不同服役阶段AC-13结构抗滑性能评价指标相关性及适用性探讨

熊 巍， 颜加俊， 雷宗建， 罗 炉

(1.湖北交投建设集团有限公司， 湖北 武汉 430050; 2.湖北省高速公路实业开发有限公司， 湖北 武汉 430051)

0 前言

抗滑性能是表征路面行车安全性和舒适性的重要指标。目前，评价沥青路面抗滑性能的主要技术指标为构造深度和摩擦系数。构造深度TD是指一定面积的路表凹凸不平的开口孔隙的平均深度，代表了路面宏观粗糙度，现行规范采用铺砂法测试路表构造深度；摩擦系数则通过测试轮胎与路面表面的摩擦作用来评价抗滑性能，反映了轮胎与路面的接触特性，是评价路面抗滑性能的综合指标，现行规范采用横向力系数SFC或摆式摩擦系数BPN进行评价[1]。

已有研究表明，级配和最大公称粒径是影响沥青路面抗滑性能的2个主要因素。我国新建沥青路面上面层一般采用SMA-13或AC-13结构，最大公称粒径为13.2mm。新建沥青路面服役初期路面级配较为稳定，构造深度和摩擦系数测试手段能真实反映路面在服役初期的抗滑性能，均可作为路面抗滑性能的表征指标；随着路面服役周期增长，在自然环境和车辆荷载作用下，路面表面沥青膜逐渐老化脱落，粗集料被压碎和磨光，细集料被不断带出，引起级配产生变异从而造成抗滑性能出现不同程度衰减。虽然构造深度和摩擦系数均为评价路面抗滑性能的专业技术指标，但由于所表征的作用机理不同，二者在路面级配变异所体现的抗滑性能衰减特征有所不同，不能相互取代[2-3]。因此，在不同路面服役阶段，采用何种指标作为评价路面抗滑性能的推荐指标，对于反映服役期路面真实抗滑性能、制定合适养护决策十分重要。

1 抗滑指标相关性分析

选取湖北省A高速公路作为依托工程，A高速路面上面层结构采用改性沥青AC-13C。为评价服役初期路面抗滑性能指标相关性，收集A高速公路交工验收时路面抗滑性能检测数据。同时，对A高速服役6 a后的抗滑性能进行检测，为确保研究结论可信，扩大检测样本数据量，选取K23+000～K24+500行车道共40个测点。采用手工铺砂法测定路面构造深度TD，摆式摩擦仪测定路面摆值BPN，横向力系数车测定路面横向力系数SFC，横向力系数车默认每5m一个测点，在数据整理时筛选出测定构造深度和摆值桩号对应的测点值。

1.1 交工阶段抗滑性能指标相关性

对A高速公路交工时某桩号段内79个行车道摆值BPN、构造深度TD和横向力系数SFC数据进行整理，为便于在同一坐标系中比较各项指标整体变化趋势，将构造深度结果按测值×100处理，结果如图1～4所示。

图1 交工阶段BPN、TD(×100)和SFC测点分布及变化趋势

图2 BPN与TD线性关系拟合

图3 SFC与TD线性关系拟合

图4 SFC与BPN线性关系拟合

由图1～4可知，对交工验收阶段AC-13结构沥青路面：

1) SFC和BPN与TD之间总体呈现正相关关系，SFC和BPN测值变化趋势较为接近，与TD在某些测点区间呈现负相关关系，即同一测点TD测值较大，SFC和BPN测值却相对较小。表明在路面服役初期，路表纹理越复杂，构造深度越大，其与轮胎附着性越好，抗滑性能越好。

2) BPN与TD线性拟合度仅为0.0109，SFC与TD线性拟合度仅为0.0461，表明BPN和SFC与TD之间整体线性相关性较差。虽然BPN和SFC均为摩擦系数表征指标，且整体变化趋势也较为一致，但线性拟合度仅为0.2359，线性相关性较差。

3) TD波动范围较BPN和SFC波动范围更大，表明BPN和SFC测值相对较为稳定，变异性较小。对于同一级配沥青混合料，若不考虑施工均匀性等因素，在服役初期，采取BPN和SFC这2个指标更加稳定和可靠。

1.2 服役6 a抗滑性能指标相关性

对A高速公路服役6 a后K23+000～K24+500段行车道(期间未采取任何养护措施)40个构造深度、摆值和横向力系数数据进行整理，结果图5～8所示。

由图5～8可知，对于通车6 a的AC — 13结构沥青路面：

1) 绝大部分测点SFC和BPN测值变化趋势一致，但与TD变化趋势并不一致，这与交工阶段路面抗滑指标变化规律相同。由线性拟合关系可知，SFC和BPN与TD之间总体呈现负相关关系，即测点构造深度越大，摩擦系数反而较小。同时，由测点测值可知，绝大部分测点构造深度仍能满足规范要求，但摩擦系数衰减较快。

图5 服役6年后BPN、TD(×100)和SFC测点分布及变化趋势

图6 BPN与TD线性关系拟合

图7 SFC与TD线性关系拟合

图8 SFC与BPN线性关系拟合

2) BPN与TD线性拟合度仅为0.0355，SFC与TD线性拟合度仅为0.0105，SFC与BPN线性拟合度仅为0.0415，3个抗滑指标之间线性相关性较差。表明路面服役较长时间后，三者之间均难以建立简单的线性关系。

3) TD测值波动范围仍较大，SFC测值波动最为稳定，BPN测值较交工阶段波动变大，且BPN数值大部分低于SFC数值，表明采用横向力系数SFC作为表征抗滑性能表征指标更为可靠。

2 测试机理及适用性研究

为比较各项指标衰减幅度，对A高速公路交工时和通车6 a后路面抗滑性能检测数据进行整理并计算其代表值，结果如图9所示。

图9 交工阶段和运营6 a后各抗滑性能指标代表值比较

由图9数据可知，上面层AC — 13结构在投入使用6 a后，桩号段内构造深度代表值达到0.76，仍能满足规范的要求，下降幅度仅为13.6%，单从构造深度指标来说，路面抗滑性能还处于较好的水平，但摆值和横向力系数却衰减较快，其中摆值下降33.3%，横向力系数下降31.1%，部分路段已不能满足安全行车的要求。因此，在路面正常使用过程中，若单一采用构造深度作为评价指标难以真实反映AC — 13结构真实抗滑性能。

分析其原因，路面微观纹理及宏观构造是影响沥青路面抗滑性能的主要因素[4-6]，构造深度主要表征的是路面表层的宏观构造；摆值表征了行车速度较低时路面的抗滑性能，其与集料表面的微观粗糙度有关；横向力系数则表征了行车速度较高时路面的抗滑性能，表征的是轮胎与路面表面的综合接触特性。因此，3个抗滑指标分别从微观纹理或宏观构造反映了路面抗滑性能。不同材料和混合料类型的微观纹理和宏观构造差异较大，体现在抗滑指标上也就不尽相同。路面服役初期，新铺AC-13沥青混合料集料棱角性突出，磨光性能较好，混合料级配稳定致密，此时路面抗滑性能主要由微观构造部分提供粘附力和宏观构造提供的阻滞力共同组成，无论从微观纹理或宏观构造均能体现反映路表抗滑性能好坏，均可作为路面抗滑性能表征指标。随着路面运营时间的增长，沥青膜逐渐老化，粗集料表面磨光，细集料被不断带出，混合料级配产生变异，虽然理论上宏观构造遭到破坏，构造深度减小，但由于粗集料颗粒间隙深度增大，采用铺砂法测定时铺砂体积变大，构造深度未明显降低或反而增大，这就可以解释路面使用一定年限后，局部测点构造深度测值仍处于较高水平的原因。同时，由于黏附力主要由集料表面的微观构造部分提供，集料磨光造成微观构造损坏，采用摆式摩擦仪测定时橡胶与路面接触阻力减小，测得摆值会减小；同理，宏观构造破坏造成路面排水性能变差，降低了测试轮胎与路面作用的阻滞力，横向力系数也相应减小。因此，虽然理论上构造深度未明显衰减，但摩擦系数却衰减较为明显，实际抗滑性能是降低的。

由于横向力系数、摆值和构造深度分别表征了不同路面状态下的抗滑性能，在进行抗滑性能评价时，要综合路面类型和评价指标的变化规律进行综合决策，以制定合理养护方案。

3 结论

通过对湖北某高速公路路面结构交工阶段和通车6 a后的抗滑性能指标检测，分析研究了构造深度、摆值和横向力系数之间的线性相关性，得到结论如下：

1) 摆值和横向力系数测值变化趋势较为一致，与构造深度变化趋势不一致；3个抗滑指标之间线性拟合度均较低，难以建立简单线性关系。

2) 路面服役初期，3个指标之间整体呈正相关关系，说明随着构造深度的增大，路面摩擦系数相应增大，路表抗滑性能越好；路面投入使用6 a后，3个指标之间整体呈负相关关系，说明构造深度增大，摩擦系数反而降低，单一采用构造深度难以准确反映路面抗滑性能的好坏。

3) 构造深度和摩擦系数均为评价路表抗滑性能的技术指标，但二者所表征的机理不同，在路面不同使用阶段所体现的抗滑特征不同，二者不能互相代替。构造深度测值波动范围较大，横向力系数测值波动范围最小，且横向力系数可综合反映路面与轮胎的接触特征，在进行路面抗滑性能检测时，推荐采用横向力系数作为长期抗滑性能评价指标，摆值和构造深度作为参考指标。