颗粒污染物对AC-13沥青路面抗滑性能影响

胡 力 群， 许 松， 徐 峰， 贠 迪

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

车辆在城市道路行驶过程中，沥青路面的抗滑性能对于行车安全有很大的影响.影响沥青路面抗滑性能的因素有很多，例如轮胎的结构类型、花纹、胎压，沥青路面的形貌纹理，轮胎与路面之间的介质(水、冰雪、路面污染物)，温度和季节的变化等[1].一些学者提出车辆胎面与路面的接触状况将影响车辆在路面上行驶的抗滑性能，由于沥青路面的成型方式，路表面的集料之间存在一定的空隙，他们认为这些空隙的分布以及疏密程度对路面结构的改性和对路面与轮胎之间的接触密切相关，从而影响路面的抗滑性能.例如Yun等提出了轮胎与路面实际接触面积的概念，而这会是影响路面抗滑性能的关键[2].道路表面的污染物会进入这些空隙中，直接影响轮胎与路面的接触，从而影响路表面的抗滑性能.

城市道路上的污染物是一个较为宽泛的概念，包括许多不同类型，例如在雨雪天气时，路面上的雨水与冰雪类污染物；路面结构在行车荷载与环境因素作用下被剥离的集料和碎屑；车辆在路面上行驶过程中带来的砂石、灰尘；车辆行驶过程中散落在路面上的机油等[3].有学者对受油污染影响的沥青路面进行检测，结果显示该路段的抗滑性能已不符合相关规范对抗滑性能的规定，说明机油类污染物会大大加快沥青路面抗滑性能的衰减速率[4].然而，由于集料与碎屑的脱落需要经过对路面长时间的磨损才会产生；并且由于目前车辆性能越来越好，城市道路中散落在路面上的机油也日益减少，城市道路上的污染物主要还是以砂石、灰尘、雨水为主.

摩擦是两个接触表面相互作用从而引发的滑动阻力并带来一定的能量损耗.轮胎与路面之间的摩擦可以视为高弹性的橡胶材料与刚性路面之间的摩擦，其摩擦机理主要归纳为以下几个方面：(1)轮胎与路面接触所产生的分子引力作用.(2)轮胎与路面间的黏附作用，例如胎-路间的静电吸引使路面上出现黏附的橡胶颗粒.(3)路面上的微凸体在荷载作用下对胎面产生微切削作用，使得胎-路接触过程中产生阻力.有学者认为路面上的这些颗粒污染物一方面改变了路面的表面纹理，另一方面影响了轮胎与路面的直接接触，改变了摩擦力产生的条件，从而会对路面的抗滑性能产生较大的影响.

为了研究这些颗粒污染物对路面抗滑性能的影响，有必要对污染物的粒径大小进行研究.因为不同粒径的颗粒污染物会从两方面改变路面的表面纹理，降低路面的抗滑性能，一方面是粒径较小的污染物埋于路面宏观结构中，会堵塞路面表面空隙，从而降低路面摩擦因数；另一方面，较大粒径的污染物会覆盖路面表面，阻碍车轮与路面直接接触，对路面起到润滑作用，从而降低路面摩擦因数[5].因此，在研究污染物对抗滑性能的影响时，对污染物的组成和粒径分析也十分重要.

有学者在室内通过试件的表面纹理更加细致地研究路面的抗滑性能.例如，有些学者[6]制作了被污染物覆盖的试件，并利用微观结构测试仪观察其表面纹理，发现污染物不仅堆积在路表面的空隙中，也存在于路面集料的顶部.曹平[7]选取了水、润滑油、泥粉、砂等作为污染物，研究其对沥青路面抗滑性能的影响，用英国摆式仪(BPT)测试摆值并换算成沥青路面的摩擦因数.在室内实验室内搭建了沥青路面宏观结构试验台，采用针形轮廓仪测量沥青路面试样的宏观和微观形貌，尝试对沥青路面形貌进行描述，结果表明污染物分布越密集对抗滑性能的负面影响越大.

然而，在室外以实际道路作为研究对象进行测试，可以更加真实反映污染物对路面抗滑性能的影响.部分学者从2003年到2006年采用实际路面试验与室内加速抛光试验探讨路面的抗滑性能[8].前期研究表明，抗滑值可能会有短期的变化，这种变化会受到一些相关因素的影响，包括骨料性质和路面污染物特性等.后期的研究显示，在实验室加速抛光和污染物会使骨料表面的粗糙度发生较大变化，加速抛光前后路面抗滑性能的差异与集料的性质和污染物的类型有关.

实际工程中，沥青路面的种类有很多，例如OGFC、SMA等，本研究将在室外以一段典型的AC-13型沥青路面作为待测路段进行研究，以解释污染物质量分数和种类的变化对路面抗滑性能的影响，为建立路面性能与环境因素之间的关系奠定一定的基础.

1 材料与试验方法

1.1 城市道路污染物采集与组成分析

本研究通过咨询当地的道路环保部门，分析周围各个主干道的车辆通行情况，综合考虑，从西安市南二环的3段城市道路(A路段、B路段、C路段)，如图1所示，运用城市道路吸尘车收集每段路上的污染物，这种城市道路吸尘车已经被证实既可以从路面有效地收集固体颗粒，同时也可以保证所收集的固体颗粒的物理化学特性不发生改变[9].然后对收集到的污染物进行分类，其组成类型如图2所示.

图1 西安市南二环市区3段城市道路

如图2(a)所示，片状污染物包括树叶、塑料袋、香烟和烟盒.它们多出现在道路的中间和边缘，不仅降低了路面的抗滑性，而且严重破坏了路面的外观.如图2(b)表明，当车辆行驶时，轮胎和路面之间存在砂砾，使轮胎无法直接接触路面，削弱路面的抗滑性.砂子的尺寸比砾石小，对抗滑性的影响相对较小，但其影响抗滑的作用机理与砂砾影响抗滑作用机理是一致的，如图2(c)所示.粉尘将填充路面集料之间的空隙，堵塞路面表面，从而改变沥青路面的纹理，降低路面的粗糙度，影响路面的抗滑性，如图2(d)所示.雨水在沥青路面上形成一层水膜，使沥青路面湿滑，严重降低了路面的抗滑性，如图2(e)所示.

图2 不同类型的污染物

路面抗滑性能与污染物类型有关.根据上述对污染物的分类，本研究将其分为三大类：(1)片状污染物；(2)砂尘类污染物(砾石、砂子、粉尘)；(3)液态污染物(水).显然，砂尘类污染物的粒径大小不一，对路面的抗滑性能影响也是不同的[8].需要分析砂尘类污染物的粒径大小分布，利用振动摇筛机对这些砂尘类污染物进行了初步筛分.根据粒径大小将砂尘类污染物分为5类：>2.4 mm(砾石)；1.2～2.4 mm(a砂)；0.6～1.2 mm(b砂)；0.3～0.6 mm(c砂)；<0.3 mm(粉尘)，并测量各类污染物所占的比例.由于振动摇筛机的筛分孔径有限，为了得到更细小粉尘的粒径分布，利用激光粒度分析仪对相对较小的污染物颗粒(粉尘)进行分析.激光粒度分析仪通过光散射原理测量粒子的大小和分布，可以实现从亚纳米到微米范围的全覆盖.本研究的激光粒度分析仪量程为0.01～3 000 μm，可以更准确地对污染物的粒度分布进行分析.

1.2 铺撒污染物

由于片状污染物的形状不规则，在路面上的分布不均匀，无法准确地得出其对路面抗滑性能的影响，因此，本文主要研究液态污染物和5种砂尘类污染物对AC-13沥青路面抗滑性能的影响.为了定量地模拟真实情况下城市道路污染程度变化，采用污染物在路面空隙间的填充率作为评价污染程度的基准.定义填充率P如下式：

P=V/dS

(1)

式中：V为污染物体积(mL)，d为路面构造深度(mm)，S为被污染面积(200×200 mm2).采用铺砂法确定待测路面的构造深度，在待测路面上选取特征点，用铺砂法摊平25 mL的标准砂，得到摊平砂的直径，如表1所示.

表1 摊平砂的平均直径

路面的构造深度即为标准砂的体积与25 mL标准砂所摊铺成圆形的面积之比，计算公式如下：

(2)

式中：Vs为砂的体积(25 mL)，D为摊平砂的平均直径(mm)，由上述公式可计算出待测路面的构造深度为0.42 mm.再计算200×200 mm2范围内污染物填充率分别为0、2.5%、5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%时的污染物体积与铺撒密度，结果如表2所示.

表2 不同填充率对应的污染物体积和铺撒密度

本文选取西安地区常见的路面结构类型AC-

13沥青路面作为试验段，模拟城市道路的实际情况.该试验段所用的混合料类型为沥青混凝土；集料的公称最大粒径为13 mm；试验段所用的骨料主要为石灰石.为了使污染物铺撒均匀，铺撒时采用网格法对待测区域进行精确划分.本研究采用如图3(c)所示的200 mm×200 mm木质框架，以保证污染物的均匀分布.试验开始前，将试验区域划分为20 cm×300 cm的若干条待测路面区域，如图3(a)所示，并用吸尘器清扫各区域路面，如图3(b)所示.在试验过程中，使用量筒对不同质量分数的污染物进行定量.随后，将它们分别放入一个塑料容器中，并使用一个木质框架均匀地铺在每个测试区域，如图3(c)所示.每条车道用木质框架铺撒污染物15次，直到待测路面区域被规定质量分数的污染物所覆盖.

图3 污染物铺撒过程

实际城市道路中，在降雨情况下，污染物对路面抗滑性能的影响更严重.根据当地气象局提供的降水情况，本研究以水膜厚度<0.4 mm，0.4～1 mm，1～2 mm分别模拟不同降雨情况.为了模拟实际道路的真实污染情况，用喷壶将水喷洒在含有污染物的干燥道路上，以保证每次试验的洒水量相同.经计算，每个试验段分别喷洒了266.4、532.8和1 598.4 mL的水，分别模拟了小、中、大雨.

1.3 路面抗滑试验

摩擦因数采用连续摩擦因数测定仪T2GO(ASFT Industries ABTM，瑞典)进行测试，它是一种连续便携式摩擦测试设备，如图4所示.该仪器主要由前后两个胎压为50 kPa的轮胎与路面接触，用皮带连接两轮，通过皮带上侧的力学传感器将轮胎的摩擦因数传输到把手处的操作员控制系统，具有全自动操作系统，可以在测试过程中自动连续地采集数据的变化.与一般摩擦因数试验车相比，T2GO体积小，仪器总质量仅为21 kg，操作方便，适用于小面积路面的抗滑试验[10].值得一提的是，在使用T2GO时，最大速度仅需要保持在4 m/s以下，T2GO系统单人便可操作，这就意味着在步行速度下可以得到摩擦因数.数据每隔0.03 m保存一次，并能够显示所需距离的平均摩擦因数[11].综上所述，T2GO适合于本工作中的数据收集.

图4 连续摩擦因数测定仪(T2GO)

采用网格法将不同质量分数的污染物铺撒在待测路面区域后，匀速移动T2GO测试仪测量测试区域的平均摩擦因数，如图5(a)所示.测试完成后，去除该区域的污染物，重复上述试验步骤进行下一组试验.为了避免测试错误，每组测试共进行3次平行试验.若试验误差超过5%，则需重复测试.最后的试验数据取3个测试结果的平均值.

在干燥条件下进行试验后，使用喷壶在每个试验段上喷洒不同体积的水，模拟潮湿条件.用同样的测试方法测试含水路面的摩擦因数，如图5(b)所示.

图5 摩擦因数测试

2 结果与讨论

2.1 污染物的粒径分布

收集到的砂尘类污染物通过振动摇筛机进行初步筛分，得到不同粒径大小对应的质量分数，如图6所示.由A、B、C路段的污染物筛选结果发现，粉尘占砂尘类污染物的比例最大，达到50%～60%.c砂占20%～25%，b砂约占13%，a砂占3%～4%，砾石约占5%.可以得出结论，粉尘含量占到砂尘类污染物的一半以上，并且在砂尘类污染物中，粒径越小的颗粒所占比例较大.

图6 砂尘类污染物初步筛分结果

从西安市南二环路收集到的污染物大部分为粉尘，而实际影响路面抗滑性能的是这些粉尘的体积分数而不是质量分数.因此，采用激光粒度分析仪分析粉尘类污染物的体积分数φ，结果如图7所示.

图7 各路段粉尘激光粒度分析结果

图7中的结果显示从A、B、C 3段路上收集到的粉尘污染物粒径分布分别为0.418～549.496 μm、0.422～724.389 μm和0.051～137.965 μm.在分析C路段的粉尘粒径时，图7(c)中出现了一段粒径分布为0.051～0.355 μm的凸起，但这一粒径范围在路段A和路段B中没有出现.如图所示，3段城市道路上的粉尘污染物粒径分布大多集中在10～300 μm，其中占比最多的是粒径为50 μm左右的颗粒.但由于从单颗粒分析，粒径为50 μm的颗粒体积明显小于粒径为300 μm的颗粒，因此粒径为50 μm的颗粒数明显多于其他粒径的颗粒数.从上述分析可以得出结论，在实际城市道路中，砂尘类污染物主要由粒径为50 μm的粉尘所组成.

2.2 摩擦因数

摩擦因数是评价路面抗滑性能的一个重要指标.各种被污染路面的平均摩擦因数由T2GO系统测试得出.图8是在干燥情况下，污染物质量分数与平均摩擦因数的关系曲线.在干燥条件下，加入污染物之后路面摩擦因数开始降低，不同污染情况下路面摩擦因数均随污染物质量分数的增加而减小.无论粒径大小如何，摩擦因数从一开始的急剧下降到后来逐渐趋于平稳.当污染物质量分数达到80%～100%时，摩擦因数基本不变.

图8 5种粒径的污染物在干燥条件下质量分数与路面摩擦因数的折线图

当污染物质量分数相同时，随着污染物粒径的增大，摩擦因数的减小幅度也随之增大.在5类污染物中，粉尘对沥青路面摩擦因数下降的影响最小.但当污染物粒径达到0.6 mm以上，摩擦因数的差异变化不大.当污染物质量分数为100%，被粉尘和c砂污染的路面的摩擦因数降低了28%和42%，b砂、a砂和砾石的摩擦因数降低了52%～56%.当污染物质量分数相同时，污染物粒径大小对路面摩擦因数的影响也是不同的.从图8可以看出，当各污染物质量分数均小于10%时，粉尘和c砂的摩擦因数均小于b砂、a砂和砾石的摩擦因数.而当污染物质量分数大于10%时，粉尘与c砂的摩擦因数的下降速率降低，下降趋势趋于平缓，导致此时b砂、a砂和砾石污染物的摩擦因数低于c砂和粉尘的摩擦因数.

由于单颗大粒径污染物的体积明显大于单颗小粒径污染物的体积，当总体积相同时，前者的污染物颗粒数明显少于后者.在铺撒污染物的过程中，本研究发现在质量分数为10%的情况下，大尺寸的砾石只能散落在路面上，对路面抗滑性能影响不均匀，大粒径污染物的摩擦因数高于小粒径污染物的.随着污染物质量分数的增加，b砂、a砂、砾石的数量继续增加，对摩擦因数的影响越来越显著，但粉尘和c砂对道路摩擦因数的影响变化不大.因此，本研究发现当污染物质量分数大于10%时，大粒径污染物的摩擦因数急剧下降，但小粒径污染物的摩擦因数下降速度较慢，导致随着污染物质量分数的上升，大粒径污染物的摩擦因数低于小粒径污染物的摩擦因数.

通过污染物质量分数与实测摩擦因数的散点图，再进行曲线拟合，进一步分析了污染物质量分数与路面抗滑性能之间的关系.各曲线的拟合优度如图9所示.经过曲线拟合，得出拟合函数为渐近线型指数函数，曲线拟合收敛，且拟合优度均接近1.

图9 5种污染物与路面摩擦因数关系拟合曲线

相较于其他类型的污染物，粉尘与水结合会产生类似于泥浆之类的产物，对路面起到润滑的作用，严重影响抗滑性能[12-13]，本研究讨论了被8种不同质量分数2.5%、5%、10%、20%、40%、60%、80%和100%粉尘污染的路面在潮湿状态下的抗滑性能.潮湿与干燥状态下粉尘摩擦因数变化趋势不同.在不同降雨情况下，摩擦因数均呈现出先增大后减小后又略微增大的趋势，最终随粉尘质量分数的增加而趋于稳定，如图10所示.当粉尘质量分数为0时，路面上的污染物仅为雨水，此时摩擦因数较小；当粉尘质量分数略增时，粉尘进入路表面的空隙中，填充了一些细小的空隙，从而增加了车轮与路面的接触面积，导致摩擦因数上升；当粉尘质量分数增加到一定量时，粉尘与水混合形成泥浆，使轮胎打滑，摩擦因数开始下降；之后，粉尘质量分数继续增加，车轮直接与粉尘颗粒接触，摩擦因数略增后趋于稳定.

图10 不同降雨条件下粉尘质量分数与路面摩擦因数的关系

鉴于其他4种污染物在潮湿情况下摩擦因数变化趋势相似，此处以砾石为代表进一步分析.在潮湿条件下测量砾石质量分数为5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%时路面的摩擦因数，并绘制折线图，如图11所示.当砾石质量分数为5%时摩擦因数与无砾石时相似，之后摩擦因数随着砾石质量分数的增加而急剧下降，之后趋于平稳，这与粉尘污染物的趋势曲线不同，这是由于砾石和水混合没有形成泥浆.当砾石质量分数较低时，其分散在路表面，因此，砾石对摩擦因数的影响不显著；但当砾石质量分数达到10%左右时，摩擦因数急剧下降，此时大部分车轮与路面的滑动摩擦变为车轮与砾石的滚动摩擦，同时减少了车轮的实际接触面积，使得摩擦因数迅速降低；但之后随着砾石的增加，其对摩擦因数影响不大.

图11 不同降雨条件下砾石质量分数与路面摩擦因数的关系

接下来，分析不同降水量对被污染路面抗滑性能的影响.从图8和图11中可以看出，在干燥和小雨情况下，被砾石污染路面的摩擦因数基本相同，说明当降水量很小时，砾石质量分数对路面摩擦因数影响不大；当降水量达到中雨时，摩擦因数整体下降较为明显；降水量从中雨增大到大雨时，摩擦因数变化不大，这可说明只有当降水量达到某一范围时，路面摩擦因数才发生突变，这和水膜厚度与路面摩擦因数的关系是一致的[12-13].

3 结论和展望

(1)我国城市道路中的污染物大致可分为城市垃圾片状污染物、砂尘类污染物、雨水等其他液态污染物.本研究发现，粉尘类污染物(粒径小于0.3 mm)占砂尘类污染物的50%～60%，并且粉尘类污染物粒径主要集中在10～300 μm.

(2)在干燥状态下，随着砂尘类污染物质量分数的增加，路面摩擦因数呈现先快速降低，之后逐渐平缓的趋势，通过曲线拟合，得出污染物质量分数和摩擦因数呈指数型下降趋势，并且污染物粒径越大，摩擦因数下降的趋势越明显.即在城市道路中，路面的污染状况越严重，路面的摩擦因数越小.

(3)降雨条件下，不同粒径的污染物对路面抗滑性能的影响是不同的.随着小粒径污染物质量分数的增大，路面摩擦因数呈现先增大后减小的趋势，但随着大粒径污染物质量分数的增大，路面摩擦因数始终呈下降趋势.即在潮湿状态下，污染物会对路表面的抗滑性能造成更加严重的影响.

本文评价了污染物对沥青路面抗滑性能的影响，结论有助于了解污染物质量分数和类型与路面抗滑性能之间的关系.路面抗滑性能与轮胎性质、路面类型、环境情况、行车速度等因素有密切联系[14-16].后续可进一步开展不同测试速度下，污染物对不同类型路面抗滑性能以及表面纹理的影响.