李志強

(山西省交通科學研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西太原 030006)

0 引言

公路路面抗滑性能直接影響到行車的安全性，路面摩擦系數(shù)是表征路面抗滑性能的指標，即路面能否提供防止車輛輪胎滑動和減少制動距離的能力。根據(jù)摩阻力檢測方式的不同，摩擦系數(shù)分為制動力系數(shù)和橫向力系數(shù)2種。制動力系數(shù)只能表明車輛制動距離的長短，而橫向力系數(shù)不僅能夠體現(xiàn)車輛制動距離長短，還能夠表征路面防止車輛側(cè)滑的能力?！豆芳夹g(shù)狀況評定標準》(JTG H20—2007)采用橫向力摩擦系數(shù)SFC(Side-way Force Coefficient)作為檢測指標，并通過SFC計算路面抗滑性能指數(shù)(SRI)。路面構(gòu)造深度TD(Texture Depth)是路面粗糙度的重要指標，指一定面積的道路表面凹凸不平的開口孔隙的平均深度，主要用于評定路面表面的宏觀粗糙度、排水性能及抗滑性能。構(gòu)造深度可采用人工鋪砂法檢測，也可以采用激光進行快速檢測。

黃寶濤［1］開展了瀝青路面抗滑性能定量評價方法研究，通過離散型外露尺寸函數(shù)研究瀝青混合料表面微觀凹凸的隨機分布特征，推導出了相關(guān)計算方法，得到了微觀凹凸分維數(shù)值與路面抗滑性能具有單調(diào)遞增的一致相關(guān)性結(jié)論;但該研究僅從混合料的微觀結(jié)構(gòu)對混合料抗滑性能進行研究，是一種間接的判定方法，未考慮瀝青混合料的宏觀構(gòu)造及輪胎與路面接觸條件對路面性能的影響，不宜廣泛應(yīng)用于實際檢測工作中。吳晶等［2］開展了路面抗滑值測定方法對比及相關(guān)關(guān)系分析，對BPN(路面表層擺值)與SFC之間的相關(guān)關(guān)系進行了回歸計算，得到了線性方程;但此方法在實際運用過程中具有一定局限性，原因是擺式儀測試為縱向(平行行車方向)，而橫向力系數(shù)測試為橫向(垂直行車方向)，對于新建路面，兩者差異較小，但對于舊瀝青路面，兩者差異較大，不具有廣泛應(yīng)用性。

橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度是目前主要采用的路面抗滑性能檢測方法，構(gòu)造深度是保證路面抗滑性能的前提，橫向力系數(shù)是路面抗滑性能的直觀反映，均是驗收評價的重要指標，具有不可替代的重要性［3-4］。本文將重點對橫向力系數(shù)測定方法和構(gòu)造深度測定方法的準確性、穩(wěn)定性進行研究，對橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度指標的相關(guān)性進行分析。

1 瀝青路面抗滑性能測試方法

1.1 橫向力系數(shù)測試方法

橫向力系數(shù)測試可采用雙輪式橫向力檢測設(shè)備，測試輪與車輛前進方向成15°角。牽引車輛帶動測定儀器向前行駛時，測試輪呈現(xiàn)“外八字”狀態(tài)，測試輪之間產(chǎn)生橫向拉力，橫向拉力由拉力傳感器測量，其大小與路面和輪胎之間的摩擦系數(shù)成正比。計算兩測試輪合成拉力與兩測試輪作用在地面上的垂直荷載的比值，可得出橫向力摩擦系數(shù)。測試速度一般為50 km·h－1，可采用水罐車作為儲水裝置及拖車，測定儀從拖運平臺卸下后拖掛于車后方，接通數(shù)據(jù)及噴水管即可使用。測試前需預(yù)先對路面進行灑水，模擬路面抗滑環(huán)境最不利條件，要求水膜具有一定的厚度。

為驗證橫向力測試設(shè)備檢測結(jié)果的準確性，選定5條已知橫向力系數(shù)的標準路段路面進行重復(fù)性試驗，每次測試的速度和灑水量保持不變。通過與標準路面進行試驗對比，得到雙輪式橫向力系數(shù)測值與已知路面SFC值的相關(guān)性，見式(1)。測試速度范圍為40～60 km·h－1，結(jié)果證明橫向力系數(shù)測試結(jié)果與標準路面SFC值具有較好的相關(guān)性。

式中:y為SFC值;x為Mu-Meter(雙輪式橫向力系數(shù))測值;R2為相關(guān)系數(shù)。

為檢測橫向力測試設(shè)備測試結(jié)果的穩(wěn)定性，采用雙輪式橫向力測試儀對5段不同路面進行了重復(fù)性檢驗，每段路面重復(fù)檢測5次，檢測結(jié)果見表1。結(jié)果表明橫向力測試系統(tǒng)變異系數(shù)小于5%，具有較好的測試穩(wěn)定性。

表1 橫向力系數(shù)重復(fù)性試驗結(jié)果

目前瀝青路面橫向力系數(shù)要求最小值為0.45，通過對以上數(shù)據(jù)的分析可知:測值越小變異性越大，測值越大變異性越小;當測值超過0.40時，變異系數(shù)小于2.50%，可滿足使用要求。

測試速度對橫向力系數(shù)的結(jié)果有一定影響，在路面抗滑性能較差時，為保證檢測設(shè)備的安全，防止發(fā)生側(cè)翻，需降低速度進行檢測。為得到橫向力測試設(shè)備測試結(jié)果與測試速度的相關(guān)性，對同一段路面采用不同速度進行橫向力系數(shù)檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 不同檢測速度下橫向力系數(shù)試驗結(jié)果

由表2可知，當檢測速度大于10 km·h－1時，橫向力系數(shù)測值與檢測速度成反比，如圖1所示。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要為:測試速度增大時，測試輪與路面的接觸時間縮短，輪胎對路面的壓力減小，在路面固有摩擦系數(shù)一定的情況下，路面對輪胎的滾動摩擦力降低，導致測值降低;同理，在測試速度降低時測值增大。

圖1 檢測速度與橫向力系數(shù)的關(guān)系

1.2 激光構(gòu)造深度測試方法

宏觀紋理波長在0.5～50 mm內(nèi)，這種波長范圍的路面構(gòu)造振幅通常為0.1～20 mm，波長恰好隨輪胎接地單元的尺寸而變化。為滿足路表排水和抗滑的需要，這種路面構(gòu)造深度通常被要求設(shè)計為特定范圍內(nèi)的值，如中國高速公路路面構(gòu)造深度要求在0.7～1.1 mm之間。這種路面構(gòu)造主要通過集漿比或者特定的表面處治技術(shù)來控制［5］。

從路面設(shè)計和結(jié)構(gòu)角度來看，路面抗滑性能的優(yōu)劣主要取決于路面紋理形貌特征。激光構(gòu)造深度測定適用于測試瀝青路面表面的平均斷面深度(MPD，記作DMP)，從而評價路面表面抗滑及排水能力，適于檢測新建路面而不適用于路面坑槽較多、顯著不平整或路面裂縫較多的路段［6］。

激光構(gòu)造深度檢測是隨車輛前進路線的線狀帶檢測，與鋪砂法檢測(路面某面積范圍內(nèi))有一定的區(qū)別;且線性檢測的構(gòu)造深度大小與車輛行駛于車道的橫向位置及激光檢測儀安裝部位有一定關(guān)系，對于舊瀝青路面，輪跡帶處構(gòu)造深度值一般小于非輪跡帶處。在進行對比試驗時，無法精準確定兩者的關(guān)系，僅能在激光探頭的行進路線處用手工鋪砂法測定構(gòu)造深度進行比對。為建立兩者的相關(guān)關(guān)系，可選定已知構(gòu)造深度的路段進行測試，標準路段不易選取時，可在同一舊路橫向構(gòu)造深度差異的路段(如車道中心、輪機帶、硬路肩等)、重載交通的上坡路段(構(gòu)造深度較小)、新建路面路段(構(gòu)造深度較大)進行測試對比。

為檢測激光構(gòu)造深度測試結(jié)果的準確性，通過激光構(gòu)造深度測值(設(shè)備輸出值為平均斷面深度及其均方根 RMS)與標準值(傳感器測量構(gòu)造深度SMTD，記作DSMT)進行對比，得到測試結(jié)果的相關(guān)性如下。

由式(2)、(3)可知，激光結(jié)構(gòu)構(gòu)造深度檢測結(jié)果與標準值具有較高的相關(guān)性，可通過公式進行測值修正后使用。

2 瀝青路面抗滑性能不同測試方法對比分析

2.1 不同抗滑性能測試方法對比試驗

對比試驗選擇在100 m長的勻質(zhì)瀝青路面路段進行，測試區(qū)間避開瀝青路面縱向接縫處及路面離析、坑槽、泛油、修補、拱起、車轍病害處，測試寬度不小于橫向力系數(shù)測試輪覆蓋寬度。由于橫向力系數(shù)的測定需要灑水，會對其他2種檢測方法造成影響，而人工鋪砂法會對激光構(gòu)造深度測試造成影響，因此測試順序確定為:激光構(gòu)造深度、人工鋪砂法、橫向力系數(shù)。人工鋪砂法測試完成后需立即清掃干凈鋪裝路面上的砂，保持路面清潔。測試路段前10 m為測試調(diào)整區(qū)，后90 m每10 m采集1個數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果見表3。

表3 路面抗滑性能不同檢測方法測試結(jié)果

由表3可知，橫向力系數(shù)檢測的變異性最小，其次為激光構(gòu)造深度，人工鋪砂法檢測數(shù)據(jù)的變異性最大。由于橫向力系數(shù)是反映路面總體抗滑性能的，在同一路面類型的勻質(zhì)路段，測得的抗滑性能差異較小;激光構(gòu)造深度反映路面某線段的宏觀構(gòu)造深度，差異較大;而人工鋪砂是反映局部某一區(qū)域的平均表面開口孔隙深度，由于鋪砂的粒徑、體積及測試者手法有差異，因而變異性最大。

2.2 不同抗滑性能測試方法的適用性比較

由于采用的設(shè)備不同，得到的測試指標不同，3種測試方法在實際應(yīng)用中存在差異，結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范要求及實際工程中的應(yīng)用情況，對3種測試方法的適用性進行比較，結(jié)果見表4。

表4 路面抗滑性能檢測方法應(yīng)用情況比較

3 瀝青路面抗滑性能指標相關(guān)性分析

3.1 橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度對瀝青路面抗滑性能表征的特性

《公路技術(shù)狀況評定標準》(JTG H20—2007)中的抗滑性能表征采用了橫向力系數(shù)指標，但構(gòu)造深度作為抗滑性能的另一個指標，使用也較為廣泛。橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度在表征抗滑性能方面存在一定的差異:橫向力系數(shù)是表征車輛通行時在最不利條件下(路面表面噴水，模擬雨天路況)的路面抗滑性能(側(cè)向抗滑)，是影響路面各類因素綜合效應(yīng)下路面最終抗滑性能的體現(xiàn);而構(gòu)造深度僅反映路面表面的粗糙、密實情況，沒有體現(xiàn)表面層集料性能、瀝青特性、路況環(huán)境對抗滑性能的影響。

3.2 摩擦系數(shù)與構(gòu)造深度相關(guān)性模擬試驗

室內(nèi)無法進行橫向力系數(shù)測定，可采用擺式摩擦儀進行摩擦系數(shù)的測定，雖然摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度2個指標在反映路面抗滑性能方面存在差異，但兩者之間有一定的關(guān)系。張宜洛［7］選用AK-16A、SMA-16和OGFC-16三種抗滑級配類型，分別測定了構(gòu)造深度與摩擦系數(shù)(BPN)，結(jié)果表明:AK-16A型由于級配比較細密，故構(gòu)造深度與擺值均較小，而OGFC-16與SMA-16的2個指標均較大;同時，隨車輪作用次數(shù)的增加，OGFC的摩擦系數(shù)衰變最慢，改性瀝青SMA變化幅度較大，AK-16A變化幅度較小。吳曠懷等［8］采用室內(nèi)搓揉試驗評價了不同瀝青混合料的抗滑性能，得到了“構(gòu)造深度愈大，擺值愈大，抗滑性能越好”的結(jié)論。以上研究均表明，構(gòu)造深度與摩擦系數(shù)具有一定的相關(guān)性。

3.3 橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度相關(guān)性實體路段測試

由于不同類型面層材料的抗滑性能差異較大，無法進行比較，可采用同一結(jié)構(gòu)類型瀝青路面進行橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的相關(guān)性分析。對比數(shù)據(jù)采用2012年、2013年山西省部分高速公路的AC密級配瀝青路面路構(gòu)造深度與橫向力系數(shù)檢測結(jié)果，見表5。

檢測路段構(gòu)造深度(TD，記為DT)與橫向力系數(shù)(SFC，記為CSF)相關(guān)性見圖2，回歸關(guān)系見式(4)。

圖2 構(gòu)造深度與橫向力系數(shù)的相關(guān)性

以上不同路段的測試結(jié)果表明:新建路面的橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度均比較大，如同源高速(2012年通車);運營期的路段橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度均比較小，如大新高速(2002年通車)。對于不同路段同一類型路面結(jié)構(gòu)，橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度存在一定的相關(guān)性，但相關(guān)性不強。

3.4 橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度差異性原因分析

橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度相關(guān)性不顯著的主要原因包括以下幾點。

(1)抗滑集料、瀝青材料存在差異［9］。如上面層抗滑料抗滑性能(磨光值及磨耗值)存在差異，瀝青或改性瀝青性能(含臘量、黏度)存在差異。

(2)混合料不同的壓實狀態(tài)［10］。隨著交通荷載重復(fù)作用次數(shù)的增加，瀝青混合料表面被進一步壓密，表面平均宏觀構(gòu)造深度降低，從而影響抗滑性能，車轍路段更為顯著。

(3)表面層磨耗程度［11］。表面瀝青老化后，細集料、礦粉脫落，粗集料表面瀝青膜剝落。

3.5 橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的互補性

在新建路面進行橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度檢測時，兩者相關(guān)性較好;但對于已運營的路面，特別是即將改造的瀝青路面，在進行技術(shù)狀況評定時雖然測定了橫向力系數(shù)指標，但還應(yīng)對構(gòu)造深度進行檢測［12-14］。根據(jù)兩方面的檢測結(jié)果，共同確定路面技術(shù)改造方案。當構(gòu)造深度滿足要求而橫向力系數(shù)不滿足要求時，應(yīng)對路面混合料原材料的選擇合理性進行分析，增加路面的微觀構(gòu)造深度;當構(gòu)造深度不滿足要求而橫向力系數(shù)滿足要求時，應(yīng)對混合料配合比進行優(yōu)化，增加路面的宏觀構(gòu)造深度［15-18］。

4 結(jié)語

(1)橫向力系數(shù)檢測方法是最能直觀表現(xiàn)瀝青路面抗滑性能的測試方法，具有準確性高、變異性小等優(yōu)點，但測試速度對測值有一定影響，在檢測過程中應(yīng)保持一定的速度;激光構(gòu)造深度檢測方法具有快速、準確的特點，但其測試為線狀帶，不能反映區(qū)域面積的路面抗滑性能;人工鋪砂法快捷方便，可用于不具備大型設(shè)備檢測條件或檢測數(shù)量較少的情況，但測試結(jié)果變異性較大。

(2)橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度作為主要的瀝青路面抗滑性能指標，在測試原理、影響因素方面存在差異，兩者相關(guān)性不強，但在路面混合料相同等特殊情況下存在一定的相關(guān)性。影響橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度相關(guān)性的因素較多，如何量化兩者之間的關(guān)系還需從材料特性、表面構(gòu)造、測試條件及方法等方面開展深入研究。

(3)橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度作為路面交竣工驗收時的抗滑性能指標具有同等的重要性。在舊路抗滑性能評價時，雖然采用了橫向力系數(shù)指標，但構(gòu)造深度在分析路面抗滑性能時也具有重要的作用，兩者應(yīng)配合使用。

［1］ 黃寶濤，田偉平，李家春，等.瀝青路面抗滑性能定量評價的分形方法［J］，中國公路學報，2008，21(4):12-17.

［2］ 吳 晶，潘 威.路面抗滑值測定方法對比及相關(guān)關(guān)系分析［J］，科技與創(chuàng)新，2015(16):63，67.

［3］ 竇光武.基于斷面高程的路面構(gòu)造深度計算模型研究［J］，公路交通科技，2015，32(1):50-56.

［4］ 桂志敬，劉恒權(quán)，張智勇.路面紋理構(gòu)造特征與抗滑性能檢測技術(shù)研究進展［J］，公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)板，2012(2):62-66.

［5］ 李志強.Superpave13混合料級配與構(gòu)造深度關(guān)系［J］.價值工程，2014(6):92-94.

［6］ 王國忠.淺析路面抗滑性能與材料的關(guān)系［J］.價值工程，2014(6):99-102.

［7］ 張宜洛.抗滑級配類型瀝青混合料的抗滑性能［J］.長安大學學報:自然科學版，2003，23(1):7-10.

［8］ 吳曠懷，郭祖辛，張肖寧.瀝青路面表層瀝青混合料抗滑性能室內(nèi)試驗及評價［J］.哈爾濱建筑大學學報，1995，28(2):45-49.

［9］ 王宏飛.超薄磨耗層在隧道路面抗滑處治工程中的應(yīng)用［J］.山西交通科技，2016(4):28-31.

［10］ 蔣育紅，黃寶濤，李家春，等.瀝青路面抗滑性能研究［J］.武漢理工大學學報:交通科學與工程版，2008，32(4):753-756.

［11］ 孫楊勇.粗集料表面微觀構(gòu)造分形性質(zhì)探討與瀝青路面抗滑性能關(guān)系研究［D］.廣州:華南理工大學，2010.

［12］ 柴彩萍，岳衛(wèi)民.瀝青路面抗滑性能及測試方法研究［J］.路基工程，2013(4):66-69.

［13］ 尹江華.瀝青路面抗滑性能指標檢測方法分析［J］.交通運輸研究，2012(16):57-59.

［14］ 王 勇，袁 騰，楊建波，等.基于加速磨耗的瀝青路面抗滑性能衰減特性研究［J］.筑路機械與施工機械化，2016，33(1):71-74.

［15］ 孫 龍，張寧寧，馬 明.探究瀝青路面抗滑性能測定評價方法［J］.科技資訊，2011(9):119.

［16］ 田強春.基于集料特性與級配的瀝青路面抗滑性能預(yù)測研究［D］.重慶:重慶交通大學，2015.

［17］ 鄭木蓮，陳拴發(fā)，王選倉，等.縱向摩擦系數(shù)在路面抗滑性能評價中的應(yīng)用［J］.長安大學學報:自然科學版，2005，25(4):9-12.

［18］ 劉建華.路面抗滑性能檢測與評價技術(shù)研究［D］.鄭州:鄭州大學，2002.