沥青混合料抗滑性能评价指标与抗滑寿命预估方法研究

李菁若，吴卓科，陈小莉，孙宏贤，谭 巍，李 娜

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067； 3. 海南省路桥投资建设有限公司，海南 海口 570203； 4. 云南云岭高速公路交通科技有限公司，云南 昆明 650032)

0 引 言

1988年我国第一条高速公路建成，之后高速公路得到了迅速发展，截至2017年底我国高速公路通车总里程达13.6×104km，居世界第一。至今，高速公路新建、维修养护的工程量依旧很大，然而高质量抗滑集料(我国过分迷信玄武岩)却渐用渐少。行业内学者早在1983年就提出应加大力度寻找或开发新集料或考虑原本不被看好的集料甚至某些指标不合格的集料[1]。于1999年9月通车的隆纳路、2000年12月通车的达渝路、2007年12月通车的渝湘高速公路水界段(AC-13C)和2016年1月通车的云南龙瑞高速公路(SMA-13)均尝试使用石灰岩集料铺筑了抗滑表层作为试验路面；在渝湘高速公路水界段(AC-13C)亦铺筑了砂岩抗滑试验路；云南龙瑞高速公路上亦铺筑了长距离石灰岩与玄武岩互掺试验路； 2010年12月通车的26 cm厚长寿命江西九瑞高速公路(AC-13C)铺筑了辉绿岩抗滑试验路；西藏第一条高速公路拉林路(2015年6月通车)及米林机场路(2015年8月通车)铺筑了卵石破碎的花岗岩抗滑试验路(AC-13C)；2014年7月通车的新疆塔城-克拉玛依-乌尔禾-阿尔泰路及乌苏-赛里木湖(一级改高速)路铺筑了安山岩、凝灰岩抗滑试验路(AC-13C)等。由此可见，随着公路建设的快速发展，修筑高速公路抗滑表层时，建设者逐渐摆脱一味迷信玄武岩的束缚，开始综合考虑采纳地材，从而大大降低工程造价、维持公路建设的可持续发展。

大量工程实践表明，地材在高速公路沥青路面抗滑表层中的应用需要解决3大关键技术问题为：① 如何优选抗滑性能较好的地材？② 如何提升优质地材的抗滑性能？③ 如何对优质地材的抗滑耐久性进行评价？前期研究中，已研究出粗集料抗滑耐磨性能评价新方法[2]和地材筛选技术[3]，并通过了实际工程验证。笔者主要针对后两项关键技术开展研究工作，包括沥青混合料抗滑性能评价指标的确定、各类沥青混合料抗滑性能对比分析与抗滑性能提升技术、沥青路面抗滑寿命预估方法等。

1 测试仪介绍

图1为自动化表征集料或沥青混合料动态摩擦特性测试仪。图1中：该测试仪驱动系统为由伺服电机与丝杆组成的电缸，利用转子瞬间完成加减速，带动磨具做匀速直线往返运动，从而保持有效磨光磨耗过程中的匀速运动。加载系统为气缸，作用于试样中心点，具有自动找平功能，从而保证当试件出现表面不平整或具有高度差时的均匀施荷。另外，在测试仪内部放置了各种类型传感器，通过触摸屏，可实时记录、观看、读取、回放、储存、拷贝数据，同时也具有加热系统、喷水系统等，可用于模拟温湿状况变化。

图1 集料/沥青混合料摩擦特性测试仪Fig. 1 Friction characteristic tester of aggregate and asphalt mixture

测试仪用途包括：筛选能够用于高速公路沥青路面抗滑表层的集料、沥青混合料、抗滑性能提升方案等；预估基于抗滑性能沥青路面使用寿命；评价薄层养护材料黏结性能、磨耗性能、抗滑性能等。其中，测试仪所用的沥青混合料板试件尺寸为300 mm×150 mm×50 mm；制作方法同轮碾法沥青混合料试件制作方法。

测试仪的主要参数有滑溜率(为100%)、运行速度(最大值为45 Hz，建议设定范围为0～30 Hz)、施荷范围(0～300 kg)、单程位移(230～260 mm)、荷载作用面积〔(120×100)mm2〕、温控范围(室温～60 ℃)、水膜厚度(0～5 mm)。测试仪同沥青路面现场横向力系数测试车一样，均是在一定滑溜率下测定的路面滑动摩阻力。同时根据电缸驱动特点可知，拉压力传感器均是在每个单次单向磨耗过程中的匀速运行段内采集的有效数据，且匀速状态下拉力与摩擦力相等，因此拉压力传感器测出的拉力数值与试件板被施加的正压力数值之比即为动态摩擦系数。

2 基于抗滑性能的寿命预估

基于实际沥青路面不同车道的现场抗滑性能测试数据与室内抗滑性能测试数据拟合分析，确定抗滑寿命预估方法。

2.1 测试仪运行次数与交通量的相关性

在G56九江段高速公路沥青路面上，笔者对其应急车道、行车道和超车道抗滑表层进行了切割取样；并采用自研摩擦特性测试仪对切割试件进行了室内加速加载磨光磨耗试验，结果如图2。

图2 不同车道试件板的动态摩擦系数衰减曲线Fig. 2 Attenuation curve of dynamic friction coefficient of test pieces in different lanes

G56九江段高速公路沥青路面在经历约4.83 a的行车磨光磨耗后，行车道磨损最为严重，室内测试的动态摩擦系数为0.52；超车道次之，动态摩擦系数为0.58；应急车道略处于轻微磨光磨损状态，动态摩擦系数为0.68。应急车道表面状态可代表该高速公路沥青路面抗滑能力的初始状态。由图2可见：行车道抗滑表层经历4.83 a的实际行车作用后，其磨光磨耗程度相当于应急车道试件板在室内经历约6.753 9 h的抗滑性能衰减程度。据调研可知，G56九江段高速公路沥青路面行车道在4.83 a间共通行17 452 417辆标准小型车。基于自研摩擦特性测试仪的磨光磨耗1 h相当于实际路面约2 584 050辆标准小型车作用的交通量。至此，笔者提出了自研摩擦特性测试仪加载次数与实际交通量的关系。

2.2 沥青混合料动态摩擦系数

笔者现场测试了G56九江路段横向力系数SFC，同时取样并在室内测试了不同磨光磨耗状态下的摆值BPN。根据JTG D50—2006《公路沥青路面设计规范》，计算出不同磨光磨耗状态下的SFC值，并将其与之对应的Dμ值进行回归分析，如图3。

拟合方程为Y=-0.032 3+0.014 48X-7.637 1X2，相关系数为0.958 5，由此可见这两者相关性极高，这与自研摩擦特性测试仪与现场横向力系数测试车测试结果高度一致。根据JTG H10—2009《公路养护技术规范》规定：高速公路横向力系数SFC<40的路段，应采取一定措施(如加铺罩面层等)提高道路表面抗滑力，结合拟合方程且当SFC=40时，动态摩擦系数Dμ=0.42，由此确定了Dμ混-临=0.42，即高速公路动态摩擦系数Dμ<0.42路段应采取一定措施以提高道路表面抗滑能力。

图3 SFC与动态摩擦系数的多项式回归拟合曲线Fig. 3 Polynomial regression fitting curve of SFC and dynamic friction coefficients

2.3 沥青路面使用寿命

笔者选取云南龙瑞高速公路新建沥青路面两种抗滑表层铺筑方案作为研究对象。铺筑方案为：① 由十五标石灰岩作为集料铺筑的SMA-13试验路；② 由竹平山玄武岩(10～15 mm与3～5 mm规格)与兴磊石灰岩(5～10 mm与0～3 mm规格)互掺集料铺筑的SMA-13试验路。基于自研摩擦特性测试仪测试两种试验路抗滑性能，抗滑性能趋势线分别为Y=-0.035 3X+0.663 4(相关系数0.956 9)、Y=-0.02X+0.68(相关系数0.9184)，当Y=Dμ混-临=0.42时，X分别为6.90、13.0 h，即达到临界动态摩擦系数时两种试验路分别经历了17 829 945、33 592 650辆标准小型车的磨光磨耗作用；融合车道系数后，计算出基于抗滑性能的单幅路面可以承受的交通量分别为29 229 418、55 069 918辆。最后，根据设计文件中的云南龙瑞高速公路交通量(单幅)预估曲线，预估出两种试验路的抗滑寿命分别为5.4、9.0 a。

3 沥青混合料抗滑性能评价指标

路面抗滑性能的评价指标分为当前抗滑性能和抗滑耐久性两个方面[4]。目前国内外对路面抗滑性能的研究大多数是通过现场测试采集数据，这种方法历时长、费用高、环境不易控制，成为路面抗滑研究的一大制约因素。因此基于室内的短时间、低成本沥青路面抗滑性能衰变规律研究就显得十分重要[5-9]。笔者采用摩擦特性测试仪对沥青混合料抗滑性能衰变规律进行了大量室内试验，并提出了相应的抗滑性能评价指标，包括动态抗滑性能和抗滑耐久性。

3.1 抗滑性能衰减过程分析及抗滑指标

表1为所采用各种岩性粗集料的基本物理力学性能；图4为由各种岩性粗集料制备的沥青混合料板抗滑性能变化曲线。

由图4可见：经过4 h加速加载磨光磨耗试验后，各种岩性集料制备的沥青混合料试件板抗滑耐磨性能基本以匀速率线性下降方式衰减。由此总结了长期磨光磨耗作用下路面材料抗滑性能衰减规律为：沥青混合料随着磨光磨耗运动的进行，首先发生压密与迁移变形，同时伴随着表面沥青膜的磨损、磨耗，此为动态摩擦系数的快速下降阶段；其次发生裹露集料的磨光磨耗，使得沥青混合料表面变得越来越光滑，表现为动态摩擦系数越来越小，此为下降阶段，下降速率主要取决于集料特性、气候条件等；最后动态摩擦系数逐渐趋于稳定，这与实际路面抗滑性能的变化规律基本一致[10-12]。

表1 各岩性粗集料的基本技术性能Table 1 Basic technical performance of coarse aggregates with different lithology

图4 各岩性混合料板抗滑性能衰减曲线Fig. 4 Attenuation curves of anti-sliding performance of asphalt mixture with different lithology

对于沥青混合料抗滑性能评价指标的选取，笔者首先选取动态摩擦系数的衰减终值Dμ试验终以及衰减速率ΔDμ作为定量评价指标，根据Dμ试验终值评价沥青混合料当前抗滑性能的大小，根据ΔDμ值预估沥青混合料抗滑性能的趋势速率，并结合两者的大小定量评价沥青混合料长期抗滑性能的优与劣；其次选取沥青混合料的临界动态摩擦系数Dμ混-临作为定量评价指标，用于预估沥青混合料的抗滑寿命，其中Dμ混-临是指基于摩擦特性测试仪加速加载磨光磨耗作用4 h后，沥青混合料能用于高速公路沥青路面抗滑表层的最小临界动态摩擦系数值。根据实际沥青路面现场横向力系数SFC值与对应的取样试件室内动态摩擦系数Dμ值之间的拟合曲线可知：Dμ混-临=0.42，即对于高速公路动态摩擦系数小于0.42的路段，应采取一定措施(如加铺罩面层等)来提高路表面的抗滑能力。Dμ混-临值与JTG H10—2009《公路养护技术规范》中对于高速公路的SFC<40的路段应采取加铺罩面层等措施提高路表面的抗滑能力的规定基本一致，从而也证明了Dμ混-临=0.42具有一定合理性；再选取抗滑寿命作为定量评价指标，用于定量分析抗滑性能的耐久性，其中抗滑寿命是指根据抗滑性能衰减曲线计算出的达到Dμ混-临时所需要的磨光磨耗时间，可见该时间综合考虑了不同路面材料抗滑性能衰减速率与抗滑能力的最低要求。

3.2 不同类型沥青混合料抗滑性能

3.2.1 不同岩性集料配制的沥青混合料抗滑性能

所用集料为2种优质石灰岩、1种普通石灰岩、2种玄武岩、2种辉绿岩、2种花岗岩；沥青混合料类型为SMA-13型。表2为该部分的试验结果。

表2 不同岩性集料SMA-13沥青混合料抗滑寿命Table 2 Anti-sliding life of SMA-13 asphalt mixture with different lithology aggregates

由表2可见：由优选的兴磊石灰岩制备而成的SMA混合料，抗滑寿命较普通石灰岩制备而成的SMA混合料高出2倍左右；同时其抗滑寿命可达到由玄武岩制备的SMA混合料的58.5%、由辉绿岩制备的SMA混合料的82.0%、由花岗岩制备的SMA混合料的80.9%。

3.2.2 不同档间隔掺配沥青混合料抗滑性能

所用集料为十五标石灰岩、江苏玄武岩；沥青混合料类型分别为SMA-13型、AC-13型。一般而言，不管是AC-13型级配还是SMA-13型级配，工程上往往将矿料分为4档，即0～3、3～5、5～10、10～15 mm。因此，笔者采用石灰岩与玄武岩按照上述4档料交叉互掺方式进行掺配，掺配方案如表3。

表3 石灰岩与玄武岩的混合集料掺配方案Table 3 Limestone and basalt blending schemes

图5为该部分的试验结果。由图5可知：对于SMA-13型沥青混合料，在石灰岩集料中掺入玄武岩集料后，A～E这5组互掺方案的抗滑性能提高幅度相当，抗滑寿命较H组(石灰岩沥青混合料)提高了42.9%～53.5%；F组对石灰岩沥青混合料抗滑性能的提高程度达到201.3%，为纯玄武岩抗滑性能的95.8%。对于AC-13型沥青混合料，在石灰岩集料中掺入玄武岩集料后，B～E这4组互掺方案的抗滑性能提高幅度相当，抗滑寿命较H组提高了50.0%～64.1%；F组对石灰岩沥青混合料抗滑性能的提高程度达到84.0%，为纯玄武岩抗滑性能的82.1%。

图5 不同档间隔掺配下SMA-13型与AC-13型沥青混合料的 抗滑寿命对比Fig. 5 Comparison of anti-sliding life between AC-13 and SMA-13 asphalt mixture with different blending schemes

3.2.3 不同级配类型的沥青混合料抗滑性能

由图5可见：对比分析AC型与SMA型不同级配类型的沥青混合料抗滑性能优劣。相同掺配方案下，SMA-13型级配沥青混合料的抗滑寿命均大于AC-13型级配沥青混合料，当选用SMA-13型级配时，沥青混合料抗滑寿命可提高50%～200%。另外，在SMA-13型沥青混合料中只需保证含有10～15 mm或5～10 mm中任1档玄武岩的粗集料，即可达到AC-13型纯玄武岩沥青混合料抗滑寿命。

3.2.4 同种级配不同粗细程度的沥青混合料抗滑性能

对比分析同一个级配类型下不同级配粗细程度对沥青混合料抗滑性能的影响。SMA-13级配中：级配4最粗，级配2接近级配中值，级配1、4中4.75 mm及以下筛孔的通过率相同，均较级配3细。AC-13级配中：级配3位于级配中值上方，偏细；级配4、5均位于级配中值下方，偏粗；级配4、5中4.75 mm及其以下筛孔的通过率相同，且级配5稍粗于级配4。

图6为该部分的试验结果。由图6可见：对SMA-13型级配和AC-13型级配，级配越粗抗滑性能越好；对SMA-13型沥青混合料，通过调节级配粗细程度，抗滑寿命可提高47.9%，对AC-13型沥青混合料，通过调节级配粗细程度，抗滑寿命可提高14.7%。

图6 不同粗细级配SMA-13和AC-13的抗滑寿命Fig. 6 Anti-sliding life of SMA-13 and AC-13 asphalt mixture with different coarse-fine gradations

4 结 论

1)笔者自主研发了集料/沥青混合料摩擦特性测试仪。该仪器能在加速、加载的同时自动测试路面材料动态摩擦系数，且明确了其测试原理、仪器参数与功能用途。

2)通过沥青路面现场抗滑性能测试数据与室内抗滑性能测试数据拟合分析，明确了自研测试仪加载次数与实际交通量的关系，确定了基于测试仪的沥青路面抗滑性能养护决策临界值，并提出了沥青路面抗滑寿命快速预估方法。

3)提出了基于室内快速、动态评价路面材料抗滑性能的测试方法与评价指标，包括衰减终值Dμ试验终、衰减速率△Dμ、Dμ混-临(为0.42)、抗滑寿命这4项指标。其中抗滑寿命指标有效结合了路面材料的当前抗滑能力和抗滑性能衰减速率两个指标，可作为抗滑耐久性的评价指标；Dμ混-临(为0.42)可用于筛选沥青混合料及预估其抗滑寿命。

4)采用数字化定量方法明确了集料特性、掺配方案、级配类型与粗细程度等对沥青路面抗滑性能影响程度，揭示了抗滑性能提升技术与方案，为高速公路抗滑表层用集料、级配的选择提供了强有力的技术支撑，工程应用时的指导意义重大。

5)研究成果被用于云南龙瑞高速公路抗滑表层工程中，对路用集料的可持续发展、工程造价的有效降低、工期的顺利保证等意义重大；并对其中的两段试验路抗滑寿命进行了预估：纯石灰岩集料铺筑的SMA-13试验路、玄武岩与石灰岩集料互掺铺筑的SMA-13试验路抗滑寿命分别为5.4、9.0 a，该抗滑寿命的预估对制定养护决策、提高行车安全、保护人民生命财产意义重大。