瀝青路面抗滑性能影響因素及改善措施

賈圣東++蔡唯楚??

【摘要】瀝青路面抗滑性能直接影響路面行車(chē)安全，關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全。本文從影響瀝青路面抗滑性能的因素分析入手，深入細(xì)致分析了影響瀝青路面抗滑性能的各因素，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)粗集料表面紋理與路面微觀構(gòu)造的相關(guān)性進(jìn)行論述，進(jìn)而闡述粗集料特性對(duì)路面抗滑性能的影響。論文結(jié)論對(duì)于改善瀝青路面抗滑性能及其相關(guān)研究具有參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】道路工程；瀝青路面；抗滑性能；改善措施；集料紋理

Influencing Factors of Asphalt Pavement Anti - skid Performance and Improvement Measures

Jia Sheng-dong，Cai Wei-chu

（Guizhou Expressway Group Co.， LtdGuiyangGuizhou550009）

【Abstract】Asphalt pavement anti-skid performance directly affects the road traffic safety， related to people's life and property safety. Based on the analysis of factors influencing the anti-skid performance of asphalt pavement， this paper analyzes the factors that affect the anti-skid performance of asphalt pavement. On this basis， the paper focuses on the correlation between the surface texture of coarse aggregate and the microstructure of the pavement. The effect of coarse aggregate properties on the anti - sliding performance of the road surface is described. The conclusion of this paper is of reference value for improving the anti - sliding performance of asphalt pavement and its related research.

【Key words】Road engineering；Asphalt pavement；Anti-skid performance；Improvement measures；Aggregate texture

1. 概述

（1）高速公路的快速發(fā)展，現(xiàn)代人享受著交通便利，但也經(jīng)常發(fā)出“車(chē)禍猛比虎”感嘆。例如，僅在2012上半年，我國(guó)發(fā)生了190270起道路交通事故，導(dǎo)致41933死亡和221838受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失7.1億。減少高速公路瀝青路面事故（特別是雨天）最有效、直接的方法是提高路面的抗滑性能。研究和實(shí)踐表明，影響瀝青路面抗滑性能的因素包括粗集料的品質(zhì)（抗磨光性）和形狀、紋理（影響路面微觀構(gòu)造）、混合料級(jí)配（影響路面宏觀構(gòu)造）。

（2）瀝青路面是一種復(fù)雜的復(fù)合材料，包括有宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造，二者是由粗、細(xì)集料裸露在外所形成的，其中在粗細(xì)集料之間有礦粉、纖維等的填充，一起組成了粘彈性結(jié)構(gòu)。路面抗滑能力受到級(jí)配、礦料形狀、抗滑表層中間集料的外露程度的影響。因此，研究瀝青路面抗滑性能及其改善措施，可以從上述幾個(gè)方面入手。

2. 瀝青路面抗滑性能影響因素分析

2.1粗集料的品質(zhì)（磨光值）。

用于瀝青路面磨耗層的粗集料與車(chē)輛荷載直接接觸，須承受車(chē)輛重復(fù)荷載的反復(fù)作用，除了要有一定的強(qiáng)度（壓碎值）來(lái)承受車(chē)輛荷載的豎向壓應(yīng)力作用，還必須有一定的抗磨光和磨耗能力（磨光值和磨耗值），以抵抗車(chē)輛荷載的水平力作用，防止路面粗集料倍磨光。粗集料磨光后，會(huì)使得路面的宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造深度同步下降，進(jìn)而使路面的抗滑性能出現(xiàn)顯著衰減?；诖耍瑒⑶迦热私Y(jié)合日本等學(xué)者的研究成果，建議對(duì)抗滑表層而言優(yōu)先使用沖擊值作為控制指標(biāo)。我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》要求抗滑路面必須選擇磨光值高的石料，并對(duì)石料的磨耗值和沖擊值都提出了要求。

2.2礦料的形狀和級(jí)配。

（1）瀝青混合料集料表面紋理粗糙度對(duì)混合料的路用性能有著顯著影響，通常骨料表面粗糙有明顯凸出的情況，軋碾后骨料之間相互擠壓，并有比較大的內(nèi)摩擦角。相比較較光滑骨料形成的瀝青混合料，路面具有高剪切強(qiáng)度，表現(xiàn)出瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性也很好。瀝青混合料的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，如孔徑大小，形狀和連貫性，也會(huì)影響骨料的表面紋理粗糙度。因此，可以顯示不同程度的車(chē)轍深度的影響。另外，粗集料的表面紋理有利于提高瀝青和骨料的接觸面積、增強(qiáng)粘接力，或其他因素固定時(shí)，骨料表面紋理粗糙情況更容易吸附瀝青，瀝青膜表現(xiàn)越厚，表現(xiàn)出更好的路用性能和穩(wěn)定性。

（2）傳統(tǒng)的連續(xù)型密級(jí)配瀝青混凝土（如AC）屬于密實(shí)——懸浮結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)空隙率小、表面光滑、抗滑性能不好。這是由于此種路面下表觀形貌過(guò)于光滑，構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)均比較小。對(duì)于特殊的嵌壓式結(jié)構(gòu)，它是把抗滑表層和密水層二者結(jié)合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)，嵌壓式結(jié)構(gòu)具有較好耐久性和有利于行車(chē)的宏觀構(gòu)造程度。這種結(jié)構(gòu)是在砂粒式瀝青混凝土中，嵌入5～15mm抗滑性能良好的碎石，當(dāng)有些地區(qū)缺乏石料時(shí)采用此種嵌壓式結(jié)構(gòu)，或許是一種比較經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

（3）近些年發(fā)展起來(lái)的大空隙排水路面，這種類(lèi)型路面屬于骨架——空隙結(jié)構(gòu)。這種高空隙率的路面，采用的是粘度更高要求的瀝青結(jié)合料，并且對(duì)集料強(qiáng)度要求較高，這樣結(jié)構(gòu)骨架才能通過(guò)高強(qiáng)度集料而穩(wěn)定。這種路面下，能夠消除和減薄水膜的厚度，減少高速行車(chē)出現(xiàn)“水漂”的機(jī)會(huì)，較好的抗滑性能，增加了行車(chē)的安全性。這是由于排水路面宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造比較大，因此抗滑性能較好。還有一種我們經(jīng)常使用的斷級(jí)配密實(shí)型瀝青混凝土SMA等，對(duì)于這類(lèi)石料的要求是自身物理力學(xué)性質(zhì)要好，它的空隙率一般小于5%，不是太大的空隙率，屬于骨架——密實(shí)結(jié)構(gòu)。SMA的路面宏觀構(gòu)造也比較大，骨架結(jié)構(gòu)的形成是通過(guò)集料的嵌擠形成的，此種路面的高溫穩(wěn)定性和耐久性都比較好，抗滑能力也比較高。

2.3路面的微觀構(gòu)造。

（1）路面與輪胎間的摩擦力來(lái)源于分子間引力的附著分量，以及源于橡膠輪胎變形的滯阻分量。這是建立在摩擦學(xué)的理論基礎(chǔ)上，物體表面存在“微凸體”是二物體之間產(chǎn)生摩擦力的關(guān)鍵。沒(méi)有絕對(duì)的光滑，從基本模型知，輪胎與路面間的濕摩擦主要受到附著分量為主的影響，“微凸體”的規(guī)模和大小來(lái)表征路面微觀構(gòu)造，由于微觀構(gòu)造作用產(chǎn)生的是附著分量，路面的抗滑水平受到微觀構(gòu)造的影響。

（2）集料表面紋理粗糙微結(jié)構(gòu)是指石材表面水平方向0～0.5mm，表面為0～0.2mm在垂直方向上范圍，并反映了路面的骨料不同程度進(jìn)行磨光程度。摩擦擺儀是用來(lái)測(cè)試的瀝青表面微觀結(jié)構(gòu)和骨料瀝青膜輪胎磨損后的表面摩擦力，一定的條件下，實(shí)驗(yàn)室使用加速拋光機(jī)，規(guī)定條件下進(jìn)行磨光通過(guò)摩擦擺儀用來(lái)確定磨光值。骨料磨光值的數(shù)值越大越好，表明結(jié)構(gòu)的深度也越大，輪胎與路面表面粘附也是由微觀結(jié)構(gòu)決定的，滑動(dòng)阻力性能在低速時(shí)，輪胎和微觀結(jié)構(gòu)受到較大表面附著力的影響，故石料抗滑性能在磨光值越大的骨料下也相應(yīng)越大。

2.4路面的宏觀構(gòu)造。

（1）路面宏觀構(gòu)造一般為約0.5mm以上的凸起并且肉眼可見(jiàn)，通常情況下描述宏觀構(gòu)造利用粗糙和光滑程度來(lái)表示，路面抗滑性能、排水性能與路面表面宏微觀構(gòu)造特征有關(guān)。

（2）通常情況下，路面與輪胎間的水不能有效排出去，是由于宏觀構(gòu)造達(dá)不到要求，使路面上的水沒(méi)有排出去的通道。因?yàn)榇嬖趧?dòng)水壓力的作用，在行車(chē)速度過(guò)快時(shí)很容易就發(fā)生水漂現(xiàn)象，不利于安全行車(chē)，在雨天輪胎與路面的接觸面積小，導(dǎo)致摩擦力顯著降低。宏觀構(gòu)造在瀝青混合料路面中占有很重要的地位，宏觀構(gòu)造較大的路面可以提供輪胎路面之間積水順利排出，增大了行車(chē)時(shí)輪胎和路面的接觸面積，可以貢獻(xiàn)出一定的滯阻分量，可以使接觸時(shí)的摩擦力相應(yīng)增大，這樣的話，可以看出宏觀構(gòu)造對(duì)于路面抗滑能力的提高作用。在溫度和荷載耦合作用下瀝青混合料的物理力學(xué)性能將發(fā)生變化，導(dǎo)致路面表面構(gòu)造特征產(chǎn)生變化。為此溫度和荷載的作用對(duì)路面抗滑性能也將產(chǎn)生較為明顯的影響。

（3）在2011關(guān)于遙感、環(huán)境、交通工程的國(guó)際研討會(huì)儀（RSETE 2011會(huì)議）上Wang Dawei和Chen Xianhua等研究認(rèn)為瀝青層合板是用相同的SMA顆粒級(jí)配曲線但不同類(lèi)型集料制作成的。瀝青層合板是利用亞琛磨光機(jī)里的真實(shí)輪胎來(lái)磨光，在每次磨光階段之后，用立體宏觀顯微鏡觀察表面，用SRT和PWS測(cè)量摩擦值。結(jié)果表明，集料和瀝青對(duì)防滑性有不同的貢獻(xiàn)，這主要取決于滑行速度的不同。尤其是防滑性是在100Km/h速度測(cè)量時(shí)，其瀝青有利于SRT的防滑性，但不利于PWS的防滑性。集料和瀝青之間的粘附力和磨光粒子對(duì)于SMA路面防滑性都是至關(guān)重要的。

3. 集料表面形貌特征對(duì)瀝青路面抗滑性能的影響

（1）鑒于集料棱角性對(duì)瀝青混合料性能的影響非常顯著，國(guó)外眾多學(xué)者紛紛對(duì)集料棱角性的評(píng)價(jià)方法展開(kāi)研究。國(guó)外在集料表面物理特性方面的研究主要是采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，獲取集料的二維或三維圖像后，通過(guò)對(duì)圖像幾何尺寸的測(cè)量和灰度圖像像素處理、并分別采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、分形理論和小波理論等來(lái)定量描述了集料的形狀、紋理和棱角特性，對(duì)不同集料的表面物理特性進(jìn)行了詳細(xì)的分類(lèi)。其測(cè)量設(shè)備昂貴、測(cè)量和處理方法也比較復(fù)雜，后期的測(cè)量和處理方法也相對(duì)困難。

（2）Heping Xie采用激光掃描設(shè)備開(kāi)展了集料表面物理特性的研究，獲取巖石斷裂表面的二維數(shù)字信息，根據(jù)分形維數(shù)理論定量研究了斷裂表面的粗糙程度，通過(guò)與傳統(tǒng)的幾何統(tǒng)計(jì)參數(shù)相比，認(rèn)為采用分形維數(shù)D來(lái)描述巖石斷裂面粗糙程度是適宜的。孫楊勇使用激光三角測(cè)量技術(shù)測(cè)量破碎礫石表面形貌特征參數(shù)，并采用盒維數(shù)尺寸計(jì)算方法及MATLAB軟件對(duì)玄武巖表面細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明，粗集料表面分形維數(shù)越大，道路的防滑性能越好。

（3）美國(guó)學(xué)者 Thomas Fletcher等采用AIMS集料圖像處理系統(tǒng)對(duì)粗細(xì)集料顆粒的形狀、棱角和表面紋理特性進(jìn)行了研究。采用該系統(tǒng)獲取了集料表面灰度圖像，采用小波理論對(duì)集料表面紋理進(jìn)行了分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)平方和的算術(shù)平均值來(lái)定量評(píng)定集料表面紋理情況；對(duì)于集料棱角性，獲取集料的單色照片后，采用當(dāng)量橢圓指數(shù)AI對(duì)定量描述集料的棱角性；在集料形狀分析過(guò)程中，分別獲取集料顆粒的三維方向主軸長(zhǎng)度，以球狀指數(shù) SF 定量評(píng)定了集料顆粒的形狀。W.A. Tasong等采用Talysurf 120L表面輪廓儀分別測(cè)量了玄武巖、石灰?guī)r和石英巖集料顆粒的表面紋理，采用算術(shù)平均偏差評(píng)價(jià)了光滑面、鋸斷面和自然斷裂面三種不同情況集料表面紋理的粗糙程度。

（4）Chengyi Huang采用試驗(yàn)測(cè)試紋理方法和數(shù)據(jù)從屬系統(tǒng)方法（DDS）研究被輪胎磨耗前后集料磨光特征變化情況，研究結(jié)果認(rèn)為，在行車(chē)荷載及粗集料錯(cuò)位過(guò)程中相互摩擦等作用，粗集料表面微觀紋理構(gòu)造顯著降低，而對(duì)宏觀紋理構(gòu)造變化較小。Luce，Anthony等開(kāi)發(fā)出了一種針對(duì)粗集料抗磨耗性能測(cè)試的新方法，即采用成像系統(tǒng)來(lái)評(píng)價(jià)粗集料磨光對(duì)結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明微德瓦爾測(cè)試方法可實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)集料磨光值的測(cè)試。

（5）英國(guó)運(yùn)輸與道路研究試驗(yàn)室針對(duì)路面抗滑性能進(jìn)行了多年研究，研究結(jié)果認(rèn)為路面抗滑性能取決于路面的細(xì)紋理和粗紋理，其結(jié)構(gòu)特征在車(chē)輪滑溜中起主導(dǎo)作用。國(guó)際道路協(xié)會(huì)常設(shè)委員會(huì)認(rèn)為，瀝青路面紋理是影響路面抗滑性能的主要因素，并根據(jù)紋理平面尺寸和高度方向尺寸表征路面紋理，并將它分為四類(lèi)：微觀紋理、宏觀紋理、粗大紋理和不平度。

（6）為此，ASTM、SHRP及Superpave等對(duì)粗集料及其在瀝青路面中的應(yīng)用做出了較嚴(yán)格的規(guī)定，要求粗集料必須經(jīng)過(guò)一系列力學(xué)、化學(xué)及物理試驗(yàn)，嚴(yán)格控制集料的質(zhì)量。物理性能指標(biāo)包括集料級(jí)配、輪廓特征、棱角性、表面紋理等，力學(xué)性能指標(biāo)包括集料磨耗、耐久性、磨光值等，化學(xué)性能指標(biāo)包括集料堅(jiān)固性、有機(jī)物含量等。

（7）日本和歐洲定義粗最長(zhǎng)和最薄比例超過(guò)3：1為針片狀，美國(guó)SHARP計(jì)劃規(guī)定粗集料最長(zhǎng)和最薄比例超過(guò)5：1為針片狀，并提出了設(shè)計(jì)交通量大于 萬(wàn)時(shí)，針片狀粗集料比例不得超過(guò)10%。據(jù)美國(guó)國(guó)家瀝青技術(shù)中心（NCAT）給出的建議，認(rèn)為實(shí)際工程中最長(zhǎng)和最薄比例超過(guò)5：1的粗集料含量幾乎接近于零，在實(shí)際應(yīng)用中沒(méi)有意義。

（8）我國(guó)相關(guān)規(guī)范對(duì)瀝青混合料粗集料棱角性并沒(méi)有明確的測(cè)試方法和技術(shù)指標(biāo)，但國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行了深入研究。王金安[12]和其他學(xué)者采用激光掃描技術(shù)對(duì)集料表面粗糙度和表面紋理進(jìn)行了研究，對(duì)巖石斷裂表面形態(tài)直接測(cè)量，并使用隨機(jī)過(guò)程變量的分形理論分析方法，定量地描述巖石表面粗糙度。譚憶秋等測(cè)量九種不同骨料表面紋理輪廓曲線，由激光輪廓儀測(cè)試，使用輪廓濾波器方法。骨料紋理可分為宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，算術(shù)平均偏差，輪廓算術(shù)平均波長(zhǎng)和偏斜度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。應(yīng)用幾何統(tǒng)計(jì)方法，表面紋理粗糙度進(jìn)行評(píng)估。最后的分析結(jié)果表明，該評(píng)價(jià)指標(biāo)的算術(shù)平均偏差最適合描述骨料表面紋理的粗糙度，算術(shù)平均偏差越大，表面粗糙度的紋理越復(fù)雜。張肖寧等采用激光三角測(cè)量系統(tǒng)，是對(duì)路面常見(jiàn)的破碎礫石，玄武巖等粗骨料表面紋理測(cè)量的一種技術(shù)。研究表明，微觀紋理粗骨料表面分形維數(shù)較大的粗糙度更復(fù)雜，更有助于提高路面抗滑性能。東南大學(xué)的倪福建使用圖像分析技術(shù)，并建立了一系列的圖像指標(biāo)，粗骨料量化形態(tài)學(xué)研究其物理參數(shù)，如幾何形狀的外觀，邊緣，表面粗糙度和紋理以及對(duì)瀝青混合料的剪切性能等作用。研究表明，粗集料必須在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，通過(guò)控制輪廓形狀、棱角和表面紋理的指標(biāo)，可以控制平、尖銳邊緣的顆粒含量。

（9）在最大粒徑和集料巖性相同的情況下，影響路面紋理特征的主要因素是集料級(jí)配和集料表面微觀構(gòu)造特征，包括輪廓形狀和棱角性，它們對(duì)瀝青混凝土路面的抗滑性能有極大影響。通常具有明顯細(xì)微凸出的粗糙表面的集料，在碾壓后能互相嵌擠鎖

結(jié)且具有很大的內(nèi)摩擦角，所構(gòu)成的瀝青混合料較之表面平滑的集料所構(gòu)成的混合料具有較高的抗剪強(qiáng)度，良好的宏、微觀構(gòu)造深度，從而使路面表面具有良好的抗滑性能。針片狀顆粒應(yīng)盡可能避免，因?yàn)槿绻樒瑺铑w粒含量過(guò)高，則容易在拌和、壓實(shí)及交通荷載作用下發(fā)生碎裂，不利于顆粒間的嵌鎖，同時(shí)還可能改變?cè)械脑O(shè)計(jì)級(jí)配，導(dǎo)致路面構(gòu)造特征發(fā)生改變，進(jìn)而影響路面的抗滑性能。集料表面紋理粗糙程度還可以影響瀝青混合料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)（如孔隙大小、形狀和連貫情況），因而，可以對(duì)路面表面的宏、微觀構(gòu)造表現(xiàn)出不同的影響程度。另外，當(dāng)集料表面紋理粗糙時(shí)，有利于增加瀝青與集料的接觸面積，增強(qiáng)粘附力，即其他因素固定時(shí)，集料表面紋理越粗糙，吸附瀝青數(shù)量越多，集料與瀝青膠漿的粘附性性能就越好，在車(chē)輪搓揉荷載作用下集料也就不易從路面表面脫落，從而保障了路面表面構(gòu)造特征的。

4. 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在國(guó)內(nèi)為了提高瀝青路面的抗滑性能，通常的做法是采用特定級(jí)配的玄武巖和花崗巖質(zhì)集料做SMA瀝青路面或做薄層抗滑表層，在進(jìn)行材料組成和配合比設(shè)計(jì)時(shí)，較少考慮集料自身特性（包括表面微觀構(gòu)造特征、物理力學(xué)性能和化學(xué)性能）及其對(duì)瀝青混合料內(nèi)部及表面構(gòu)造特征的影響，這導(dǎo)致在不產(chǎn)玄武巖或花崗巖的地方修建抗滑表層不能就地取材，從而增加了路面建設(shè)的造價(jià)。另外，修建后的瀝青路面隨著行車(chē)荷載的反復(fù)作用，其表面構(gòu)造特征的變化主要取決于集料的微觀構(gòu)造特征、物理力學(xué)性能和化學(xué)性能。因此，為了更好地指導(dǎo)集料在公路瀝青路面建設(shè)中的應(yīng)用，掌握瀝青路面抗滑性能與路面表面構(gòu)造特性及與集料表面構(gòu)造特征的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性十分有必要。

[文章編號(hào)]1619-2737（2017）03-21-575

[作者簡(jiǎn)介] 賈圣東（1982.02-），男，漢族，籍貫：內(nèi)蒙商都人，學(xué)歷：工學(xué)博士，職稱(chēng)：高級(jí)工程師，工作單位：貴州高速公路集團(tuán)有限公司。