刻槽沥青路面抗滑性能分析

代 思 杨孝思 谭祺琦

（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）

随着运输需求的增长与高速公路总里程的增加，交通事故发生率也逐渐升高。交通事故的产生与人、车、路和环境有关，其中道路状况是影响行车安全的主要影响因素，包括路面的抗滑性、平整度、噪声以及反射特性等方面[1]。在诸多影响因素中路面抗滑性直接影响着行车安全[2]，路面的微观与宏观构造特征可提高其抗滑性能，微观构造提高了轮胎与路面的啮合程度，当路面干燥且车速较低时对路面抗滑起着主导作用；宏观构造可排出车轮与路面间的动水力，当路面潮湿且车速较高时能有效提高路面抗滑性[3]。沙庆林[4]通过分析构造深度与横向力系数发现，横向力系数随着车速增加而减小的幅度会随着路面构造深度的增加而降低。杨军[5]等通过数值模拟发现大构造深度对干燥与潮湿路面的抗滑性能均有利。

提高沥青路面抗滑性能的措施有加铺沥青抗滑层、工艺型抗滑封面结构以及表面纹处理。机械刻槽工艺是表面纹处理措施中的一种，主要是采用机械在沥青面层切割出规则的纹理，以此提高路面的抗滑性能。刻槽工艺操作便捷、成本较低，能有效提高路面抗滑能力，对于旧路面也可采用刻槽工艺来恢复其抗滑性能。路面刻槽技术在水泥混凝土路面上已有较为广泛的应用，美国和日本等国家也将此工艺用于沥青混凝土路面上，并有效提高了路面抗滑性能。20 世纪50 年代人们发现路表构造深度直接影响着湿滑路面的行车安全，但缺乏有效措施来增加其构造深度[6]。早坂保则发现沥青混凝土路面刻槽的槽深度比槽密度对抗滑性能的影响更大，Alex 提出刻槽的耐久性与沥青种类以及集料特性有关，郝培文结合日本刻槽沥青混凝土道面进行了系统研究[7]。我国在1991 年研制了第一台电动刻槽机[8]，李波通过研究水泥混凝土路面刻槽与抗滑性能，提出了水泥混凝土路面的最优刻槽组合[9]。路面刻槽工艺能有效地提高路面抗滑性能，相比于水泥混凝土路面，路面刻槽工艺在沥青混凝土路面上应用得还较少。本文通过对不同类型沥青混合料进行刻槽处理，分析其在不同刻槽参数与不同温度等条件下的抗滑性及其耐久性，进而推荐适宜的刻槽参数。

1 原材料与试件制备

1.1 原材料

试验中所需的集料采用花岗岩，需整洁、干燥、坚硬且无杂杂质，按《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2019）测定集料特性指标均满足要求，其中压碎值为19.2%，针片状含量10.4%，坚固性5.0%，吸水率0.91%。沥青选用基质沥青与SBS 改性沥青，其技术性能试验结果分别是针入度35.4 与44.8、延度36 与40.4、软化点72.0 与53.5 等。

1.2 级配

试验所采用两种级配类型进行比较，其级配如表1 所示。试验方案如表2 所示。

表1 各级配中值通过率百分率（%）

表2 试验方案组合

1.3 试件制备

采用马歇尔设计方法确定表2 中各方案沥青混合料的最佳油量，制作尺寸为300mm×300mm×50mm 的车辙板。脱模后用粉笔在车辙板表面确定刻槽位置，用手持式砂轮对其进行刻槽，刻槽完成后用小刷子将槽中的灰尘扫净，并用水冲洗试件至干净无杂物，晾干备用。

2 沥青路面刻槽耐久性

沥青混凝土路面上的刻槽会在高温与车辆荷载的作用下产生变形，例如刻槽在竖向上被压缩导致槽体积的缩小，或是槽产生横向变形导致槽原有的宽度变窄。为得到沥青路面刻槽的耐久性，需测定槽在高温车辙试验下的闭合变形状况，在刻槽中灌入标准砂，如图1 所示，利用试验前后槽内灌砂的体积变化来表示其变形程度。

图1 刻槽体积测量灌砂区域50mm

制作刻槽深度和宽度为6mm，槽中心间距为35mm 的试件，灌砂测试件中心宽50mm 区域的槽体积，再将试件置于60℃恒温箱内保温6h 后进行车辙试验，测定碾压200、500、1500、3000、5000 次后刻槽的体积变化。灌砂时用适宜尺寸的硬纸块卡在每条槽测量区域的边界上，以保证测量的体积始终在其区域内。分别对比沥青相同时最大粒径对刻槽高温性能的影响（方案1 与方案2），级配相同时沥青类型对刻槽高温性能影响（方案2 与方案3），试验结果如图2 所示。

图2 车辙试验结果

由图2 可知，随着碾压次数增加刻槽体积变化逐渐增大。在各种碾压次数下，沥青混合料最大公称粒径为AC-16 的体积变化率始终比AC-13 更小，公称粒径大的槽的高温性能更好；改性沥青混合料刻槽的高温性能优于普通沥青，使用改性沥青能有效提高沥青路面刻槽的高温耐久性。

3 合理刻槽参数确定

3.1 刻槽参数取值

沥青路面刻槽时需要确定其刻槽形状、槽中心间距、槽宽度、槽深度、槽走向等参数，为得到抗滑效果与耐久性较好的刻槽形式，对各种刻槽参数组合下的试件进行高温车辙试验与抗滑性能试验，从而确定合理的参数。结合现有实验室中刻槽刀片的形状条件，选择刻槽形状为矩形；文献10 模拟计算了路面横向刻槽与纵向刻槽的摩擦系数，提出刻槽后路面抗滑能力有显著提高，其中横向刻槽的抗滑性能更好[10]。后续试验中考虑刻槽走向为横向，槽宽度和深度取值为2、4、6mm，刻槽中心间距取15、25、35mm。

3.2 刻槽沥青路面抗滑性

拟定的刻槽宽度与深度的变化值均较小，分析在三种宽度和深度相同组合时刻槽间距为15mm、25mm、35mm 下的刻槽的抗滑性能，通过人工铺砂法与摆式摩擦仪测定其构造深度与摩擦系数，结果图3 所示。为分析刻槽参数对槽耐久性的影响，将各试件保温至60℃测定其在车辙试验仪碾压后的体积变化率，结果如图4 所示。

图3 刻槽参数对抗滑性能影响

图4 刻槽参数对耐久性影响

由图3 可知，试件的摩擦系数与构造深度均随着刻槽间距的增加而减小，随刻槽宽度与深度的增加而增大，且槽宽度与深度达到4mm 后对摩擦系数与构造深度的影响更为显著，刻槽间距达到25mm 后对摩擦系数的影响更大。因此相同间距时增加刻槽宽度与深度，或是缩小槽中心间距是有利于提高抗滑性的。因此推荐刻槽的宽度与深度尺寸为6mm。

由图4 可知，当刻槽的宽度和深度保持不变时，（转下页）在各种碾压次数下槽中心间距越大槽体积变化越小，即刻槽的高温耐久性越好；当槽中心间距一定时，刻槽的宽度与深度越大其高温性能越好。结合刻槽抗滑性与高温耐久性的分析，推荐沥青混凝土路面的刻槽尺寸为6mm×6mm×35mm。

4 结论

沥青混凝土路面刻槽能有效提高其抗滑性能，沥青混合料的集料级配与沥青类型会影响刻槽的耐久性，刻槽宽度、深度、间距等参数对其抗滑性与耐久性均有一定程度影响，通过室内高温车辙试验与抗滑性能试验分析得到如下结论：

4.1 AC-13 与AC-16 相比，最大公称粒径大的沥青混合料刻槽的高温耐久性更好；普通沥青与改性沥青相比，改性沥青混合料刻槽的高温耐久性更优。选择大公称粒径与改性沥青做沥青混合料对提高刻槽的耐久性是有益的。

4.2 拟定刻槽的宽度和深度为2、4、6mm，间距为15、25、35mm，试验分析得到沥青混凝土刻槽的宽度越大，其抗滑性能越高，推荐槽尺寸为6mm×6mm。

4.3 对不同尺寸的刻槽进行高温性能试验，得到槽的尺寸越大其高温性能越好，刻槽间距越大其高温性能越好。建议刻槽参数为6mm×6mm×35mm。