沥青路面抗滑性能影响因素研究

王晓艳

(南宁市公路发展中心，广西 南宁 530001)

0 引言

随着交通强国战略的实施及区域间交流需求的日益增长，近5年我国平均年增公路里程达12.54万km，截止至2021年累计公路里程达501.25万km。伴随公路总里程增长的是交通事故率的攀升，2020年我国因雨、雪等极端天气导致路面抗滑性能降低，车辆转向困难、制动距离加长，因此事故死亡人数与前一年相比上升13.3%[1]。随着大众对道路交通安全的重视，沥青路面抗滑研究成为道路研究者的重要课题之一。本文从抗滑性能影响因素出发，剖析路面抗滑性能不足的原理，以期为提高道路安全性研究提供理论基础。

行车荷载反复作用，导致其构造深度逐渐减小、表面集料被磨光，是沥青路面抗滑性能下降的两个主要原因，目前主流的抗滑性能检测技术也是针对这两个因素进行路面测试[2]。本文从沥青混合料材料内因及沥青路面使用环境两个角度，在实验室内通过对轮碾法成型车辙板试件进行抗滑值BPN和构造深度TD测试，研究沥青路面在不同集料类型、级配、环境温度及湿度条件下抗滑性能变化特征及规律。

1 沥青路面抗滑性能评价方法与试验方案

1.1 沥青路面抗滑性能评价方法

本研究拟定的研究因素有集料类型、混合料级配、环境温度及湿度，由于自然环境温度、湿度、路面服役年限、结构类型等因素多样化，在现场路面展开研究不易控制试验因素与变量水平；而室内沥青路面模拟试验具有便捷性高、研究因素与变量水平可定量控制等优点。本研究依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0703-2011，采用轮碾法成型的车辙板试件模拟实际沥青路面并对沥青路面的抗滑性能进行评价。

1.2 沥青路面抗滑性能检测技术

沥青路面抗滑指标主要为抗滑值BPN、构造深度TD两项，现行《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450-2019)中对BPN要求采用摆式摩擦仪法测定，TD采用手动铺砂法测定。为避免集料分布不均匀导致的测试误差，对车辙板试件进行检测试验时，在试件中心位置用粉笔画一个11 cm×6 cm的测试区域，对测试区域重复进行5次测量，取结果均值作为抗滑性能评价值，每种试验因素制备4块试件，编号为A、B、C、D，进行重复试验。

2 沥青路面集料类型、级配对抗滑性能的影响

2.1 集料类型

大量实测资料表明沥青路面抗滑性能与路面摩擦系数存在直接联系，而构成路面的集料自身的粗糙表面在路表构成细纹理，使轮胎与路面保持基础摩擦接触，从而保证沥青路面在低速条件下的基本抗滑能力，本文试验选用石灰岩、花岗岩、玄武岩三种集料[3]，采用AC-13型级配制备试样。具体抗滑性能测试结果如表1、表2所示。

(1)玄武岩制备的试件抗滑性能较好。由表1可知，花岗岩、石灰岩、玄武岩抗滑值逐渐增加。这是因为玄武岩物理特性呈细粒结构，而细粒结构的岩石之间表面接触较大，抵抗磨耗能力较强，可提高BPN值，从而提升路面抗滑性能，因此沥青路面集料类型应首选玄武岩制备混合料。

(2)坚硬的集料对减小试件构造深度有利。既有研究表明花岗岩、石灰岩、玄武岩的母岩饱和单轴抗压强度Rc均>50 MPa，其耐磨性(PSV)、坚固性较一般量砂大，三种集料类型试件TD值分别为0.62、0.63、0.62，三者差异不大，说明坚硬母岩得到的集料有利于提高沥青路面抗滑性能。

表1 不同集料类型试件BPN测试结果表

表2 不同集料类型试件TD测试结果表

2.2 混合料级配

沥青混合料抗滑性能除受集料表面细纹理影响外，按一定级配构成的集料在沥青混合料表面形成凹凸不平的粗纹理对抗滑性能亦有较大影响，合理的集料类型、粗细占比能同时提供较大的摩擦系数和快速排水能力。为分析不同占比粗细集料形成的粗纹理等因素对沥青混合料抗滑性能的影响，本文根据前文试验结果选取玄武岩作为集料，配合比采用AC-13，调整集料占比制备沥青混合料并进行BPN、TD测试，具体配合比及级配分布曲线如表3、图1所示，配合比与BPN、TD的关系如图2所示。

表3 三种混合料级配表

图1 三种混合料级配分布曲线图

图2 三种配合比方案与BPN、TD的关系曲线图

表4 不同粒径集料占比试件的BPN测试结果表

表5 不同粒径集料占比试件的TD测试结果表

(1)如图2所示，粗集料占比最大的配合比3制备的试件BPN最大，抗滑性能较好，粗集料占比从配合比1到配合比3逐渐增加，对应试件BPN逐渐增大，主要原因为配合比3中粗集料相对较多，较多的粗集料构成的粗纹理面积较大，有利于增加橡胶块在摆动过程中与试件表面的接触时间和接触面积，对应得到摩擦系数更大。

(2)由表4及表5可知，TD随混合料中粗集料通过率增加而加深。这是因为不同粒径集料表面接触点相对较多，容易形成骨架嵌挤结构，因而混合料空隙增加，导致车辙板试件表面构造深度也就越大。因此合理增加混合料中粗集料的占比有利于提高沥青表面粗纹理面积、骨料间隙，用其铺筑的沥青路面抗滑性能也就越好[5]。

3 沥青路面环境对抗滑性能的影响

3.1 路面温度

既有资料指出当路面温度上升1 ℃则摩擦系数下降0.01，本文根据广西区域气候环境，选取温度为5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃，研究温度变化与沥青路面抗滑值BPN的关系[4]。不同温度下BPN测定结果如表6所示，BPN随温度变化曲线如图3所示。

表6 不同温度下试件抗滑值BPN测试结果表

图3 抗滑值随温度变化曲线图

由图3可知，试件抗滑性能呈随温度升高而减小趋势，但不同温度区间下不同试件的BPN降速不一致：在0 ℃～10 ℃，试件C、D降低速率为0.0～0.2，而试件A、B为0.2～0.4；在10 ℃～40 ℃各试件降低速率均值为0.5，这是因为制备车辙板试件所用的材料在低温下硬度较大，这是物理特性导致试件表面摩擦系数比常温下大，而随着温度升高，这种物理特性发生改变，试件表面摩擦系数减小，试件抗滑值也随之减小。因此沥青路面在高温时应注意养护，以减少交通事故。

3.2 路面湿度

本节从湿度对抗滑性能的影响进行研究。湿度范围控制在10%～100%，采用摆式摩擦仪橡胶块与车辙板试件进行反复摩擦，模拟现场沥青路面湿度，在实验室内温度调节为标准温度20 ℃，每隔10%湿度测定一次抗滑值，研究湿度变化与抗滑值关系。不同湿度下车辙试件抗滑值测定结果如表7所示，抗滑值随湿度变化曲线如图4所示。

表7 不同湿度下试件抗滑值BPN测试结果表

由图4可知，车辙板试件的抗滑性能随湿度增大而减小，且BPN降低速率在不同湿度区间存在明显区别：湿度由10%提高到50%，BPN均值由48降低至46，降低速率仅为0.0～0.2，表明在该区间范围内试件表面尚未形成水膜，橡胶块与试件摩擦界面仍保持较完整接触，试件仍具备较优抗滑能力；当湿度由50%提高到80%，BPN均值由46急剧降低至37，最大降低速率达到0.4，试件表面积水已形成连片水膜，降低了橡胶块与试件摩擦界面实际接触面积，造成试件抗滑能力急剧下降；当湿度超过80%，BPN均值由37降低至34，降低速率为0.0～0.2，表明试件表面水膜厚度增加仍会降低抗滑能力，因此沥青路面排水设置应重点关注单位时间内的排水能力，尽快疏排表面积水以避免路面积水过多。

图4 抗滑值随湿度变化曲线图

4 结语

为探究沥青路面抗滑性能影响因素，通过改变集料类型，混合料级配及控制环境温湿度模拟试验条件展开研究，得出结论如下：

(1)玄武岩制备的沥青混合料抗滑值高于石灰岩和花岗岩的抗滑值，使用玄武岩铺筑沥青路面其抗滑性能更好，可推荐沥青路面上面层采用玄武岩集料。

(2)混合料中粗集料占比较大，其碾压成型的车辙板试件抗滑值和构造深度也就越大，用其铺筑的沥青路面抗滑性能也就越好。

(3)车辙板试件的抗滑值随着湿度升高而逐渐减小，沥青路面抗滑性能也随其减小，湿度在50%～80%时，抗滑值减小速率较快。