温度对SMA-13抗滑表层横向力系数的影响

刘烘鑫

(广东冠粤路桥有限公司,广州 511400)

0 引言

国家经济的腾飞，交通运输业也随之快速发展，一方面应对发展需求，交通量日益增加，另一方面也加快了交通事故发生的频率。由于沥青路面行驶舒适性高、噪音低、污染小等特点，目前新建的公路一般采用沥青路面。沥青路面一个十分重要的性能是抗滑性能，这直接关系到路面安全行驶[1]。相比传统的AC-13C型路面，SMA-13型沥青路面由于其具有多碎石、多矿粉、多沥青、内部空隙率小等特点，具有更高的高温抗车辙能力、低温抗裂能力、抗水侵害能力，同时抗滑性能也更优越，适合作为沥青混凝土路面的抗滑磨耗层[2]。路面抗滑性能指标必须满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)规定的路面构造深度和横向力系数技术指标[3]。施工现场通常由于设备有限，采用手工铺砂方法检测路面构造深度，这种方法虽然操作简单，但是会因为人为因素的问题导致测试结果存在误差，而且对试验砂的粒径和含水率都有规定[4]。横向力系数测试车工作时速度稳定在60km/h左右，而且在检测时必须洒水[5]。摩擦学理论认为材料表面接触“微凸体”的存在为其提供了基本的抗滑力[6-7]，而沥青路面上这种“微凸体”构造可称为微观构造[8]。研究表明，除了路表面自身的特性会影响抗滑力大小，轮胎因素也会对路面摩擦力学性能产生影响，轮胎橡胶材料的抗拉强度、回弹性、撕裂强度和路面摩擦系数成线性正比关系[9]。

本文通过分析各种路面抗滑性能检测方法的特点，以广东仁博高速公路SMA-13为对象，分析温度对横向力系数SFC的影响。

1 路面抗滑性能检测方法

路面抗滑性能表征的是刹车系统完备的车辆，能够在规定时间内通过轮胎与路面间的摩擦阻力及时制动的能力。我国现行规范[10]采用构造深度、横向力系数、动态摩擦系数作为评价指标。在实际工程中，高速公路或一级公路的横向力系数通常由摩擦系数测定车在速度为60km/h的条件下测得，并且要求检测时必须洒水。摩擦系数可采用摆式摩擦仪测定的摆值来表征，构造深度通常由手工或电动铺砂法测定。

1.1 摆值

摆值是通过摆式摩擦仪测得的路面摩擦系数表征值。测量时，每200m测一处，每个点测量5次，由5次测定值的平均值作为该点摆值，再将摆值除以100，得到摩擦系数。摩擦系数偏向于表征低速行驶状态下的路面抗滑性能，其值大小受粗集料的含量、集料物理性质和表面构造、混合料级配的影响[11]。

1.2 构造深度

构造深度反映的是单位面积内粗糙路表面的平均深度或者纹理深度，能够对沥青路面的抗滑性能产生较大的影响。具体表现为，当潮湿或者阴雨天气时，路表面的积水可以通过纹理深度及时排出，避免汽车行驶时出现滑水现象。施工现场通常由于设备有限，采用手工铺砂法检测路面构造深度，这种方法虽然操作简单，但是会因为人为因素的影响导致测试结果存在误差。

1.3 摩擦系数

目前工程上普遍使用的路面摩擦系数测试车主要有两种：一种是以英国产的SCRIM型测试车为主，测试车由车箱、水箱、数据处理系统、测试轮系统、喷水系统和测试轮备胎构成，SCRIM型测试车测定的是路面横向力系数SFC值。另一种是以美国、日本主要使用的CripTester纵向摩擦系数测试车为主[12]。基于横向力系数能更好地反映路面实际抗滑性能的考虑，我国规范采用横向力系数作为抗滑性能表征指标。单轮式横向力系数测试系统具有数据准确、测试速度快、对交通无干扰、自动数据采集、安全性高等特点，因而SCRIM型测试车在我国得到了广泛应用。

本文采用SCRIM型测试车对仁博高速公路SMA-13抗滑表层的代表性路段进行全天连续测试，所用的SCRIM测试车如图1所示。

图1 横向力系数检测车

测量时，测试车模拟行驶中的汽车因路面横坡的存在而产生滑移的现象，测试轮在牵引力的作用下与行驶方向成20°夹角接触路表面而产生横向力，喷水系统在测量时能够连续洒水使路面具有一定的水膜厚度，数据采集系统负责数据记录和处理。单轮式横向力系数测试系统参数见表1。

表1 单轮式横向力系数测试系统参数

2 SFC测试温度试验

2.1 温度对横向力系数的影响

英国对SCRIM系统进行过全年测试，发现温度会对路面横向力系数值造成较大的差异。据统计，夏季高温时，月平均SFC值明显低于其他季节；而冬季低温时，月平均SFC值则达到了最高值。从地域特点来看，英国邻近大西洋，属于典型的海洋性气候，气温年、日变化小，各季节降水量较均匀，湿度高。和英国相比，我国大部分地区为亚热带季风性气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥有冰冻期，而SCRIM系统在冬季低温时使用会加快测试元件的损坏，因此不适合在冬季使用。我国通过对SCRIM系统应用后的工程经验总结，发现夏季路面SFC测试值变化范围较小，因此研究人员认为可以直接排除季节的影响，以夏季路面最不利条件下测得的SFC值为代表值评价路面抗滑能力，但是需要进行温度修正[13]。

广东在公路自然区划上属于东南湿热区，该区典型的气候特点是全年热季长、温度高。据广东省气象局统计，广东省年太阳总辐射量高于4 200MJ/m2，年平均气温高于19℃，最热的时候(6月～8月)路表温度甚至高于33℃，光、热资源丰富。本次为排除其他因素的影响，直接以开放交通前的仁博高速公路K405+000～K408+800段右幅主1、主2、主3车道为研究对象，采用全天连续测试方式，不同时间段路面横向力系数月平均值见表2。

表2 不同时间段路面横向力系数月平均值

从表2可以看出，仁博高速公路夏季路面横向力系数值变化幅度不大，整体较稳定，这也验证了以夏季作为测试期是合适的。路面直接暴露于外界环境中，且沥青路面对光辐射的吸收能力很强，使得路表温度随日照时间延长而升高。在没有开放交通前，路表温度对路面抗滑能力大小起决定性作用。夏季的日气温最高能达到35℃以上，而通常路面的温度比环境温度更高，当路面温度升高到一定程度时，沥青材料的弹性大幅度降低向塑性体转化，劲度模量也随之大幅降低，抗变形能力下降，路面出现软化甚至泛油的现象，这种状态下测试轮更容易滑移，从而导致路面SFC值偏小。相比中午和傍晚，早上路面温度明显低于两者，因此路面横向力系数SFC值(图2)较高。

图2 不同时间段路面横向力系数

2.2 横向力系数温度修正

我国规范规定采用SCRIM测试系统对路面横向力系数检测时的标准温度为20℃±5℃，而现场测量时的路表温度明显达不到规范的要求，这就需要基于实际路表温度进行横向力系数修正。本次选取仁博高速公路K417+960～K420+920中4段路面为研究对象，分别在不同温度下测得横向力系数，测试结果见表3。

表3 不同温度下的横向力系数

通过分析表3数据，绘制不同温度下的横向力系数变化曲线,如图3所示。

图3 不同温度下横向力系数变化曲线

建立横向力系数与温度的拟合曲线，见表4。

表4 横向力系数SFC与温度的线性回归关系

由图3可知，选取的四段公路在不同温度下测得的横向力系数变化幅度较小。将表4中各回归方程的斜率取平均值后为0.21，说明温度每上升1℃，横向力系数衰减0.21个单位左右。因此，根据实际路表温度进行横向力系数修正。

SFC20℃=SFCT-(20-T)×0.21

(1)

式中：T—测试时路表实际温度。

SFCT—T℃温度条件下路面横向力系数值。

SFC20℃—20℃温度条件下路面横向力系数值。

根据式(1)提出横向力系数修正表(表5)，并结合规范的横向力系数修正表(表6)，绘制温度修正对比图。

表5 横向力系数SFC温度修正

进行数据处理时，可按表5中相应的温度选用路表横向力系数修正值，将相应温度下的修正值和该温度的路表检测值相加得到SFC20℃。

表6 规范规定的横向力系数SFC温度修正

根据表5和表6中的修正值绘制横向力系数修正图，如图4～图7所示。

图4 路段一不同温度下修正值对比

图5 路段二不同温度下修正值对比

图6 路段三不同温度下修正值对比

图7 路段四不同温度下修正值对比

从图4～图7可知，修正后的路面横向力系数SFC曲线变化幅度小，说明采用表5进行修正后各温度下的横向力系数SFC值相近，能很好地排除温度的干扰，还原路面横向力系数真实值。从图中还可以看出我国规范建议的修正值较路面真实值偏高，这可能和路面环境和测试车因素有关。

3 结语

(1)本文分析了常用抗滑性能检测方法的特点，介绍了SCRIM横向力系数测试系统，该系统具有数据准确、测试速度快、对交通无干扰、自动数据采集、安全性高等特点，因而在我国得到了广泛应用。

(2)以广东仁博高速公路上面层SMA-13为研究对象，采用全天连续测试方式，发现温度对路面横向力系数SFC值大小具有显著的影响。随着温度的升高，沥青材料的弹性大幅度降低向塑性体转化，劲度模量也随之大幅降低，路面出现软化甚至泛油的现象，从而导致路面横向力系数值变小。

(3)基于路表检测数据，进行横向力系数温度修正分析，提出SMA路面的温度修正值，并与我国规范中的建议修正值进行了对比，发现规范推荐的温度修正值会导致横向力系数值偏大。