高速公路沥青路面抗滑性能影响因素及衰减规律分析

2021-11-08沈小俊黄维蓉杨玉柱李铁军

公路交通技术 2021年5期

沈小俊，黄维蓉，杨玉柱，何静，宋涛，李铁军

(1.重庆市交通规划和技术发展中心，重庆 400060； 2.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074； 3.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074)

截至2020年，重庆高速公路通车里程已突破 3 400 km。随着经济建设的突飞猛进，高速公路的质量建设等级不断提高，交通流量大幅度增长，对路面行车安全提出了更高要求。沥青路面抗滑性能衰变是指沥青路面的抗滑性能随着沥青路面使用时间的增加而逐渐降低的过程。近年来，道路长期使用性能在道路建设和运营养护中日益重视。路面的抗滑能力是沥青路面长期使用性能的关键指标之一，研究沥青路面抗滑性能衰减规律非常重要[1-2]。本文通过理论分析和现场检测相结合的方法，研究沥青路面抗滑性能机理、影响因素，以及高速公路沥青路面衰减规律，提出保持沥青路面良好抗滑性能的措施。

1 沥青路面抗滑机理

沥青路面的抗滑性能主要受路面构造深度和摩擦系数的影响。路面构造深度是指在一定区域的路面上形成不均匀或起伏的开口孔隙的平均深度。开口空隙有利于排出路面表层水，降低路面水膜厚度，提高防滑性能；路面的摩擦系数是指车轮表面和路面两表面间的摩擦力与作用在其一表面上的垂直力之比值。它与路表的粗糙度有关，与接触面积的大小无关。根据物体接触相对运动的性质，可分为动摩擦系数和静摩擦系数，摩擦系数主要取决于路面集料的磨光值，要得到较好的抗滑性能就需要集料有较大的磨光值。不同的沥青路面纹理构造对路面抗滑性能影响不同。在实际工程中，为了便于研究路面构造深度对抗滑性能的影响，将沥青路面构造分为宏观构造和微观构造[3]。车轮与路面的摩擦系数、横向力系数由微观构造决定，车轮与路面之间的附着力由宏观和微观构造共同决定。

微观构造[4]是指路面与轮胎接触的骨料表面的微小构造，其垂直方向的波长为0.01 mm～0.2 mm，水平方向的波长为0 mm～0.5 mm。表面不均匀且充满微凸体的集料为路面提供了基本的抗滑力。集料间的间距越小、微凸体越尖，轮胎与路面的摩擦力就越大，更能保证行车安全。微观构造尖峰值是评价路面潮湿状态下抗滑能力的重要参数，在潮湿条件下微观构造尖峰可穿透水膜层，使轮胎与路面紧密接触并产生摩擦力，提高抗滑能力，防止车辆发生侧滑。在实践工程中，为保证沥青路面的抗滑性能，需要选择高质量的集料(高磨光值、高冲击值、低磨耗值)来提升路面的微观构造。

宏观构造[5]指的是沥青路面集料颗粒之间的空隙程度及由此产生的排水能力，空隙构造通常具有垂直方向波长0.2 mm～10 mm、水平方向波长0.5 mm～50 mm的表面纹理。与微观构造相比，它能直接反映路面的粗糙程度，主要由集料之间的空隙决定，且受集料的公称最大粒径、沥青混合料级配、油石比等因素的影响。同时，路面宏观构造又是沥青路面排水性能的重要影响因素，关系到路表积水的排出，这与车辆滑移等交通事故紧密相关。

2 影响沥青路面抗滑性能的内在因素

影响沥青路面抗滑的内在因素包括：沥青混合料类型、沥青及集料种类、施工工艺、运营养护管理等。

2.1 沥青混合料类型

目前常见的沥青混合料种类[6]有OGFC-13，SMA-13和AC-13。

OGFC-13是大空隙开级配排水式沥青混合料，混合料主要由粗集料镶嵌成，细集料和填料都较少，设计空隙率一般大于18%，路面结构层属于骨架空隙结构，具有粘聚力低，内摩擦阻力较大，整体稳定性良好，但耐久性较差的特点。此类沥青混合料空隙率大，可快速将路表积水排出路面，在抗滑、降噪以及抗车辙方面都有良好性能。

SMA-13沥青混合料，特点是集料各档用量间断，属于间断级配，其中粗集料用量较细集料多，沥青和矿粉用量多，混合料中添加纤维以提高混合料强度，整体结构属于骨架密实型级配。SMA级配沥青混合料的特性是混合料内部粘聚力以及内摩阻力较高，使用寿命较普通沥青混凝土路面高20%～40%，SMA路面的铺筑成本高于普通沥青混凝土约18%～23%，但因这种级配在各方面表现出了较好的性能，在桥梁桥面铺装、高速公路、交叉路口、重交通道路路面得到应用。

AC-13沥青混合料属于密级配沥青混凝土，即各档集料用量连续，逐级填隙，空隙率较小(3%～6%)，混合料结构为悬浮密实型，粘聚力较高，内摩阻力较小，混合料的耐久性能较好，但稳定性差，设计以及成型技术成熟，我国70%～80%一二级公路使用此种类型作为沥青路面的表层。在材料相同的情况下，级配对沥青路面的抗滑指标影响较大[7-8]，当粗集料的粒径大于4.75 mm的含量增多，其抗滑指标相对较高，在3种沥青混合料的实际使用情况中，应根据实际道路等级、环境选择合适的沥青混合料。

2.2 沥青

沥青在混合料中起到粘结集料的作用，使集料能有效地结合到一起，而沥青的种类和用量对混合料的抗滑性也有一定影响。沥青的种类决定了跟集料粘附性的优劣和沥青混合料的水稳性，良好的粘附性和水稳性也能保证路面抗滑性能不会因集料的剥落及发生各种水损害而下降。沥青用量对沥青混凝土路面的抗滑性能影响也非常明显，当沥青混合料内的沥青含量较少，不能较好地裹覆集料时，集料就容易发生松动脱落，导致路面抗滑性能下降；如果沥青用量过大，混合料内就会有大量的自由沥青，造成“泛油”的沥青膜现象，因此路表抗滑性迅速下降，同时在雨天时路表雨水不能及时排出，影响行车安全。

2.3 集料

集料的选择是路面建设中的关键环节。近年来有关学者研究表明，具有粗糙表面的集料碾压后能相互嵌挤形成很大的内摩擦角，所构成的沥青混合料与表面光滑的集料组合成的混合料相比有更好的抗滑性能和抗剪性能[9]。集料的磨光值决定了路面的微观构造，它能增加路面与轮胎之间的咬合程度，提升路表的抗滑能力，还能起到刺破水膜的作用，防止水滑现象。此外，集料中的针片状含量也会对沥青路面抗滑性能有一定的影响[10]，针片状含量越高，则压碎值、磨耗值越大。同时，矿质集料的硬度、耐磨性对沥青混凝土路面抗滑性能的影响更为显著，硬度较低、耐磨性较差的矿料虽然在路面施工初期也可形成较粗糙的表面，但经行车的不断碾压和磨耗，原来粗糙的表面很快就会被磨光，路面的抗滑性能将急剧下降，不能保证行车安全。因此，选择磨光值高，磨耗值、压碎值较小，针片状含量较小，且具有较好棱角性的集料，可有效提高沥青路面抗滑性能。细集料应与沥青有良好的粘结能力，形成的混合料才能有较好的水稳定性。与沥青粘结性能很差的天然砂砾和用花岗岩、石英岩等酸性石料破碎的机制砂及石屑不宜用于高速公路、一级公路沥青面层，而用于高速公路、一级公路沥青混凝土面层及抗滑表层的石屑用量不宜超过天然砂及机制砂的用量，使用时必须采用抗剥离措施。

2.4 施工工艺和运营养护管理

施工过程中的拌和、摊铺、碾压、成型均决定了路面的宏观构造，它不仅会影响车辆轮胎的变形特性，还会通过轮胎的变形和能量的释放影响摩擦力的大小，另外还会影响路表的排水泄水能力。养护管理也对沥青路面的抗滑性衰减有一定影响，在对沥青路面进行运营养护时，应及时清除路面空隙内的泥沙和路面的油污，填补坑槽及裂缝，防止集料大量脱落，导致路面抗滑性下降。

3 影响沥青路面抗滑性能的外在因素

影响沥青路面抗滑外在因素有车辆荷载与通车运行时间、路面纵坡及坡长、隧道内外、气候条件、交通量水平、温度等。

3.1 车辆荷载及通车运行时间

车辆荷载对沥青路面的抗滑性能影响较大，设计之初须考虑车辆荷载与实际运营的车辆荷载有一定的差异。另外，越来越多的超载交通事故说明，超载情况是影响沥青路面抗滑性能的重要因素之一。车辆荷载对沥青混合料路面抗滑力的影响主要表现在磨光作用和磨耗作用2个方面，随着路面使用时间的增加，集料表面会逐渐被磨光，混合料在车辆荷载作用下被不断磨耗，其表面的宏观构造逐渐被磨平，抗滑力下降。

整体上，沥青混凝土路面的抗滑性随通车运行时间的增长而衰减，主要是沥青混凝土路面通车后，表面丰富的纹理会逐渐被磨掉，集料的磨光值随通车运行时间的延长而变小，故路面的抗滑值不断变小。

3.2 路面纵坡及坡长

车辆在路面纵坡上行驶时需通过制动来调整速度。汽车在制动时，其轮胎与路面之间的摩擦形式从滚动摩擦变为滑动摩擦，增加了轮胎与路面之间的摩擦力，同路段长时间持续此状况也会导致路面抗滑性下降。肖鑫[11]依托四川雅安至泸州高速公路为实体工程，对该线路路面长大纵坡的受力特点、车辆行驶对路面的作用特点进行了分析，研究表明纵坡会引起路面有水平分力，并随车辆制动时水平分力迅速增大，且由于超长连续下坡长，车辆处于制动状态时间长，加速了路面的抗滑性能衰减。谷远征[12]基于重载长大纵坡抗滑性能衰减的机理研究表明，车辆在纵坡制动时，车辆水平分力会增大，引起路面抗滑性能衰减。

3.3 隧道内外

隧道内外温度差异较大，洞内易出现结构性渗水，湿度较大，路面长期受潮湿环境影响。加之隧道为相对封闭环境，汽车排放的尾气、路面油污不能及时完全排放到洞外，在路表形成一层油膜，使得洞内路面的抗滑力下降；另外隧道内外车速相差较大，车辆需不断制动控制车速，洞内路面表层混合料被不断磨耗，路面的抗滑力下降。同时，重车在制动时喷洒水也会使隧道内的路面长期湿滑。日常养护管理中，一些长大隧道的排水设施和结构性渗水得不到及时修护，路面的油污不能及时清除，洞内路面养护不到位，也会致使路面的抗滑力不断下降。

3.4 季节气候条件

据有关部门统计，夏季因路面抗滑力不足诱发交通事故最多，有研究发现沥青混合料的摩擦力在冬季达到最大值，夏季为最小值，这说明季节对路面抗滑特性有着明显影响。沥青混合料会随着温度的升高而变软，在车辆荷载作用下，其表面会发生一定的不易觉察的流动，导致表面的宏观构造改变。夏季路表的平均温度比冬季高，沥青混合料更易变形，集料的棱角在车辆荷载作用下更易移位，形成一个较平整的表面。冬季则相反，集料的位置不易改变，混合料表面的宏观构造更为粗糙，沥青混合料的摩擦力冬季较夏季大。

3.5 酸雨

周兴林等[13]研究了酸雨对石灰岩沥青混合料抗滑性能的影响。试验采用不同周期、不同酸度的人造酸雨作为环境因素，将石灰岩混合料试件浸泡，并分析了酸雨对其的腐蚀机理，认为在腐蚀过程中首先与集料反应，使得沥青膜剥落，随后在加速加载试验下，集料被磨耗。利用加速磨光试验进行轮载作用后测试BPN值，结果表明酸雨环境下，SMA-13类型的抗滑性能衰减速度弱于AC-13型。

4 高速公路抗滑性能衰减规律分析

SCRIM横向力系数测试系统的工作原理为：与行车方向成20°偏角并承受一定垂直荷载的测定轮，以一定速度行驶在潮湿路面上，测试轮胎所受到的侧向摩擦阻力与垂直荷载的比值，称为横向力系数(SFC)。采用SCRIM横向力系数测试系统对6年间(2014年—2019年)万州—巫山高速公路(桩号K1281+000～K1412+000)、黄草—洪安高速公路(桩号K1743+900～K1996+000)、界石—黄草高速公路(桩号K1591+100～K1743+000)、中渝绕城路(桩号K0000+000～K0185+000)4条高速公路的抗滑性能进行跟踪观测。4条高速路段上行与下行方向每隔20 m采集一个横向力系数进行统计分析，横向力系数代表值见图1。

万州—巫山高速公路2014年建成通车，路面结构为4 cm改性沥青(AC-13C)+6 cm沥青混凝土(AC-20C)+6 cm沥青混凝土(AC-20C)+20 cm水泥稳定碎石基层+20 cm水泥稳定碎石底基层+20 cm石灰粉煤灰稳定碎石垫层，该路段2019年统计平均日交通量约20 171辆/d，见图1(a)。

黄草—洪安高速公路具有交通量大，重车多，长下坡路段长，长大隧道多，弯道多，天气条件较恶劣的特点，尤其是K1886～K1894段，冬季路面常常结冰，影响行车安全。原路面采用级配相对较细的AC-13C细粒式改性沥青混凝土面层，集料为石灰岩碎石。该路段2019年平均日交通量约77 151辆/d。该路段在2019年进行了加铺1.0 cm微表处的路面养护处理，见图1(b)。

(a) 万州—巫山高速公路

(b) 黄草—洪安高速公路

(d) 中渝绕城路

界石—黄草高速公路具有交通量大(2019年日交通量约为76 044辆/d),重载、超载车辆占比大，长下坡较长，长大隧道较多，弯道多，天气状况恶劣等特点。路面结构层厚度为18.0 cm，采用(4+6+8) cm结构，仅面层采用改性沥青，中、下层沥青混凝土采用普通沥青混凝土。分别在2011年、2014年进行了路面病害维修处治，2015年对部分路段进行了预养护处理(加铺1.0 cm微表处)，见图1(c)。

中渝绕城路主线路基段路面设计结构为4 cm改性沥青玛蹄脂碎石(SMA-13)上面层+6 cm改性沥青混合料(SUP-19)中面层+8 cm沥青稳定碎石(ATB-25)下面层+8 cm沥青稳定碎石(ATB-25)粘结层+19 cm水泥稳定碎石基层+18 cm水泥稳定碎石底基层+20 cm水泥稳定碎石垫层。该路段年平均日交通量约82 300辆/d，在2014年对该高速部分路段进行了预养护处理(加铺1.0 cm微表处)，见图1(d)。

从图1可知，4条高速公路的横向力系数都呈先增后降趋势。图1(a)中，万州—巫山高速路建成通车2年内SFC出现增加，之后呈单调降低趋势，表明抗滑性能在开始的2年内出现小幅度增加，在以后几年内表现为衰减；图1(b)中，黄草—洪安高速路2015年相对于2014年SFC出现显著升高的趋势，在2015年—2018年，其SFC为单调减小，在2019年加铺1.0 cm微表处理后SFC出现小幅增加，但其数值相对于2015年—2016年仍然较低，表面抗滑性能在起始1年出现增加，但在以后几年内出现大幅度衰减；图1(c)中，界石—黄草高速公路抗滑性能在通车后2年内(2014年—2015年)会有小幅度增加，在2016年—2018年为降低，抗滑性能表现为单调衰减，在2019年进行了预防性养护加铺处治，其SFC出现增加；图1(d)中，中渝绕城路SFC在通车3年内呈小幅度增加，2016年后出现下降，表明此高速路在养护后2年内抗滑性能变化较小，在2年后抗滑性能出现衰减。

以上4条高速路通过SFC检测数据表明，路面抗滑性能基本都在竣工或养护后2年内出现上升或持平，在2年后出现下降。抗滑性能增加主因是高速路在竣工或养护后，交通量相对较小，路面沥青膜尚未脱落，在车辆轮胎抽吸作用下，宏观构造深度增大，致使SFC测试结果增大；另外，通车初期，粗集料磨耗较少，纹理尚存，路面抗滑性能好。通车运营几年后，随着交通量持续增大，车辆荷载增加，沥青膜被磨耗变薄或脱落，粗集料表面磨光，路面经过几个高温季节的荷载作用、路面磨耗、宏观构造深度衰减，路面抗滑性能急剧下降。