季冻区气候条件下SMA表面抗滑功能性研究

程培峰 沈思彤

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

黑龙江省季冻区冬季时间长，降雪长期存在于路表面，导致路面摩擦系数长时间处于较低水平,车辆操作困难，制动距离缩短，极易发生制动失稳、侧滑、追尾等交通事故[1-4]。沥青玛脂碎石混合料(SMA)，因具有良好的路用性能和抗滑性能，常被用作抗滑面层[5]。因此，本文将对季冻区气候条件下的SMA抗滑性能进行研究。

1 试验方法

根据黑龙江省(季冻区)气候特点，选取季冻区气候条件下形成的几种典型的冰雪路面状态，以SMA-13和SMA-16为研究对象，制备车辙板试件，首先通过铺砂法测试试件在干燥状态下的初始表面纹理特性，所得构造深度值如表1所示，然后通过摆式摩擦系数测定仪进行抗滑性能研究。进行抗滑性能试验时，不按照标准试验方法进行洒水处理和温度修正换算，以免影响不同路面状态的模拟和抗滑能力的比较。

表1 试件表面纹理特性

由表1对比两者平均构造深度值大小可知：SMA-16>SMA-13，差值达13.9%，说明SMA-16沥青路面表面宏观构造更粗糙。

2 雪状态

2.1 松雪路面

松雪路面是指飞雪落到地面后未经车轮碾压的自然堆积形成的路面。模拟试验方法如下，试验温度为-15 ℃，采用人工铺洒的方式，将事先收集好的雪，按照试验设计控制撒雪量，均匀铺洒在试件表面，模拟不同降雪量下的松雪路面状况，最后利用摆式仪测试其抗滑性能，测试方法如前面所述，松雪状态下SMA路面抗滑摆值试验结果见图1。

从图1数据分析可知，两种路面在松雪状态下抗滑摆值随撒雪量的增加，呈现先下降后上升，最终趋于稳定的变化规律。当试件表面存在少量雪颗粒(撒雪量为25 g)时，路表摩擦接触面状态改变，通过试验过程观察可知，橡胶块与雪颗粒摩擦生热部分融化，使摩擦系数大幅下降。随着撒雪量的增加，摩擦系数逐渐下降，但下降幅度变缓，考虑是摩擦生热而融化的雪量进一步增加导致的。当撒雪量增加到摆值最低点所对应位置时(SMA-13为100 g雪，SMA-16为125 g雪)，松雪基本将试件表面凹陷处填平，继续增加撒雪量，橡胶块对雪产生挖掘作用，摆式仪受到雪的阻力，造成摩擦系数出现小幅度上升，直至最后再增加撒雪量对摩擦系数几乎没有影响，摩擦系数趋于稳定。

降雪初期即撒雪量较少时，SMA-16路面由于构造深度较大，摆值下降幅度比SMA-13小，且变化趋势较SMA-13延迟，当降雪量增加到一定程度，两种不同级配的路面抗滑摆值都相对于初始值降低约38%，且最终都稳定在54左右，因为此时路面抗滑性能主要受到雪覆盖的影响，受到路表面构造形态影响较小。从数值上来看，SMA-16路面在降雪初期相较SMA-13路面具有更好的抗滑性能，但在降雪天气下，SMA路面也表现出相对于相同温度干燥条件下更加不利的抗滑性能。

2.2 压实雪路面

对于实际路面降雪一定时间后，伴随自然积雪和车轮碾压形成的雪路面的情况，研究将其定义为压实雪路面，模拟时控制试件温度在-15 ℃左右，对不同撒雪量的松雪路面，采用人工均匀铺洒降雪，然后用铁盆压实，压实到雪层厚度稳定不再沉降为止，最后利用摆式摩擦仪测试出压实雪状态下SMA路面的抗滑摆值BPN，试验结果如图2所示。由于新雪经过压实后，撒雪量的变化幅度对路表面雪层厚度的影响相对于松散雪情况小，所以试验增大撒雪量的变化间隔为50 g，使试验效果明显。

分析图2得知，两种级配的SMA路面在压实雪状态下抗滑摆值随着撒雪量的增加而降低，减小幅度由大变小，最终趋于稳定值。SMA-13在撒雪量小于250 g时，被压实过的雪不足以将试件完全覆盖，摩擦力由压实雪和试件表面一同提供，抗滑摆值随着压实雪量的增加而减小，特别是撒雪量为50 g时，路面雪从无到有，路面摩擦特性发生改变，抗滑摆值下降幅度最大。SMA-16在撒雪量小于300 g时，与前者抗滑摆值变化规律一致，因为在宏观构造深度上的优势发挥了一定的作用，使其能够承受更大降雪量的冲击。撒雪量达250 g(SMA-16为300 g)后，两者的抗滑摆值基本稳定在30左右，与初始值相比平均下降幅度约为65.7%，此时摆式仪橡胶块与试件表面完全脱离，直接与压实雪接触。压实雪路面，在未进行人工或机械清雪之前是一种存在时间很长的路面状态，抗滑摆值可达到30，对行车安全极为不利。

3 冰雪状态

3.1 融雪路面

融雪路面是指路面覆盖一定松散雪和压实雪后，当环境温度升高0 ℃以上或汽车驶过时，部分雪颗粒溶解，形成雪浆状雪水混合物覆盖的路面。试验模拟该状态时，温度控制在0 ℃，将制好的一定质量的雪浆均匀铺在试样表面，测量融雪状态下的抗滑摆值BPN，测试结果汇总见图3。

3.2 融冻路面

融冻路面，是雪浆冻结后所形成的冰雪板路面，易在环境正负温度交替时产生，正温时冰雪板表面部分融化成水，再次降雪后混合成雪浆，经负温冻结，多次循环造成冰雪板厚度不断增加。试验模拟该状态时，参照融冻路面形成条件，先在混合料试件表面，设置好雪浆路面，放入冰箱使其完全冻结成冰雪板后，使其表面温度为-15 ℃，用摆式摩擦仪测量该融冻状态下的抗滑摆值BPN，测量结果如图4所示。

融雪和融冻两种状态下，两种级配SMA路面的抗滑摆值随雪浆或冰雪板质量的增加而逐渐降低最终趋于稳定，初期路面抗滑摆值SMA-16>SMA-13，究其原因是相同冰雪板质量情况下，SMA-16路面的构造深度相对较大，测量摆值时裸露的试件表面积大。对比两种状态下最终稳定值可知，SMA路面在融雪状态的抗滑性能优于融冻状态。

3.3 冰雪混合路面

表2 SMA冰雪混合路面抗滑试验结果

试验发现(如表2所示)，由于冰雪板上覆盖雪层，润滑了摩擦接触界面，造成冰雪混合路面比融冻状态下抗滑摆值明显下降，雪量增加会略微增加路面的抗滑摆值，但作用效果不明显；冰雪板厚度决定了摆式仪橡胶块与SMA路面接触状态，故无论雪量大小，厚冰雪板路面比薄冰雪板路面摆值明显减小；路面覆盖有雪并存在薄冰板状态时，SMA-16体现了构造深度大的优势，抗滑摆值比同条件下SMA-13高11%。

4 结语

1)松雪状态下，SMA路面抗滑摆值随撒雪量的增加，呈现先下降后上升最终趋于稳定的变化规律，期间摆值出现小幅度上升，是由于橡胶块对雪产生挖掘作用，摆式仪受到雪的阻力；压实雪状态下，摆值随着撒雪量的增加而减小，减小幅度由大变小，最终趋于稳定值。

2)融雪和融冻两种状态下，两种级配SMA路面的抗滑摆值随雪浆或冰雪板质量的增加而逐渐降低最终趋于稳定，初降雪路面抗滑摆值SMA-16>SMA-13；冰雪混合状态下，由于冰雪板上覆盖雪层，润滑了摩擦接触界面，冰雪混合路面比融冻状态下抗滑摆值小很多。

3)试件覆盖物较少(相同质量)时，路面宏观构造深度起关键作用，SMA-16抗滑摆值大于SMA-13；不同路面状态下SMA路面的抗滑性能比较结果为，松雪状态>融雪状态>压实雪状态>融冻状态>冰雪混合状态。