弹性薄层自破冰路面施工检测方法探讨

2021-10-28樊孟孟臧晓宁

北方交通 2021年10期

刘奇，樊孟孟，彭春，闫朗，臧晓宁

(1.中交路桥建设有限公司北京市 100000;2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安市 710065)

0 引言

为长期有效地解决我国北方地区路面结冰，导致路面抗滑性能不足，影响交通安全的问题，并采用绿色环保的主动除冰雪方式。交通行业内的众多专家学者做了多方的探索研究，并于2020年底在甘肃渭武高速漳县段实施了500m的弹性薄层自破冰路面试验段，该试验段的成功铺设，在行业内主动除冰雪路面探索研究方向迈出了坚实的一步。

弹性薄层自破冰路面即是在不改变原路面状况的基础上加铺一层一定厚度的弹性功能层，该弹性功能层采用了相对于沥青路面柔性更大的橡胶混合料铺筑而成[1]，如图1所示。由于该弹性功能层较低的模量，在车载作用下，弹性功能层与冰层较大的变形差可使冰层破碎，从而实现“自破冰”的效果。渭武高速弹性薄层自破冰路面是我们国内首次该类型路面的应用探索，对于弹性薄层自破冰路面的具体应用性能及检测评价方法仍在探索实验中，旨在对该路面试验段的检测方法进行研究分析，为后期该路面结构的推广应用奠定基础。

图1 弹性薄层自破冰路面结构示意图

1 研究思路

弹性薄层自破冰路面是一种新型的路面结构形式，对该路面暂无成熟的检测评价方式，但无论何种路面结构对于道路基本的通行需求是必须符合相关规范规定的。但对于基本的路面使用要求，常规的沥青路面检测方式是否适用于弹性薄层自破冰路面仍需进行探索分析。通过梳理常规沥青路面的各种检测手段和方法，基于弹性薄层自破冰路面特性，兼顾弹性薄层自破冰路面的功能性开展分析研究，分别确定弹性薄层自破冰路面的抗滑性能、空隙率、平整度及厚度的检测方法。

2 检测方法

2.1 抗滑性能检测方法

路面正常服役状态下，行车安全主要决定于路面的抗滑性能，因此路面的抗滑性能检测评定至关重要，直接关系到道路运营安全。弹性薄层自破冰路面作为一种新型的路面结构尝试推广应用，对于基本的路面抗滑性能必须满足相关规范要求。

对于常规的沥青路面，目前路面抗滑性能的主要检测方法有以下几种[2-4]：

(1)摆式仪法。该方法主要是直接检测路面的抗滑系数，其工作原理即是将一个底端装有橡胶块的摆锤从一定高度自由摆下，然后摆锤下端的橡胶块与路面接触摩擦后摆回到一定高度。过程中由于摆锤底端橡胶块与路面的摩擦阻力的存在，使得回摆高度不同，从而通过不同的摩擦系数定量地评价路面抗滑性能。该方法是典型的定点式检测方法，操作简单，应用面广，特别适用于户外现场路面的检测。

(2)铺砂法。铺砂法是直接测量路面构造深度的方式，操作时将体积固定的规范要求的细砂在路面上摊铺为圆形，通过测量该圆的直径计算面，进而计算出相应的构造深度，用于间接的评价沥青路面的抗滑性能。

(3)横向力系数测定法。该方法检测时是将试验滚轮设定与行车方向形成一个角度，从而产生与试验滚轮平面垂直的横向阻力，该横向阻力与试轮承受的竖向荷载之比即为横向力系数，这种方法很好地表征了车辆实际制动或发生侧滑时的路面阻抗。

(4)激光构造深度仪是无损检测方法，其向路面投射光线并在另一个角度进行接收反射光来检测反射点的高度，计算出路面的构造深度。其可直接测量路表的构造(粗糙程度)，具有精度高、采集量大、便捷、快速等优点。

(5)数字图像法是依据王端宜发明的“应用数字图像技术评价路表面构造深度”技术装置，根据路面构造越深灰度值越大的相关关系，通过对路表成像，分析其灰度变化来反映抗滑构造的变化。该方法成本低，操作简单、便捷、精度高。

从路面抗滑性能形成机理分析，路面的抗滑性能决定于车轮与路面的接触状态，该接触作用一般表现为三种形式：车轮-路面摩擦，车轮-路面附着，车轮-路面相互作用。通过路面抗滑机理的分析可知单纯的检测路面的构造深度对于评价路面抗滑性能有失偏颇，且主要为针对沥青路面的经验性评价方法，不能涵盖所有路面形式。弹性薄层自破冰路面集料主要采用了轮胎的废碎颗粒，因此该路面材料与车轮材料同根同源，其“车轮-路面附着”及“车轮-路面相互作用”的效应可能更为突出，因此对于单纯的检测路面构造深度的方式显然不适用于评价弹性薄层自破冰路面的抗滑性能。摆式仪法和横向力系数测定法两种检测方法很好地模拟了实际的车轮-路面状态，对于反应弹性薄层自破冰路面抗滑性均有可行性，但相对来说摆式仪法为现行规范推荐检测方式，且设备小巧，操作简单，因此拟采用摆式仪法检测评价弹性薄层自破冰路面的抗滑性能。

渭武高速弹性薄层自破冰路面试验段铺筑养护后，采用摆式仪法对该路段进行检测评价，检测数据显示，该路段摆式仪数据均在60以上，如图2所示，说明弹性薄层自破冰路面的抗滑性能很好。这是由于弹性薄层自破冰路面集料主要为轮胎废旧颗粒，与摆式仪摆锤下端的橡胶块为同种材料，两者接触后其产生摩擦力的黏附力及滞后力均优于其它材料，因此最终的摩擦力表现较大。这种抗滑性能检测方式很好地模拟了车轮与弹性薄层自破冰路面的接触状态，对弹性薄层自破冰路面的抗滑性进行检测评价具有可行性。

图2 摆式仪检测弹性薄层自破冰路面抗滑性能

2.2 空隙率检测方法

弹性薄层自破冰路面目的旨在冬季路面结冰时在车载作用下实现自破冰，冬季该路面仍需确保较高的弹性，其路面的空隙率一定要低。如弹性薄层自破冰路面空隙率较大，在冬季很容易雨水渗入后结冰，从而使自破冰路面失去弹性，不再具有破冰效果，因此对于弹性薄层自破冰路面施工时一定要对其空隙率进行严格控制。

对于常规的沥青路面，目前空隙率的检测方法主要有以下几种[5-7]：

(1)实验测定法。实验法测定路面空隙率首先需要采用表干法测定吸水率在2%以上的沥青混合料芯样，然后通过计算可以得到沥青混合料芯样的空隙率。该方法虽然工作效率低，但检测精确度高。

(2)核子密度仪测定法。核子密度仪检测时通过铯137辐射的伽马射线进行密度测量，不同材料由于密度差异，吸收的伽玛射线就会不同，因此可通过伽玛射线的情况进一步计算得出路面的空隙率。这种方法对于路面没有损伤，检测方便快捷，但因为对人体有辐射，目前已很少有人使用。

(3)探地雷达测定法。路用探地雷达是通过地面上的发射天线向地下发射脉冲，当这些脉冲遇到地下介质或其他介质分界面，会产生反射，反射脉冲会被接收天线接收，主机将会记录下这些反射回的脉冲信号，然后进行数据处理，计算得出空隙率。目前这种方法检测方便快捷，但是对于检测数据与空隙率的转换推算还没有统一的标准，有通过波形图变化幅值推算的，有通过介电常数推算的。

(4)无核密度仪测定法。该方法主要是利用不同材料的介电常数不同会导致各路面面层的电容量不同，从而会产生发射电磁波检测沥青路面面层的电感值，然后利用仪器内部的电路信号转换来检测路面密度，最终通过统计数据计算出空隙率。该方法检测方便，但是后期数据处理工作量大。

(5)渗水系数测定法。渗水系数测定是采用专用检测装置，倒入定量的水，观察时间的变化装置的水量变化，从而定量描述单位时间内路面的渗水情况，间接地描述了路面的空隙率。

综上所述，对于上述沥青路面空隙率检测方法而言，实验测定法不满足现场检测的要求；核子密度仪测定法因其对人体的辐射而不推荐使用；探地雷达测定法和无核密度仪测定法前期检测方便，但后续计算工作量大，也不推荐使用；渗水系数测定法现场检测方便，数据直观可见，能够直接反应出路面的渗水情况，因此弹性薄层自破冰路面空隙率的检测选择采用渗水系数法测定。

通过对渭武高速弹性薄层自破冰路面渗水系数的测定显示，采用渗水系数法测定的弹性薄层自破冰路面渗水系数均在30mL/min以下，说明该路面空隙率相对较低。这主要是因为弹性薄层自破冰路面采用聚合物作为粘结材料常温施工，粘结材料可以充分地润湿集料表面，并渗透填充空隙，使得最终的空隙率很小，一定程度上确保了弹性薄层自破冰路面冬季低温时功能层的较好弹性。

2.3 平整度检测方法

沥青路面平整度检测方法主要决定于检测设备的不同，目前使用的路面平整度检测设备主要有以下四种：3m直尺，连续式平整度仪，激光路面平整度测定仪，车载式颠簸累积仪[8]。上述四种仪器对于弹性薄层自破冰路面的平整度检测均适用，本研究中为使用方便，现场检测中采用了3m直尺测定法，相关评价标准完全参照沥青路面检测验收标准。

2.4 厚度检测方法

常规沥青路面铺筑时，会提前测定标高，摊铺机严格“走线”施工，各层厚度相对较大，控制也比较精确。弹性薄层自破冰路面目前尚未有成熟的施工工艺，摊铺设备比较简单，厚度控制精确相对困难，同时弹性自破冰路面不宜铺筑过厚，厚度增加会导致行车阻力增大，油耗增高，因此对于该路面的厚度需要进行严格检测控制。现场测定中采用固定长度的钢针插入弹性自破冰路面，通过钢尺测定扎入路面前后的钢针长度差测定路面厚度，如图3所示。