院和松等人通过大量试验,提出了系统的温度修正方法[15]。

(2)MU-METER横向力系数测试仪

MU-METER横向力系数测试仪为英国研制,该测试仪是一台小轮拖车,需要其他车辆牵引(图11)。其测试原理是：测试轮与行车方向成15°角,在行进中受到横向力作用,将采集数据分析处理后得到评价指标MU值,该值与路面摩擦系数成正相关关系。

图11 MU-METER横向力系数测试车

MU-METER测试仪的优点是：测试速度快,由计算机自动记录数据,且与我国规范中标准方法SCRIM系统的相关性较好[16]。

3 结论

(1)沥青路面的纹理构造对路面抗滑性影响显著,基于实际应用考虑,其构造深度分为宏观构造深度和微观构造深度两类,相应的检测方法有所不同。

(2)沥青路面宏观构造主要影响路面排水,对潮湿条件下中、高速行车的抗滑性具有重要影响。粗集料最大粒径较大、沥青用量适当、采用OGFC或SMA混合料类型时,路表宏观构造较深。可用体积法、断面法和流出法检测路面宏观构造,其中前两者应用较多、各有利弊,体积法中的铺砂法是我国现行规范规定的路面抗滑构造深度检测的标准方法。

(3)沥青路面微观构造主要取决于路表粗集料的抗磨光性,对低速和高速行车时的路面抗滑性均有影响。直接检测路面微观构造的方法应用较少,工程中可通过控制粗集料磨光值来保证路表微观纹理。

(4)直接检测沥青路面抗滑性的设备有单点式、制动式和偏转轮式3类,它们从不同力学角度检测路面现场抗滑性。其中,我国现行规范采用单点式检测中的摆式仪法来评定沥青路面和水泥混凝土路面在潮湿状态下的抗滑能力,采用偏转轮式检测中的SCRIM摩擦系数测定车来评价竣工验收或使用阶段沥青路面或水泥混凝土路面的抗滑能力。

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