李志強(qiáng)

(山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(biāo)，即路面能否提供防止車輛輪胎滑動(dòng)和減少制動(dòng)距離的能力。根據(jù)摩阻力檢測(cè)方式的不同，摩擦系數(shù)分為制動(dòng)力系數(shù)和橫向力系數(shù)2種。制動(dòng)力系數(shù)只能表明車輛制動(dòng)距離的長(zhǎng)短，而橫向力系數(shù)不僅能夠體現(xiàn)車輛制動(dòng)距離長(zhǎng)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20—2007)采用橫向力摩擦系數(shù)SFC(Side-way Force Coefficient)作為檢測(cè)指標(biāo)，并通過SFC計(jì)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(biāo)，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(píng)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(cè)，也可以采用激光進(jìn)行快速檢測(cè)。

黃寶濤［1］開展了瀝青路面抗滑性能定量評(píng)價(jià)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(jī)分布特征，推導(dǎo)出了相關(guān)計(jì)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?jī)H從混合料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)混合料抗滑性能進(jìn)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(duì)路面性能的影響，不宜廣泛應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)工作中。吳晶等［2］開展了路面抗滑值測(cè)定方法對(duì)比及相關(guān)關(guān)系分析，對(duì)BPN(路面表層擺值)與SFC之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了回歸計(jì)算，得到了線性方程;但此方法在實(shí)際運(yùn)用過程中具有一定局限性，原因是擺式儀測(cè)試為縱向(平行行車方向)，而橫向力系數(shù)測(cè)試為橫向(垂直行車方向)，對(duì)于新建路面，兩者差異較小，但對(duì)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(cè)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(yàn)收評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，具有不可替代的重要性［3-4］。本文將重點(diǎn)對(duì)橫向力系數(shù)測(cè)定方法和構(gòu)造深度測(cè)定方法的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對(duì)橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析。

1 瀝青路面抗滑性能測(cè)試方法

1.1 橫向力系數(shù)測(cè)試方法

橫向力系數(shù)測(cè)試可采用雙輪式橫向力檢測(cè)設(shè)備，測(cè)試輪與車輛前進(jìn)方向成15°角。牽引車輛帶動(dòng)測(cè)定儀器向前行駛時(shí)，測(cè)試輪呈現(xiàn)“外八字”狀態(tài)，測(cè)試輪之間產(chǎn)生橫向拉力，橫向拉力由拉力傳感器測(cè)量，其大小與路面和輪胎之間的摩擦系數(shù)成正比。計(jì)算兩測(cè)試輪合成拉力與兩測(cè)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(cè)試速度一般為50 km·h－1，可采用水罐車作為儲(chǔ)水裝置及拖車，測(cè)定儀從拖運(yùn)平臺(tái)卸下后拖掛于車后方，接通數(shù)據(jù)及噴水管即可使用。測(cè)試前需預(yù)先對(duì)路面進(jìn)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(yàn)證橫向力測(cè)試設(shè)備檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選定5條已知橫向力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)路段路面進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，每次測(cè)試的速度和灑水量保持不變。通過與標(biāo)準(zhǔn)路面進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，得到雙輪式橫向力系數(shù)測(cè)值與已知路面SFC值的相關(guān)性，見式(1)。測(cè)試速度范圍為40～60 km·h－1，結(jié)果證明橫向力系數(shù)測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)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(cè)值;R2為相關(guān)系數(shù)。

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

表1 橫向力系數(shù)重復(fù)性試驗(yàn)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(duì)以上數(shù)據(jù)的分析可知:測(cè)值越小變異性越大，測(cè)值越大變異性越小;當(dāng)測(cè)值超過0.40時(shí)，變異系數(shù)小于2.50%，可滿足使用要求。

測(cè)試速度對(duì)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(shí)，為保證檢測(cè)設(shè)備的安全，防止發(fā)生側(cè)翻，需降低速度進(jìn)行檢測(cè)。為得到橫向力測(cè)試設(shè)備測(cè)試結(jié)果與測(cè)試速度的相關(guān)性，對(duì)同一段路面采用不同速度進(jìn)行橫向力系數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 不同檢測(cè)速度下橫向力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，當(dāng)檢測(cè)速度大于10 km·h－1時(shí)，橫向力系數(shù)測(cè)值與檢測(cè)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(cè)試速度增大時(shí)，測(cè)試輪與路面的接觸時(shí)間縮短，輪胎對(duì)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(duì)輪胎的滾動(dòng)摩擦力降低，導(dǎo)致測(cè)值降低;同理，在測(cè)試速度降低時(shí)測(cè)值增大。

圖1 檢測(cè)速度與橫向力系數(shù)的關(guān)系

1.2 激光構(gòu)造深度測(cè)試方法

宏觀紋理波長(zhǎng)在0.5～50 mm內(nèi)，這種波長(zhǎng)范圍的路面構(gòu)造振幅通常為0.1～20 mm，波長(zhǎng)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(jì)為特定范圍內(nèi)的值，如中國(guó)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(jì)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(cè)定適用于測(cè)試瀝青路面表面的平均斷面深度(MPD，記作DMP)，從而評(píng)價(jià)路面表面抗滑及排水能力，適于檢測(cè)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(cè)是隨車輛前進(jìn)路線的線狀帶檢測(cè)，與鋪砂法檢測(cè)(路面某面積范圍內(nèi))有一定的區(qū)別;且線性檢測(cè)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(cè)儀安裝部位有一定關(guān)系，對(duì)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，無法精準(zhǔn)確定兩者的關(guān)系，僅能在激光探頭的行進(jìn)路線處用手工鋪砂法測(cè)定構(gòu)造深度進(jìn)行比對(duì)。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(jìn)行測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)路段不易選取時(shí)，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(jī)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(jìn)行測(cè)試對(duì)比。

為檢測(cè)激光構(gòu)造深度測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過激光構(gòu)造深度測(cè)值(設(shè)備輸出值為平均斷面深度及其均方根 RMS)與標(biāo)準(zhǔn)值(傳感器測(cè)量構(gòu)造深度SMTD，記作DSMT)進(jìn)行對(duì)比，得到測(cè)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(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值具有較高的相關(guān)性，可通過公式進(jìn)行測(cè)值修正后使用。

2 瀝青路面抗滑性能不同測(cè)試方法對(duì)比分析

2.1 不同抗滑性能測(cè)試方法對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)比試驗(yàn)選擇在100 m長(zhǎng)的勻質(zhì)瀝青路面路段進(jìn)行，測(cè)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(bǔ)、拱起、車轍病害處，測(cè)試寬度不小于橫向力系數(shù)測(cè)試輪覆蓋寬度。由于橫向力系數(shù)的測(cè)定需要灑水，會(huì)對(duì)其他2種檢測(cè)方法造成影響，而人工鋪砂法會(huì)對(duì)激光構(gòu)造深度測(cè)試造成影響，因此測(cè)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(cè)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(cè)試路段前10 m為測(cè)試調(diào)整區(qū)，后90 m每10 m采集1個(gè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 路面抗滑性能不同檢測(cè)方法測(cè)試結(jié)果

由表3可知，橫向力系數(shù)檢測(cè)的變異性最小，其次為激光構(gòu)造深度，人工鋪砂法檢測(cè)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(cè)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(cè)試者手法有差異，因而變異性最大。

2.2 不同抗滑性能測(cè)試方法的適用性比較

由于采用的設(shè)備不同，得到的測(cè)試指標(biāo)不同，3種測(cè)試方法在實(shí)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(shí)際工程中的應(yīng)用情況，對(duì)3種測(cè)試方法的適用性進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 路面抗滑性能檢測(cè)方法應(yīng)用情況比較

3 瀝青路面抗滑性能指標(biāo)相關(guān)性分析

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

《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20—2007)中的抗滑性能表征采用了橫向力系數(shù)指標(biāo)，但構(gòu)造深度作為抗滑性能的另一個(gè)指標(biāo)，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(shí)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(shí)情況，沒有體現(xiàn)表面層集料性能、瀝青特性、路況環(huán)境對(duì)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(yàn)

室內(nèi)無法進(jìn)行橫向力系數(shù)測(cè)定，可采用擺式摩擦儀進(jìn)行摩擦系數(shù)的測(cè)定，雖然摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度2個(gè)指標(biāo)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(jí)配類型，分別測(cè)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(jí)配比較細(xì)密，故構(gòu)造深度與擺值均較小，而OGFC-16與SMA-16的2個(gè)指標(biāo)均較大;同時(shí)，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(yàn)評(píng)價(jià)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(shí)體路段測(cè)試

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

檢測(cè)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(cè)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(yùn)營(yíng)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(duì)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(qiáng)。

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(diǎn)。

(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(shí)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(jìn)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(xì)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(bǔ)性

在新建路面進(jìn)行橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度檢測(cè)時(shí)，兩者相關(guān)性較好;但對(duì)于已運(yùn)營(yíng)的路面，特別是即將改造的瀝青路面，在進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定時(shí)雖然測(cè)定了橫向力系數(shù)指標(biāo)，但還應(yīng)對(duì)構(gòu)造深度進(jìn)行檢測(cè)［12-14］。根據(jù)兩方面的檢測(cè)結(jié)果，共同確定路面技術(shù)改造方案。當(dāng)構(gòu)造深度滿足要求而橫向力系數(shù)不滿足要求時(shí)，應(yīng)對(duì)路面混合料原材料的選擇合理性進(jìn)行分析，增加路面的微觀構(gòu)造深度;當(dāng)構(gòu)造深度不滿足要求而橫向力系數(shù)滿足要求時(shí)，應(yīng)對(duì)混合料配合比進(jìn)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(cè)方法是最能直觀表現(xiàn)瀝青路面抗滑性能的測(cè)試方法，具有準(zhǔn)確性高、變異性小等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)試速度對(duì)測(cè)值有一定影響，在檢測(cè)過程中應(yīng)保持一定的速度;激光構(gòu)造深度檢測(cè)方法具有快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但其測(cè)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(cè)條件或檢測(cè)數(shù)量較少的情況，但測(cè)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(biāo)，在測(cè)試原理、影響因素方面存在差異，兩者相關(guān)性不強(qiáng)，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(cè)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(yàn)收時(shí)的抗滑性能指標(biāo)具有同等的重要性。在舊路抗滑性能評(píng)價(jià)時(shí)，雖然采用了橫向力系數(shù)指標(biāo)，但構(gòu)造深度在分析路面抗滑性能時(shí)也具有重要的作用，兩者應(yīng)配合使用。

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