基于抗滑性能的瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉秦昆，陳 德，葉中辰,3，關(guān)甫洋

(1. 西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

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基于抗滑性能的瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉秦昆1，陳 德2，葉中辰2,3，關(guān)甫洋2

(1. 西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

為解決現(xiàn)有瀝青路面設(shè)計(jì)只以結(jié)構(gòu)性能為指標(biāo)，未考慮路面抗滑性能的不足，針對(duì)粗細(xì)兩種級(jí)配類(lèi)型的實(shí)際瀝青路面芯樣及相應(yīng)的室內(nèi)Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料試件，采用鋪砂法、激光構(gòu)造測(cè)試儀法、擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀(BPT)法及動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀(DFT)法等4種不同的測(cè)試方法測(cè)試了路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能，分析了測(cè)試方法、試件成型方式、設(shè)計(jì)參數(shù)與路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：路面宏觀構(gòu)造參數(shù)MTD分別與路面設(shè)計(jì)參數(shù)及抗滑性能之間具有良好的相關(guān)性。以MTD作為中間參數(shù)建立了路面設(shè)計(jì)參數(shù)與其抗滑性能之間的預(yù)測(cè)模型，為基于抗滑性能的瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

道路工程；抗滑性能；宏觀構(gòu)造；設(shè)計(jì)參數(shù)；回歸分析

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)公路通車(chē)?yán)锍萄杆僭鲩L(zhǎng)，公路網(wǎng)日趨完善，為人們的生活提供了很大方便，但同時(shí)路面安全問(wèn)題也日益凸出[1]。以路面抗滑性能為設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行路面優(yōu)化設(shè)計(jì)，是解決路面安全問(wèn)題的重要途徑。路面宏觀構(gòu)造是反映路面表面功能最直接的指標(biāo)之一，影響路面抗滑、降噪等一系列特性。所以通過(guò)研究路面宏觀構(gòu)造預(yù)測(cè)路面抗滑性能[2]，對(duì)未來(lái)路面以抗滑性能作為設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行路面優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 瀝青路面宏觀構(gòu)造及其抗滑性能測(cè)試方法

路面表面構(gòu)造按其水平方向波長(zhǎng)(λ)的長(zhǎng)短可以分為：微觀構(gòu)造(λ<0.5 mm)、宏觀構(gòu)造(0.5 mm<λ<50 mm)、巨觀構(gòu)造(50 mm<λ<500 mm)以及平整度(λ>500 mm)[4]。規(guī)范施工，通?？梢员ＷC巨觀構(gòu)造和平整度滿足路面表面功能的要求[5]，路面設(shè)計(jì)階段主要關(guān)注其宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造。

1.1 路面宏觀構(gòu)造測(cè)試方法

1.1.1 鋪砂法(SPM)

鋪砂法是體積測(cè)試法的一種，將一定量的標(biāo)準(zhǔn)砂置于路面表面，用橡膠刮平板將其刮平，然后通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)砂攤鋪直徑的大小，反算路面宏觀構(gòu)造深度(MTD)。

1.1.2 激光構(gòu)造測(cè)試儀法(CTM)

激光構(gòu)造測(cè)試儀法[6]是通過(guò)發(fā)射并接收經(jīng)過(guò)路面反射回來(lái)的圓周形激光束來(lái)測(cè)量路面宏觀構(gòu)造，激光束圓周的直徑為284 mm(周長(zhǎng)892 mm)。激光構(gòu)造儀在計(jì)算道路表面平均斷面構(gòu)造深度(圖1)時(shí)，將激光束圓周長(zhǎng)分為8段，每段111.5 mm，分別計(jì)算每段的平均斷面構(gòu)造深度，然后將8個(gè)平均斷面構(gòu)造深度值平均得到最終的路面表面平均斷面構(gòu)造深度(MPD)：

圖1 平均斷面構(gòu)造深度計(jì)算示意

1.2 路面微觀構(gòu)造測(cè)試方法

1.2.1 擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀(BPT)法

為了能夠測(cè)試實(shí)際路面取回的芯樣，及室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的表面摩擦系數(shù)，在普通擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀下設(shè)置一試件固定夾具，如圖2(a)。

1.2.2 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀(DFT)法

動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀法[7]是將3塊橡膠墊固定在旋轉(zhuǎn)飛輪上，測(cè)定飛輪從初始速度80 km/h降低到0的過(guò)程中，由于橡膠墊和路面之間摩擦產(chǎn)生的扭矩[圖2(b)]，以此來(lái)反映路面摩擦系數(shù)的高低。其值在0～1之間變化，越接近1，路面摩擦系數(shù)越大。

圖2 路面微觀測(cè)試方法

2 瀝青路面宏觀構(gòu)造及其抗滑性能測(cè)試

影響路面安全性能的因素主要有路面表面性能、車(chē)輛性能、輪胎性能和環(huán)境因素等4類(lèi)[8]。筆者主要集中于路面性能的研究，通過(guò)選取不同類(lèi)型的路面，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試其宏觀構(gòu)造及抗滑性能，并鉆取芯樣，在試驗(yàn)室測(cè)試其結(jié)構(gòu)參數(shù)；同時(shí)根據(jù)測(cè)得芯樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)，室內(nèi)成型具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的路面試件，并測(cè)其路面宏觀構(gòu)造和抗滑性能。

為了全面涵蓋路面設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路面抗滑性能的影響，選取粗、細(xì)兩種級(jí)配，粗級(jí)配中又選取連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配(SMA路面)兩種。同時(shí)每種路面類(lèi)型取3個(gè)芯樣做平行試驗(yàn)，實(shí)際路面測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 實(shí)際路面結(jié)構(gòu)參數(shù)、宏觀構(gòu)造及其抗滑性能測(cè)試結(jié)果

(續(xù)表1)

級(jí)配粗細(xì)級(jí)配類(lèi)型試件編號(hào)瀝青含量/%BRD/(g·cm-3)VMA/%VFA/%集料級(jí)配參數(shù)CuCcFMMTD(SPM)/mmMPD(CTM)/mmBPT測(cè)試的BPN值DFT測(cè)試的f值細(xì)級(jí)配連續(xù)級(jí)配E35．02．3715．369200．44．470．300．5560．00．60F14．92．3516．064210．44．440．230．3358．30．58F25．12．3616．170200．44．580．250．4559．50．59F34．92．3416．265230．34．380．230．4156．90．45G15．12．4216．876290．33．890．250．4358．70．55G25．22．4117．273330．23．930．300．4758．40．58G35．12．4017．072310．33．880．310．4658．50．55H14．72．2520．750240．33．960．250．4458．70．51H24．32．2620．248200．33．980．240．4362．20．56H34．52．2620．648190．44．300．250．4560．20．54I15．02．3217．059200．44．410．370．5960．70．63I24．82．3116．962190．34．430．280．4059．90．58I34．92．3116．661210．44．500．250．3960．10．54

注：BRD為毛體積密度；VMA為礦料間隙率；VFA為瀝青飽和度；Cu為均勻性系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)；FM為細(xì)度模數(shù)，F(xiàn)M=(a0.15+a0.3+a0.6+a1.18+a2.36+a4.75+a9.5+a19.0+a37.5+a75+a150)/100，其中ai為相應(yīng)孔徑篩子的剩余百分率(ASTM C136-05)；DFT測(cè)試的f值是在10 km/h條件下測(cè)試的摩擦系數(shù)。

按照實(shí)際路面芯樣測(cè)得的結(jié)構(gòu)參數(shù)，室內(nèi)使用Superpave 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型相應(yīng)的路面試件，并測(cè)其宏觀構(gòu)造和摩擦系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。此處由于試件尺寸的限制，只用鋪砂法和擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀兩種方法進(jìn)行路面宏觀構(gòu)造和摩擦系數(shù)的測(cè)試。

表2 室內(nèi)成型試件路面結(jié)構(gòu)參數(shù)、宏觀構(gòu)造及抗滑性能測(cè)試結(jié)果

3 分 析

3.1 路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能分析

采用線性回歸法分析鋪砂法所測(cè)平均構(gòu)造深度MTD與激光構(gòu)造儀所測(cè)平均斷面構(gòu)造深度MPD數(shù)據(jù)，得出二者之間的關(guān)系如圖3。二者之間的相關(guān)系數(shù)R2= 0.97，說(shuō)明MTD與MPD之間有良好的相關(guān)性，所以完全可以只使用鋪砂法測(cè)試路面宏觀構(gòu)造。

圖3 激光構(gòu)造儀的MPD值與鋪砂法的MTD值

擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀(BPT)測(cè)試的BPN值與動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀(DFT)測(cè)試的f值之間的關(guān)系如圖4。二者之間的相關(guān)系數(shù)R2= 0.80，相關(guān)性并不高，主要是由于BPN值受測(cè)試者的影響較大，所測(cè)BPN值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.855 6，遠(yuǎn)大于動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀所測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差0.014 64。表明動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀所測(cè)數(shù)據(jù)較擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀所測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，所以筆者使用動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)回歸分析。

圖4 擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀BPN值與動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀f值

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)實(shí)際路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能預(yù)測(cè)分析

筆者對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)際路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能之間的關(guān)系進(jìn)行了線性回歸分析，結(jié)果如圖5。

圖5 室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)的MTD，BPN關(guān)系

分析圖5得出，路面宏觀構(gòu)造室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值之間有很好的線性相關(guān)性，說(shuō)明運(yùn)用室內(nèi)設(shè)計(jì)的路面宏觀構(gòu)造預(yù)測(cè)實(shí)際施工后路面宏觀構(gòu)造是可行的。路面抗滑性能由于室內(nèi)采用Superpave 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件尺寸的限制，未能采用動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試其抗滑性能，只采用了擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀，所以筆者只做了室內(nèi)成型試件和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試BPN之間的回歸分析。由于擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果受測(cè)試者的影響較大，所以二者之間的相關(guān)性較差；但這并不代表不能用室內(nèi)設(shè)計(jì)的路面抗滑性能預(yù)測(cè)實(shí)際施工后的路面抗滑性能，二者之間的相關(guān)性還需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

3.3 路面設(shè)計(jì)參數(shù)與路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能之間關(guān)系分析

分析表1及表2的室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)BRD、VMA及FM對(duì)路面宏觀構(gòu)造的影響顯著。同時(shí)路面宏觀構(gòu)造隨著B(niǎo)RD和VMA的增大呈減小趨勢(shì)，隨FM的增大呈增大趨勢(shì)。所以，筆者采用FM2/(BRD×VMA)與MTD之間進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖6。

圖6 路面設(shè)計(jì)參數(shù)和路面宏觀構(gòu)造之間的關(guān)系

得到路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)與其宏觀構(gòu)造之間的關(guān)系：

(1)

式中：MTD 為路面宏觀構(gòu)造深度，mm； FM 為細(xì)度模數(shù)，F(xiàn)M =(a0.15+a0.3+a0.6+a1.18+a2.36+a4.75+a9.5+ a19.0+ a37.5+ a75+ a150)/100(ai為相應(yīng)孔徑篩子的剩余百分率)(ASTMC136-05)； BRD 為毛體積密度，g/cm3；VMA 為礦料間隙率，%。

分析室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)BRD、VMA及FM對(duì)路面抗滑性能指標(biāo)f值影響較為顯著。同時(shí)， f值隨著B(niǎo)RD和VMA的增大呈減小趨勢(shì)，隨FM的增大呈增大趨勢(shì)。同樣采用FM2/(BRD×VMA)與f值之間進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖7。

圖7 路面設(shè)計(jì)參數(shù)和路面抗滑性能之間的關(guān)系

得到路面設(shè)計(jì)參數(shù)與其抗滑性能指標(biāo)之間的關(guān)系：

(2)

由于路面抗滑性能與其設(shè)計(jì)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)(0.69)較低，所以式(2)僅作參考。這也說(shuō)明直接建立路面設(shè)計(jì)參數(shù)和路面抗滑性能之間的關(guān)系比較困難。筆者采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)回歸分析路面宏觀構(gòu)造與其抗滑性能之間的關(guān)系，回歸結(jié)果如圖8。

圖8 路面抗滑性能和路面宏觀構(gòu)造之間的關(guān)系

由圖8可以看出，路面抗滑性能和路面宏觀構(gòu)造之間相關(guān)性較高，說(shuō)明通過(guò)路面宏觀構(gòu)造，間接反映路面抗滑性能是可行的。根據(jù)式(1)，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)得到較高的表面構(gòu)造，同時(shí)結(jié)合圖8中得到的路面抗滑性能和路面宏觀構(gòu)造之間的關(guān)系，達(dá)到基于抗滑性能的瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

筆者選取了不同類(lèi)型的實(shí)際瀝青路面，采用不同方法測(cè)試其宏觀構(gòu)造及抗滑性能，并取芯樣室內(nèi)測(cè)試分析了其體積指標(biāo)。同時(shí)在室內(nèi)參照原路面設(shè)計(jì)參數(shù)，利用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型路面試件，測(cè)其體積參數(shù)、宏觀構(gòu)造及抗滑性能指標(biāo)，分析了不同測(cè)試方法、室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)計(jì)參數(shù)與路面宏觀構(gòu)造及抗滑性能之間的關(guān)系，得出了以下主要結(jié)論：

1)鋪砂法測(cè)的平均構(gòu)造深度(MTD)與激光構(gòu)造測(cè)試儀所得路面平均斷面構(gòu)造深度(MPD)之間有良好的線性關(guān)系，對(duì)于條件受限的設(shè)計(jì)和施工單位，可以只采用鋪砂法測(cè)試路面宏觀構(gòu)造深度。

2)路面宏觀構(gòu)造與其抗滑性能之間有良好的相關(guān)性，所以可以用宏觀構(gòu)造參數(shù)作為路面抗滑性能的預(yù)估參數(shù)。

3)建立了路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)與路面宏觀構(gòu)造之間，及設(shè)計(jì)參數(shù)和路面抗滑性能之間的關(guān)系式，由此可進(jìn)行基于抗滑性能的路面材料優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 屠書(shū)榮,吳敏剛,程永華.基于道路和環(huán)境條件的干線公路安全性評(píng)價(jià)方法[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,29(3):425-429. Tu Shurong,Wu Mingang,Cheng Yonghua.Arterial highway safety evaluation based on road and environment condition[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2010,29(3):425-429.

[2] Rezaei A.Development of a Prediction for Skid Resistance of Asphalt Pavement [D].Texas,USA:Texas A&M University,2010.

[3] Rajaei M,Sefidmazgi N R,Bahia H.Establishment of relation between pavement surface friction and mixture design properties [J].Transportation Research Board,2015(12):104-113.

[4] Powell B D,Hanson D I.Evaluation of circular texture method for measuring surface texture of pavements [J].Transportation Research Record,2005,1929(1):88-96.

[5] Gendy A E,Shalaby A.Mean profile depth of pavement surface macro-texture using photometric stereo techniques [J].Journal of Transportation Engineering,2007,133(7):433-440.

[6] Flintsch G,León E D,Ghee K M,et al.Pavement surface macro-texture measurement and applications [J].Transportation Research Record,2003,1860(1):168-177.

[7] Miller T,Swiertz D,Tashman L,et al.Characterization of asphalt pavement surface texture [J].Transportation Research Record,2012,2295(1):19-26.

[8] Clapp T G,Eberhardt A C,Kelley C T.Computation and analysis of texture-induced contact information in tire-pavement interaction [J].Transportation Research Record,1986,1084(1):23-29.

Optimized Design of Asphalt Pavement Based on Pavement Skid Resistance Performance

Liu Qinkun1, Chen De2, Ye Zhongchen2,3, Guan Fuyang2

(1. Xi’an Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd., Xi’an 710068, Shaanxi, China; 2. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China; 3. CCCC First Highway Consultants Co. Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China)

The existing asphalt pavement design methods only use the structural parameters as design parameters without considering surface performance. A series of asphalt pavement types, including coarse and fine gradations, were chosen to test their texture and friction using different texture (i.e. Sand Patch Testing and Laser Texture Tester) and friction testing methods (i.e. British Pendulum Tester and Dynamic Friction Tester). At the same time, the mixture samples, with same design parameters, were compacted with Superpave Compactor Method and tested with the same testing methods. Based on those testing results, the relationships between different testing methods, compaction methods, design parameters and macro-texture and skid resistance were obtained. The results show that there are a good correlation between macro-texture, skid resistance and theMTD. Meanwhile, a model to predict the skid resistance of asphalt pavement using the design parameters was built. It can be used in asphalt pavement design basing on skid resistance performance.

road engineering; skid resistance; macro-texture; design parameter; regression analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.09

2014-04-25；

2014-12-16

劉秦昆(1978—)，男，陜西咸陽(yáng)人，工程師，主要從事道路工程方面的研究。E-mail：35009590@qq.com。

陳 德(1989—) ，男，甘肅會(huì)寧人，博士研究生，主要從事道路工程方面的研究。E-mail：chendelu435@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)03-042-05