沥青路面抗滑性不同评价指标及测试方法比较

2018-03-07李志强

筑路机械与施工机械化 2018年1期

李志强

(山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原 030006)

0 引言

公路路面抗滑性能直接影响到行车的安全性，路面摩擦系数是表征路面抗滑性能的指标，即路面能否提供防止车辆轮胎滑动和减少制动距离的能力。根据摩阻力检测方式的不同，摩擦系数分为制动力系数和横向力系数2种。制动力系数只能表明车辆制动距离的长短，而横向力系数不仅能够体现车辆制动距离长短，还能够表征路面防止车辆侧滑的能力。《公路技术状况评定标准》(JTG H20—2007)采用横向力摩擦系数SFC(Side-way Force Coefficient)作为检测指标，并通过SFC计算路面抗滑性能指数(SRI)。路面构造深度TD(Texture Depth)是路面粗糙度的重要指标，指一定面积的道路表面凹凸不平的开口孔隙的平均深度，主要用于评定路面表面的宏观粗糙度、排水性能及抗滑性能。构造深度可采用人工铺砂法检测，也可以采用激光进行快速检测。

黄宝涛［1］开展了沥青路面抗滑性能定量评价方法研究，通过离散型外露尺寸函数研究沥青混合料表面微观凹凸的随机分布特征，推导出了相关计算方法，得到了微观凹凸分维数值与路面抗滑性能具有单调递增的一致相关性结论;但该研究仅从混合料的微观结构对混合料抗滑性能进行研究，是一种间接的判定方法，未考虑沥青混合料的宏观构造及轮胎与路面接触条件对路面性能的影响，不宜广泛应用于实际检测工作中。吴晶等［2］开展了路面抗滑值测定方法对比及相关关系分析，对BPN(路面表层摆值)与SFC之间的相关关系进行了回归计算，得到了线性方程;但此方法在实际运用过程中具有一定局限性，原因是摆式仪测试为纵向(平行行车方向)，而横向力系数测试为横向(垂直行车方向)，对于新建路面，两者差异较小，但对于旧沥青路面，两者差异较大，不具有广泛应用性。

横向力系数与构造深度是目前主要采用的路面抗滑性能检测方法，构造深度是保证路面抗滑性能的前提，横向力系数是路面抗滑性能的直观反映，均是验收评价的重要指标，具有不可替代的重要性［3-4］。本文将重点对横向力系数测定方法和构造深度测定方法的准确性、稳定性进行研究，对横向力系数与构造深度指标的相关性进行分析。

1 沥青路面抗滑性能测试方法

1.1 横向力系数测试方法

横向力系数测试可采用双轮式横向力检测设备，测试轮与车辆前进方向成15°角。牵引车辆带动测定仪器向前行驶时，测试轮呈现“外八字”状态，测试轮之间产生横向拉力，横向拉力由拉力传感器测量，其大小与路面和轮胎之间的摩擦系数成正比。计算两测试轮合成拉力与两测试轮作用在地面上的垂直荷载的比值，可得出横向力摩擦系数。测试速度一般为50 km·h－1，可采用水罐车作为储水装置及拖车，测定仪从拖运平台卸下后拖挂于车后方，接通数据及喷水管即可使用。测试前需预先对路面进行洒水，模拟路面抗滑环境最不利条件，要求水膜具有一定的厚度。

为验证横向力测试设备检测结果的准确性，选定5条已知横向力系数的标准路段路面进行重复性试验，每次测试的速度和洒水量保持不变。通过与标准路面进行试验对比，得到双轮式横向力系数测值与已知路面SFC值的相关性，见式(1)。测试速度范围为40～60 km·h－1，结果证明横向力系数测试结果与标准路面SFC值具有较好的相关性。

式中:y为SFC值;x为Mu-Meter(双轮式横向力系数)测值;R2为相关系数。

为检测横向力测试设备测试结果的稳定性，采用双轮式横向力测试仪对5段不同路面进行了重复性检验，每段路面重复检测5次，检测结果见表1。结果表明横向力测试系统变异系数小于5%，具有较好的测试稳定性。

表1 横向力系数重复性试验结果

目前沥青路面横向力系数要求最小值为0.45，通过对以上数据的分析可知:测值越小变异性越大，测值越大变异性越小;当测值超过0.40时，变异系数小于2.50%，可满足使用要求。

测试速度对横向力系数的结果有一定影响，在路面抗滑性能较差时，为保证检测设备的安全，防止发生侧翻，需降低速度进行检测。为得到横向力测试设备测试结果与测试速度的相关性，对同一段路面采用不同速度进行横向力系数检测，检测结果见表2。

表2 不同检测速度下横向力系数试验结果

由表2可知，当检测速度大于10 km·h－1时，横向力系数测值与检测速度成反比，如图1所示。产生这一现象的原因主要为:测试速度增大时，测试轮与路面的接触时间缩短，轮胎对路面的压力减小，在路面固有摩擦系数一定的情况下，路面对轮胎的滚动摩擦力降低，导致测值降低;同理，在测试速度降低时测值增大。

图1 检测速度与横向力系数的关系

1.2 激光构造深度测试方法

宏观纹理波长在0.5～50 mm内，这种波长范围的路面构造振幅通常为0.1～20 mm，波长恰好随轮胎接地单元的尺寸而变化。为满足路表排水和抗滑的需要，这种路面构造深度通常被要求设计为特定范围内的值，如中国高速公路路面构造深度要求在0.7～1.1 mm之间。这种路面构造主要通过集浆比或者特定的表面处治技术来控制［5］。

从路面设计和结构角度来看，路面抗滑性能的优劣主要取决于路面纹理形貌特征。激光构造深度测定适用于测试沥青路面表面的平均断面深度(MPD，记作DMP)，从而评价路面表面抗滑及排水能力，适于检测新建路面而不适用于路面坑槽较多、显著不平整或路面裂缝较多的路段［6］。

激光构造深度检测是随车辆前进路线的线状带检测，与铺砂法检测(路面某面积范围内)有一定的区别;且线性检测的构造深度大小与车辆行驶于车道的横向位置及激光检测仪安装部位有一定关系，对于旧沥青路面，轮迹带处构造深度值一般小于非轮迹带处。在进行对比试验时，无法精准确定两者的关系，仅能在激光探头的行进路线处用手工铺砂法测定构造深度进行比对。为建立两者的相关关系，可选定已知构造深度的路段进行测试，标准路段不易选取时，可在同一旧路横向构造深度差异的路段(如车道中心、轮机带、硬路肩等)、重载交通的上坡路段(构造深度较小)、新建路面路段(构造深度较大)进行测试对比。

为检测激光构造深度测试结果的准确性，通过激光构造深度测值(设备输出值为平均断面深度及其均方根 RMS)与标准值(传感器测量构造深度SMTD，记作DSMT)进行对比，得到测试结果的相关性如下。

由式(2)、(3)可知，激光结构构造深度检测结果与标准值具有较高的相关性，可通过公式进行测值修正后使用。

2 沥青路面抗滑性能不同测试方法对比分析

2.1 不同抗滑性能测试方法对比试验

对比试验选择在100 m长的匀质沥青路面路段进行，测试区间避开沥青路面纵向接缝处及路面离析、坑槽、泛油、修补、拱起、车辙病害处，测试宽度不小于横向力系数测试轮覆盖宽度。由于横向力系数的测定需要洒水，会对其他2种检测方法造成影响，而人工铺砂法会对激光构造深度测试造成影响，因此测试顺序确定为:激光构造深度、人工铺砂法、横向力系数。人工铺砂法测试完成后需立即清扫干净铺装路面上的砂，保持路面清洁。测试路段前10 m为测试调整区，后90 m每10 m采集1个数据，检测结果见表3。

表3 路面抗滑性能不同检测方法测试结果

由表3可知，横向力系数检测的变异性最小，其次为激光构造深度，人工铺砂法检测数据的变异性最大。由于横向力系数是反映路面总体抗滑性能的，在同一路面类型的匀质路段，测得的抗滑性能差异较小;激光构造深度反映路面某线段的宏观构造深度，差异较大;而人工铺砂是反映局部某一区域的平均表面开口孔隙深度，由于铺砂的粒径、体积及测试者手法有差异，因而变异性最大。

2.2 不同抗滑性能测试方法的适用性比较

由于采用的设备不同，得到的测试指标不同，3种测试方法在实际应用中存在差异，结合现有相关规范要求及实际工程中的应用情况，对3种测试方法的适用性进行比较，结果见表4。

表4 路面抗滑性能检测方法应用情况比较

3 沥青路面抗滑性能指标相关性分析

3.1 横向力系数与构造深度对沥青路面抗滑性能表征的特性

《公路技术状况评定标准》(JTG H20—2007)中的抗滑性能表征采用了横向力系数指标，但构造深度作为抗滑性能的另一个指标，使用也较为广泛。横向力系数与构造深度在表征抗滑性能方面存在一定的差异:横向力系数是表征车辆通行时在最不利条件下(路面表面喷水，模拟雨天路况)的路面抗滑性能(侧向抗滑)，是影响路面各类因素综合效应下路面最终抗滑性能的体现;而构造深度仅反映路面表面的粗糙、密实情况，没有体现表面层集料性能、沥青特性、路况环境对抗滑性能的影响。

3.2 摩擦系数与构造深度相关性模拟试验

室内无法进行横向力系数测定，可采用摆式摩擦仪进行摩擦系数的测定，虽然摩擦系数和构造深度2个指标在反映路面抗滑性能方面存在差异，但两者之间有一定的关系。张宜洛［7］选用AK-16A、SMA-16和OGFC-16三种抗滑级配类型，分别测定了构造深度与摩擦系数(BPN)，结果表明:AK-16A型由于级配比较细密，故构造深度与摆值均较小，而OGFC-16与SMA-16的2个指标均较大;同时，随车轮作用次数的增加，OGFC的摩擦系数衰变最慢，改性沥青SMA变化幅度较大，AK-16A变化幅度较小。吴旷怀等［8］采用室内搓揉试验评价了不同沥青混合料的抗滑性能，得到了“构造深度愈大，摆值愈大，抗滑性能越好”的结论。以上研究均表明，构造深度与摩擦系数具有一定的相关性。

3.3 横向力系数与构造深度相关性实体路段测试

由于不同类型面层材料的抗滑性能差异较大，无法进行比较，可采用同一结构类型沥青路面进行横向力系数与构造深度的相关性分析。对比数据采用2012年、2013年山西省部分高速公路的AC密级配沥青路面路构造深度与横向力系数检测结果，见表5。

检测路段构造深度(TD，记为DT)与横向力系数(SFC，记为CSF)相关性见图2，回归关系见式(4)。

图2 构造深度与横向力系数的相关性

以上不同路段的测试结果表明:新建路面的横向力系数与构造深度均比较大，如同源高速(2012年通车);运营期的路段横向力系数与构造深度均比较小，如大新高速(2002年通车)。对于不同路段同一类型路面结构，横向力系数与构造深度存在一定的相关性，但相关性不强。

3.4 横向力系数与构造深度差异性原因分析

横向力系数与构造深度相关性不显著的主要原因包括以下几点。

(1)抗滑集料、沥青材料存在差异［9］。如上面层抗滑料抗滑性能(磨光值及磨耗值)存在差异，沥青或改性沥青性能(含腊量、黏度)存在差异。

(2)混合料不同的压实状态［10］。随着交通荷载重复作用次数的增加，沥青混合料表面被进一步压密，表面平均宏观构造深度降低，从而影响抗滑性能，车辙路段更为显著。

(3)表面层磨耗程度［11］。表面沥青老化后，细集料、矿粉脱落，粗集料表面沥青膜剥落。

3.5 横向力系数与构造深度的互补性

在新建路面进行横向力系数与构造深度检测时，两者相关性较好;但对于已运营的路面，特别是即将改造的沥青路面，在进行技术状况评定时虽然测定了横向力系数指标，但还应对构造深度进行检测［12-14］。根据两方面的检测结果，共同确定路面技术改造方案。当构造深度满足要求而横向力系数不满足要求时，应对路面混合料原材料的选择合理性进行分析，增加路面的微观构造深度;当构造深度不满足要求而横向力系数满足要求时，应对混合料配合比进行优化，增加路面的宏观构造深度［15-18］。

4 结语

(1)横向力系数检测方法是最能直观表现沥青路面抗滑性能的测试方法，具有准确性高、变异性小等优点，但测试速度对测值有一定影响，在检测过程中应保持一定的速度;激光构造深度检测方法具有快速、准确的特点，但其测试为线状带，不能反映区域面积的路面抗滑性能;人工铺砂法快捷方便，可用于不具备大型设备检测条件或检测数量较少的情况，但测试结果变异性较大。

(2)横向力系数与构造深度作为主要的沥青路面抗滑性能指标，在测试原理、影响因素方面存在差异，两者相关性不强，但在路面混合料相同等特殊情况下存在一定的相关性。影响横向力系数与构造深度相关性的因素较多，如何量化两者之间的关系还需从材料特性、表面构造、测试条件及方法等方面开展深入研究。

(3)横向力系数与构造深度作为路面交竣工验收时的抗滑性能指标具有同等的重要性。在旧路抗滑性能评价时，虽然采用了横向力系数指标，但构造深度在分析路面抗滑性能时也具有重要的作用，两者应配合使用。

［1］黄宝涛，田伟平，李家春，等.沥青路面抗滑性能定量评价的分形方法［J］，中国公路学报，2008，21(4):12-17.

［2］吴晶，潘威.路面抗滑值测定方法对比及相关关系分析［J］，科技与创新，2015(16):63，67.

［3］窦光武.基于断面高程的路面构造深度计算模型研究［J］，公路交通科技，2015，32(1):50-56.

［4］桂志敬，刘恒权，张智勇.路面纹理构造特征与抗滑性能检测技术研究进展［J］，公路交通科技:应用技术板，2012(2):62-66.

［5］李志强.Superpave13混合料级配与构造深度关系［J］.价值工程，2014(6):92-94.

［6］王国忠.浅析路面抗滑性能与材料的关系［J］.价值工程，2014(6):99-102.

［7］张宜洛.抗滑级配类型沥青混合料的抗滑性能［J］.长安大学学报:自然科学版，2003，23(1):7-10.

［8］吴旷怀，郭祖辛，张肖宁.沥青路面表层沥青混合料抗滑性能室内试验及评价［J］.哈尔滨建筑大学学报，1995，28(2):45-49.

［9］王宏飞.超薄磨耗层在隧道路面抗滑处治工程中的应用［J］.山西交通科技，2016(4):28-31.

［10］蒋育红，黄宝涛，李家春，等.沥青路面抗滑性能研究［J］.武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2008，32(4):753-756.