顆粒污染物對AC-13瀝青路面抗滑性能影響

胡 力 群， 許 松， 徐 峰， 贠 迪

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引 言

車輛在城市道路行駛過程中，瀝青路面的抗滑性能對于行車安全有很大的影響.影響瀝青路面抗滑性能的因素有很多，例如輪胎的結構類型、花紋、胎壓，瀝青路面的形貌紋理，輪胎與路面之間的介質(zhì)(水、冰雪、路面污染物)，溫度和季節(jié)的變化等[1].一些學者提出車輛胎面與路面的接觸狀況將影響車輛在路面上行駛的抗滑性能，由于瀝青路面的成型方式，路表面的集料之間存在一定的空隙，他們認為這些空隙的分布以及疏密程度對路面結構的改性和對路面與輪胎之間的接觸密切相關，從而影響路面的抗滑性能.例如Yun等提出了輪胎與路面實際接觸面積的概念，而這會是影響路面抗滑性能的關鍵[2].道路表面的污染物會進入這些空隙中，直接影響輪胎與路面的接觸，從而影響路表面的抗滑性能.

城市道路上的污染物是一個較為寬泛的概念，包括許多不同類型，例如在雨雪天氣時，路面上的雨水與冰雪類污染物；路面結構在行車荷載與環(huán)境因素作用下被剝離的集料和碎屑；車輛在路面上行駛過程中帶來的砂石、灰塵；車輛行駛過程中散落在路面上的機油等[3].有學者對受油污染影響的瀝青路面進行檢測，結果顯示該路段的抗滑性能已不符合相關規(guī)范對抗滑性能的規(guī)定，說明機油類污染物會大大加快瀝青路面抗滑性能的衰減速率[4].然而，由于集料與碎屑的脫落需要經(jīng)過對路面長時間的磨損才會產(chǎn)生；并且由于目前車輛性能越來越好，城市道路中散落在路面上的機油也日益減少，城市道路上的污染物主要還是以砂石、灰塵、雨水為主.

摩擦是兩個接觸表面相互作用從而引發(fā)的滑動阻力并帶來一定的能量損耗.輪胎與路面之間的摩擦可以視為高彈性的橡膠材料與剛性路面之間的摩擦，其摩擦機理主要歸納為以下幾個方面：(1)輪胎與路面接觸所產(chǎn)生的分子引力作用.(2)輪胎與路面間的黏附作用，例如胎-路間的靜電吸引使路面上出現(xiàn)黏附的橡膠顆粒.(3)路面上的微凸體在荷載作用下對胎面產(chǎn)生微切削作用，使得胎-路接觸過程中產(chǎn)生阻力.有學者認為路面上的這些顆粒污染物一方面改變了路面的表面紋理，另一方面影響了輪胎與路面的直接接觸，改變了摩擦力產(chǎn)生的條件，從而會對路面的抗滑性能產(chǎn)生較大的影響.

為了研究這些顆粒污染物對路面抗滑性能的影響，有必要對污染物的粒徑大小進行研究.因為不同粒徑的顆粒污染物會從兩方面改變路面的表面紋理，降低路面的抗滑性能，一方面是粒徑較小的污染物埋于路面宏觀結構中，會堵塞路面表面空隙，從而降低路面摩擦因數(shù)；另一方面，較大粒徑的污染物會覆蓋路面表面，阻礙車輪與路面直接接觸，對路面起到潤滑作用，從而降低路面摩擦因數(shù)[5].因此，在研究污染物對抗滑性能的影響時，對污染物的組成和粒徑分析也十分重要.

有學者在室內(nèi)通過試件的表面紋理更加細致地研究路面的抗滑性能.例如，有些學者[6]制作了被污染物覆蓋的試件，并利用微觀結構測試儀觀察其表面紋理，發(fā)現(xiàn)污染物不僅堆積在路表面的空隙中，也存在于路面集料的頂部.曹平[7]選取了水、潤滑油、泥粉、砂等作為污染物，研究其對瀝青路面抗滑性能的影響，用英國擺式儀(BPT)測試擺值并換算成瀝青路面的摩擦因數(shù).在室內(nèi)實驗室內(nèi)搭建了瀝青路面宏觀結構試驗臺，采用針形輪廓儀測量瀝青路面試樣的宏觀和微觀形貌，嘗試對瀝青路面形貌進行描述，結果表明污染物分布越密集對抗滑性能的負面影響越大.

然而，在室外以實際道路作為研究對象進行測試，可以更加真實反映污染物對路面抗滑性能的影響.部分學者從2003年到2006年采用實際路面試驗與室內(nèi)加速拋光試驗探討路面的抗滑性能[8].前期研究表明，抗滑值可能會有短期的變化，這種變化會受到一些相關因素的影響，包括骨料性質(zhì)和路面污染物特性等.后期的研究顯示，在實驗室加速拋光和污染物會使骨料表面的粗糙度發(fā)生較大變化，加速拋光前后路面抗滑性能的差異與集料的性質(zhì)和污染物的類型有關.

實際工程中，瀝青路面的種類有很多，例如OGFC、SMA等，本研究將在室外以一段典型的AC-13型瀝青路面作為待測路段進行研究，以解釋污染物質(zhì)量分數(shù)和種類的變化對路面抗滑性能的影響，為建立路面性能與環(huán)境因素之間的關系奠定一定的基礎.

1 材料與試驗方法

1.1 城市道路污染物采集與組成分析

本研究通過咨詢當?shù)氐牡缆翻h(huán)保部門，分析周圍各個主干道的車輛通行情況，綜合考慮，從西安市南二環(huán)的3段城市道路(A路段、B路段、C路段)，如圖1所示，運用城市道路吸塵車收集每段路上的污染物，這種城市道路吸塵車已經(jīng)被證實既可以從路面有效地收集固體顆粒，同時也可以保證所收集的固體顆粒的物理化學特性不發(fā)生改變[9].然后對收集到的污染物進行分類，其組成類型如圖2所示.

圖1 西安市南二環(huán)市區(qū)3段城市道路

如圖2(a)所示，片狀污染物包括樹葉、塑料袋、香煙和煙盒.它們多出現(xiàn)在道路的中間和邊緣，不僅降低了路面的抗滑性，而且嚴重破壞了路面的外觀.如圖2(b)表明，當車輛行駛時，輪胎和路面之間存在砂礫，使輪胎無法直接接觸路面，削弱路面的抗滑性.砂子的尺寸比礫石小，對抗滑性的影響相對較小，但其影響抗滑的作用機理與砂礫影響抗滑作用機理是一致的，如圖2(c)所示.粉塵將填充路面集料之間的空隙，堵塞路面表面，從而改變?yōu)r青路面的紋理，降低路面的粗糙度，影響路面的抗滑性，如圖2(d)所示.雨水在瀝青路面上形成一層水膜，使瀝青路面濕滑，嚴重降低了路面的抗滑性，如圖2(e)所示.

圖2 不同類型的污染物

路面抗滑性能與污染物類型有關.根據(jù)上述對污染物的分類，本研究將其分為三大類：(1)片狀污染物；(2)砂塵類污染物(礫石、砂子、粉塵)；(3)液態(tài)污染物(水).顯然，砂塵類污染物的粒徑大小不一，對路面的抗滑性能影響也是不同的[8].需要分析砂塵類污染物的粒徑大小分布，利用振動搖篩機對這些砂塵類污染物進行了初步篩分.根據(jù)粒徑大小將砂塵類污染物分為5類：>2.4 mm(礫石)；1.2～2.4 mm(a砂)；0.6～1.2 mm(b砂)；0.3～0.6 mm(c砂)；<0.3 mm(粉塵)，并測量各類污染物所占的比例.由于振動搖篩機的篩分孔徑有限，為了得到更細小粉塵的粒徑分布，利用激光粒度分析儀對相對較小的污染物顆粒(粉塵)進行分析.激光粒度分析儀通過光散射原理測量粒子的大小和分布，可以實現(xiàn)從亞納米到微米范圍的全覆蓋.本研究的激光粒度分析儀量程為0.01～3 000 μm，可以更準確地對污染物的粒度分布進行分析.

1.2 鋪撒污染物

由于片狀污染物的形狀不規(guī)則，在路面上的分布不均勻，無法準確地得出其對路面抗滑性能的影響，因此，本文主要研究液態(tài)污染物和5種砂塵類污染物對AC-13瀝青路面抗滑性能的影響.為了定量地模擬真實情況下城市道路污染程度變化，采用污染物在路面空隙間的填充率作為評價污染程度的基準.定義填充率P如下式：

P=V/dS

(1)

式中：V為污染物體積(mL)，d為路面構造深度(mm)，S為被污染面積(200×200 mm2).采用鋪砂法確定待測路面的構造深度，在待測路面上選取特征點，用鋪砂法攤平25 mL的標準砂，得到攤平砂的直徑，如表1所示.

表1 攤平砂的平均直徑

路面的構造深度即為標準砂的體積與25 mL標準砂所攤鋪成圓形的面積之比，計算公式如下：

(2)

式中：Vs為砂的體積(25 mL)，D為攤平砂的平均直徑(mm)，由上述公式可計算出待測路面的構造深度為0.42 mm.再計算200×200 mm2范圍內(nèi)污染物填充率分別為0、2.5%、5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%時的污染物體積與鋪撒密度，結果如表2所示.

表2 不同填充率對應的污染物體積和鋪撒密度

本文選取西安地區(qū)常見的路面結構類型AC-

13瀝青路面作為試驗段，模擬城市道路的實際情況.該試驗段所用的混合料類型為瀝青混凝土；集料的公稱最大粒徑為13 mm；試驗段所用的骨料主要為石灰石.為了使污染物鋪撒均勻，鋪撒時采用網(wǎng)格法對待測區(qū)域進行精確劃分.本研究采用如圖3(c)所示的200 mm×200 mm木質(zhì)框架，以保證污染物的均勻分布.試驗開始前，將試驗區(qū)域劃分為20 cm×300 cm的若干條待測路面區(qū)域，如圖3(a)所示，并用吸塵器清掃各區(qū)域路面，如圖3(b)所示.在試驗過程中，使用量筒對不同質(zhì)量分數(shù)的污染物進行定量.隨后，將它們分別放入一個塑料容器中，并使用一個木質(zhì)框架均勻地鋪在每個測試區(qū)域，如圖3(c)所示.每條車道用木質(zhì)框架鋪撒污染物15次，直到待測路面區(qū)域被規(guī)定質(zhì)量分數(shù)的污染物所覆蓋.

圖3 污染物鋪撒過程

實際城市道路中，在降雨情況下，污染物對路面抗滑性能的影響更嚴重.根據(jù)當?shù)貧庀缶痔峁┑慕邓闆r，本研究以水膜厚度<0.4 mm，0.4～1 mm，1～2 mm分別模擬不同降雨情況.為了模擬實際道路的真實污染情況，用噴壺將水噴灑在含有污染物的干燥道路上，以保證每次試驗的灑水量相同.經(jīng)計算，每個試驗段分別噴灑了266.4、532.8和1 598.4 mL的水，分別模擬了小、中、大雨.

1.3 路面抗滑試驗

摩擦因數(shù)采用連續(xù)摩擦因數(shù)測定儀T2GO(ASFT Industries ABTM，瑞典)進行測試，它是一種連續(xù)便攜式摩擦測試設備，如圖4所示.該儀器主要由前后兩個胎壓為50 kPa的輪胎與路面接觸，用皮帶連接兩輪，通過皮帶上側的力學傳感器將輪胎的摩擦因數(shù)傳輸?shù)桨咽痔幍牟僮鲉T控制系統(tǒng)，具有全自動操作系統(tǒng)，可以在測試過程中自動連續(xù)地采集數(shù)據(jù)的變化.與一般摩擦因數(shù)試驗車相比，T2GO體積小，儀器總質(zhì)量僅為21 kg，操作方便，適用于小面積路面的抗滑試驗[10].值得一提的是，在使用T2GO時，最大速度僅需要保持在4 m/s以下，T2GO系統(tǒng)單人便可操作，這就意味著在步行速度下可以得到摩擦因數(shù).數(shù)據(jù)每隔0.03 m保存一次，并能夠顯示所需距離的平均摩擦因數(shù)[11].綜上所述，T2GO適合于本工作中的數(shù)據(jù)收集.

圖4 連續(xù)摩擦因數(shù)測定儀(T2GO)

采用網(wǎng)格法將不同質(zhì)量分數(shù)的污染物鋪撒在待測路面區(qū)域后，勻速移動T2GO測試儀測量測試區(qū)域的平均摩擦因數(shù)，如圖5(a)所示.測試完成后，去除該區(qū)域的污染物，重復上述試驗步驟進行下一組試驗.為了避免測試錯誤，每組測試共進行3次平行試驗.若試驗誤差超過5%，則需重復測試.最后的試驗數(shù)據(jù)取3個測試結果的平均值.

在干燥條件下進行試驗后，使用噴壺在每個試驗段上噴灑不同體積的水，模擬潮濕條件.用同樣的測試方法測試含水路面的摩擦因數(shù)，如圖5(b)所示.

圖5 摩擦因數(shù)測試

2 結果與討論

2.1 污染物的粒徑分布

收集到的砂塵類污染物通過振動搖篩機進行初步篩分，得到不同粒徑大小對應的質(zhì)量分數(shù)，如圖6所示.由A、B、C路段的污染物篩選結果發(fā)現(xiàn)，粉塵占砂塵類污染物的比例最大，達到50%～60%.c砂占20%～25%，b砂約占13%，a砂占3%～4%，礫石約占5%.可以得出結論，粉塵含量占到砂塵類污染物的一半以上，并且在砂塵類污染物中，粒徑越小的顆粒所占比例較大.

圖6 砂塵類污染物初步篩分結果

從西安市南二環(huán)路收集到的污染物大部分為粉塵，而實際影響路面抗滑性能的是這些粉塵的體積分數(shù)而不是質(zhì)量分數(shù).因此，采用激光粒度分析儀分析粉塵類污染物的體積分數(shù)φ，結果如圖7所示.

圖7 各路段粉塵激光粒度分析結果

圖7中的結果顯示從A、B、C 3段路上收集到的粉塵污染物粒徑分布分別為0.418～549.496 μm、0.422～724.389 μm和0.051～137.965 μm.在分析C路段的粉塵粒徑時，圖7(c)中出現(xiàn)了一段粒徑分布為0.051～0.355 μm的凸起，但這一粒徑范圍在路段A和路段B中沒有出現(xiàn).如圖所示，3段城市道路上的粉塵污染物粒徑分布大多集中在10～300 μm，其中占比最多的是粒徑為50 μm左右的顆粒.但由于從單顆粒分析，粒徑為50 μm的顆粒體積明顯小于粒徑為300 μm的顆粒，因此粒徑為50 μm的顆粒數(shù)明顯多于其他粒徑的顆粒數(shù).從上述分析可以得出結論，在實際城市道路中，砂塵類污染物主要由粒徑為50 μm的粉塵所組成.

2.2 摩擦因數(shù)

摩擦因數(shù)是評價路面抗滑性能的一個重要指標.各種被污染路面的平均摩擦因數(shù)由T2GO系統(tǒng)測試得出.圖8是在干燥情況下，污染物質(zhì)量分數(shù)與平均摩擦因數(shù)的關系曲線.在干燥條件下，加入污染物之后路面摩擦因數(shù)開始降低，不同污染情況下路面摩擦因數(shù)均隨污染物質(zhì)量分數(shù)的增加而減小.無論粒徑大小如何，摩擦因數(shù)從一開始的急劇下降到后來逐漸趨于平穩(wěn).當污染物質(zhì)量分數(shù)達到80%～100%時，摩擦因數(shù)基本不變.

圖8 5種粒徑的污染物在干燥條件下質(zhì)量分數(shù)與路面摩擦因數(shù)的折線圖

當污染物質(zhì)量分數(shù)相同時，隨著污染物粒徑的增大，摩擦因數(shù)的減小幅度也隨之增大.在5類污染物中，粉塵對瀝青路面摩擦因數(shù)下降的影響最小.但當污染物粒徑達到0.6 mm以上，摩擦因數(shù)的差異變化不大.當污染物質(zhì)量分數(shù)為100%，被粉塵和c砂污染的路面的摩擦因數(shù)降低了28%和42%，b砂、a砂和礫石的摩擦因數(shù)降低了52%～56%.當污染物質(zhì)量分數(shù)相同時，污染物粒徑大小對路面摩擦因數(shù)的影響也是不同的.從圖8可以看出，當各污染物質(zhì)量分數(shù)均小于10%時，粉塵和c砂的摩擦因數(shù)均小于b砂、a砂和礫石的摩擦因數(shù).而當污染物質(zhì)量分數(shù)大于10%時，粉塵與c砂的摩擦因數(shù)的下降速率降低，下降趨勢趨于平緩，導致此時b砂、a砂和礫石污染物的摩擦因數(shù)低于c砂和粉塵的摩擦因數(shù).

由于單顆大粒徑污染物的體積明顯大于單顆小粒徑污染物的體積，當總體積相同時，前者的污染物顆粒數(shù)明顯少于后者.在鋪撒污染物的過程中，本研究發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量分數(shù)為10%的情況下，大尺寸的礫石只能散落在路面上，對路面抗滑性能影響不均勻，大粒徑污染物的摩擦因數(shù)高于小粒徑污染物的.隨著污染物質(zhì)量分數(shù)的增加，b砂、a砂、礫石的數(shù)量繼續(xù)增加，對摩擦因數(shù)的影響越來越顯著，但粉塵和c砂對道路摩擦因數(shù)的影響變化不大.因此，本研究發(fā)現(xiàn)當污染物質(zhì)量分數(shù)大于10%時，大粒徑污染物的摩擦因數(shù)急劇下降，但小粒徑污染物的摩擦因數(shù)下降速度較慢，導致隨著污染物質(zhì)量分數(shù)的上升，大粒徑污染物的摩擦因數(shù)低于小粒徑污染物的摩擦因數(shù).

通過污染物質(zhì)量分數(shù)與實測摩擦因數(shù)的散點圖，再進行曲線擬合，進一步分析了污染物質(zhì)量分數(shù)與路面抗滑性能之間的關系.各曲線的擬合優(yōu)度如圖9所示.經(jīng)過曲線擬合，得出擬合函數(shù)為漸近線型指數(shù)函數(shù)，曲線擬合收斂，且擬合優(yōu)度均接近1.

圖9 5種污染物與路面摩擦因數(shù)關系擬合曲線

相較于其他類型的污染物，粉塵與水結合會產(chǎn)生類似于泥漿之類的產(chǎn)物，對路面起到潤滑的作用，嚴重影響抗滑性能[12-13]，本研究討論了被8種不同質(zhì)量分數(shù)2.5%、5%、10%、20%、40%、60%、80%和100%粉塵污染的路面在潮濕狀態(tài)下的抗滑性能.潮濕與干燥狀態(tài)下粉塵摩擦因數(shù)變化趨勢不同.在不同降雨情況下，摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)出先增大后減小后又略微增大的趨勢，最終隨粉塵質(zhì)量分數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定，如圖10所示.當粉塵質(zhì)量分數(shù)為0時，路面上的污染物僅為雨水，此時摩擦因數(shù)較小；當粉塵質(zhì)量分數(shù)略增時，粉塵進入路表面的空隙中，填充了一些細小的空隙，從而增加了車輪與路面的接觸面積，導致摩擦因數(shù)上升；當粉塵質(zhì)量分數(shù)增加到一定量時，粉塵與水混合形成泥漿，使輪胎打滑，摩擦因數(shù)開始下降；之后，粉塵質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加，車輪直接與粉塵顆粒接觸，摩擦因數(shù)略增后趨于穩(wěn)定.

圖10 不同降雨條件下粉塵質(zhì)量分數(shù)與路面摩擦因數(shù)的關系

鑒于其他4種污染物在潮濕情況下摩擦因數(shù)變化趨勢相似，此處以礫石為代表進一步分析.在潮濕條件下測量礫石質(zhì)量分數(shù)為5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%時路面的摩擦因數(shù)，并繪制折線圖，如圖11所示.當?shù)[石質(zhì)量分數(shù)為5%時摩擦因數(shù)與無礫石時相似，之后摩擦因數(shù)隨著礫石質(zhì)量分數(shù)的增加而急劇下降，之后趨于平穩(wěn)，這與粉塵污染物的趨勢曲線不同，這是由于礫石和水混合沒有形成泥漿.當?shù)[石質(zhì)量分數(shù)較低時，其分散在路表面，因此，礫石對摩擦因數(shù)的影響不顯著；但當?shù)[石質(zhì)量分數(shù)達到10%左右時，摩擦因數(shù)急劇下降，此時大部分車輪與路面的滑動摩擦變?yōu)檐囕喤c礫石的滾動摩擦，同時減少了車輪的實際接觸面積，使得摩擦因數(shù)迅速降低；但之后隨著礫石的增加，其對摩擦因數(shù)影響不大.

圖11 不同降雨條件下礫石質(zhì)量分數(shù)與路面摩擦因數(shù)的關系

接下來，分析不同降水量對被污染路面抗滑性能的影響.從圖8和圖11中可以看出，在干燥和小雨情況下，被礫石污染路面的摩擦因數(shù)基本相同，說明當降水量很小時，礫石質(zhì)量分數(shù)對路面摩擦因數(shù)影響不大；當降水量達到中雨時，摩擦因數(shù)整體下降較為明顯；降水量從中雨增大到大雨時，摩擦因數(shù)變化不大，這可說明只有當降水量達到某一范圍時，路面摩擦因數(shù)才發(fā)生突變，這和水膜厚度與路面摩擦因數(shù)的關系是一致的[12-13].

3 結論和展望

(1)我國城市道路中的污染物大致可分為城市垃圾片狀污染物、砂塵類污染物、雨水等其他液態(tài)污染物.本研究發(fā)現(xiàn)，粉塵類污染物(粒徑小于0.3 mm)占砂塵類污染物的50%～60%，并且粉塵類污染物粒徑主要集中在10～300 μm.

(2)在干燥狀態(tài)下，隨著砂塵類污染物質(zhì)量分數(shù)的增加，路面摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先快速降低，之后逐漸平緩的趨勢，通過曲線擬合，得出污染物質(zhì)量分數(shù)和摩擦因數(shù)呈指數(shù)型下降趨勢，并且污染物粒徑越大，摩擦因數(shù)下降的趨勢越明顯.即在城市道路中，路面的污染狀況越嚴重，路面的摩擦因數(shù)越小.

(3)降雨條件下，不同粒徑的污染物對路面抗滑性能的影響是不同的.隨著小粒徑污染物質(zhì)量分數(shù)的增大，路面摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但隨著大粒徑污染物質(zhì)量分數(shù)的增大，路面摩擦因數(shù)始終呈下降趨勢.即在潮濕狀態(tài)下，污染物會對路表面的抗滑性能造成更加嚴重的影響.

本文評價了污染物對瀝青路面抗滑性能的影響，結論有助于了解污染物質(zhì)量分數(shù)和類型與路面抗滑性能之間的關系.路面抗滑性能與輪胎性質(zhì)、路面類型、環(huán)境情況、行車速度等因素有密切聯(lián)系[14-16].后續(xù)可進一步開展不同測試速度下，污染物對不同類型路面抗滑性能以及表面紋理的影響.