李菁若，吳卓科，陳小莉，孫宏賢，譚 巍，李 娜

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067； 3. 海南省路橋投資建設有限公司，海南 ?？?570203； 4. 云南云嶺高速公路交通科技有限公司，云南 昆明 650032)

0 引 言

1988年我國第一條高速公路建成，之后高速公路得到了迅速發(fā)展，截至2017年底我國高速公路通車總里程達13.6×104km，居世界第一。至今，高速公路新建、維修養(yǎng)護的工程量依舊很大，然而高質(zhì)量抗滑集料(我國過分迷信玄武巖)卻漸用漸少。行業(yè)內(nèi)學者早在1983年就提出應加大力度尋找或開發(fā)新集料或考慮原本不被看好的集料甚至某些指標不合格的集料[1]。于1999年9月通車的隆納路、2000年12月通車的達渝路、2007年12月通車的渝湘高速公路水界段(AC-13C)和2016年1月通車的云南龍瑞高速公路(SMA-13)均嘗試使用石灰?guī)r集料鋪筑了抗滑表層作為試驗路面；在渝湘高速公路水界段(AC-13C)亦鋪筑了砂巖抗滑試驗路；云南龍瑞高速公路上亦鋪筑了長距離石灰?guī)r與玄武巖互摻試驗路； 2010年12月通車的26 cm厚長壽命江西九瑞高速公路(AC-13C)鋪筑了輝綠巖抗滑試驗路；西藏第一條高速公路拉林路(2015年6月通車)及米林機場路(2015年8月通車)鋪筑了卵石破碎的花崗巖抗滑試驗路(AC-13C)；2014年7月通車的新疆塔城-克拉瑪依-烏爾禾-阿爾泰路及烏蘇-賽里木湖(一級改高速)路鋪筑了安山巖、凝灰?guī)r抗滑試驗路(AC-13C)等。由此可見，隨著公路建設的快速發(fā)展，修筑高速公路抗滑表層時，建設者逐漸擺脫一味迷信玄武巖的束縛，開始綜合考慮采納地材，從而大大降低工程造價、維持公路建設的可持續(xù)發(fā)展。

大量工程實踐表明，地材在高速公路瀝青路面抗滑表層中的應用需要解決3大關鍵技術問題為：① 如何優(yōu)選抗滑性能較好的地材？② 如何提升優(yōu)質(zhì)地材的抗滑性能？③ 如何對優(yōu)質(zhì)地材的抗滑耐久性進行評價？前期研究中，已研究出粗集料抗滑耐磨性能評價新方法[2]和地材篩選技術[3]，并通過了實際工程驗證。筆者主要針對后兩項關鍵技術開展研究工作，包括瀝青混合料抗滑性能評價指標的確定、各類瀝青混合料抗滑性能對比分析與抗滑性能提升技術、瀝青路面抗滑壽命預估方法等。

1 測試儀介紹

圖1為自動化表征集料或瀝青混合料動態(tài)摩擦特性測試儀。圖1中：該測試儀驅(qū)動系統(tǒng)為由伺服電機與絲桿組成的電缸，利用轉(zhuǎn)子瞬間完成加減速，帶動磨具做勻速直線往返運動，從而保持有效磨光磨耗過程中的勻速運動。加載系統(tǒng)為氣缸，作用于試樣中心點，具有自動找平功能，從而保證當試件出現(xiàn)表面不平整或具有高度差時的均勻施荷。另外，在測試儀內(nèi)部放置了各種類型傳感器，通過觸摸屏，可實時記錄、觀看、讀取、回放、儲存、拷貝數(shù)據(jù)，同時也具有加熱系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)等，可用于模擬溫濕狀況變化。

圖1 集料/瀝青混合料摩擦特性測試儀Fig. 1 Friction characteristic tester of aggregate and asphalt mixture

測試儀用途包括：篩選能夠用于高速公路瀝青路面抗滑表層的集料、瀝青混合料、抗滑性能提升方案等；預估基于抗滑性能瀝青路面使用壽命；評價薄層養(yǎng)護材料黏結(jié)性能、磨耗性能、抗滑性能等。其中，測試儀所用的瀝青混合料板試件尺寸為300 mm×150 mm×50 mm；制作方法同輪碾法瀝青混合料試件制作方法。

測試儀的主要參數(shù)有滑溜率(為100%)、運行速度(最大值為45 Hz，建議設定范圍為0～30 Hz)、施荷范圍(0～300 kg)、單程位移(230～260 mm)、荷載作用面積〔(120×100)mm2〕、溫控范圍(室溫～60 ℃)、水膜厚度(0～5 mm)。測試儀同瀝青路面現(xiàn)場橫向力系數(shù)測試車一樣，均是在一定滑溜率下測定的路面滑動摩阻力。同時根據(jù)電缸驅(qū)動特點可知，拉壓力傳感器均是在每個單次單向磨耗過程中的勻速運行段內(nèi)采集的有效數(shù)據(jù)，且勻速狀態(tài)下拉力與摩擦力相等，因此拉壓力傳感器測出的拉力數(shù)值與試件板被施加的正壓力數(shù)值之比即為動態(tài)摩擦系數(shù)。

2 基于抗滑性能的壽命預估

基于實際瀝青路面不同車道的現(xiàn)場抗滑性能測試數(shù)據(jù)與室內(nèi)抗滑性能測試數(shù)據(jù)擬合分析，確定抗滑壽命預估方法。

2.1 測試儀運行次數(shù)與交通量的相關性

在G56九江段高速公路瀝青路面上，筆者對其應急車道、行車道和超車道抗滑表層進行了切割取樣；并采用自研摩擦特性測試儀對切割試件進行了室內(nèi)加速加載磨光磨耗試驗，結(jié)果如圖2。

圖2 不同車道試件板的動態(tài)摩擦系數(shù)衰減曲線Fig. 2 Attenuation curve of dynamic friction coefficient of test pieces in different lanes

G56九江段高速公路瀝青路面在經(jīng)歷約4.83 a的行車磨光磨耗后，行車道磨損最為嚴重，室內(nèi)測試的動態(tài)摩擦系數(shù)為0.52；超車道次之，動態(tài)摩擦系數(shù)為0.58；應急車道略處于輕微磨光磨損狀態(tài)，動態(tài)摩擦系數(shù)為0.68。應急車道表面狀態(tài)可代表該高速公路瀝青路面抗滑能力的初始狀態(tài)。由圖2可見：行車道抗滑表層經(jīng)歷4.83 a的實際行車作用后，其磨光磨耗程度相當于應急車道試件板在室內(nèi)經(jīng)歷約6.753 9 h的抗滑性能衰減程度。據(jù)調(diào)研可知，G56九江段高速公路瀝青路面行車道在4.83 a間共通行17 452 417輛標準小型車?；谧匝心Σ撂匦詼y試儀的磨光磨耗1 h相當于實際路面約2 584 050輛標準小型車作用的交通量。至此，筆者提出了自研摩擦特性測試儀加載次數(shù)與實際交通量的關系。

2.2 瀝青混合料動態(tài)摩擦系數(shù)

筆者現(xiàn)場測試了G56九江路段橫向力系數(shù)SFC，同時取樣并在室內(nèi)測試了不同磨光磨耗狀態(tài)下的擺值BPN。根據(jù)JTG D50—2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》，計算出不同磨光磨耗狀態(tài)下的SFC值，并將其與之對應的Dμ值進行回歸分析，如圖3。

擬合方程為Y=-0.032 3+0.014 48X-7.637 1X2，相關系數(shù)為0.958 5，由此可見這兩者相關性極高，這與自研摩擦特性測試儀與現(xiàn)場橫向力系數(shù)測試車測試結(jié)果高度一致。根據(jù)JTG H10—2009《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》規(guī)定：高速公路橫向力系數(shù)SFC<40的路段，應采取一定措施(如加鋪罩面層等)提高道路表面抗滑力，結(jié)合擬合方程且當SFC=40時，動態(tài)摩擦系數(shù)Dμ=0.42，由此確定了Dμ混-臨=0.42，即高速公路動態(tài)摩擦系數(shù)Dμ<0.42路段應采取一定措施以提高道路表面抗滑能力。

圖3 SFC與動態(tài)摩擦系數(shù)的多項式回歸擬合曲線Fig. 3 Polynomial regression fitting curve of SFC and dynamic friction coefficients

2.3 瀝青路面使用壽命

筆者選取云南龍瑞高速公路新建瀝青路面兩種抗滑表層鋪筑方案作為研究對象。鋪筑方案為：① 由十五標石灰?guī)r作為集料鋪筑的SMA-13試驗路；② 由竹平山玄武巖(10～15 mm與3～5 mm規(guī)格)與興磊石灰?guī)r(5～10 mm與0～3 mm規(guī)格)互摻集料鋪筑的SMA-13試驗路。基于自研摩擦特性測試儀測試兩種試驗路抗滑性能，抗滑性能趨勢線分別為Y=-0.035 3X+0.663 4(相關系數(shù)0.956 9)、Y=-0.02X+0.68(相關系數(shù)0.9184)，當Y=Dμ混-臨=0.42時，X分別為6.90、13.0 h，即達到臨界動態(tài)摩擦系數(shù)時兩種試驗路分別經(jīng)歷了17 829 945、33 592 650輛標準小型車的磨光磨耗作用；融合車道系數(shù)后，計算出基于抗滑性能的單幅路面可以承受的交通量分別為29 229 418、55 069 918輛。最后，根據(jù)設計文件中的云南龍瑞高速公路交通量(單幅)預估曲線，預估出兩種試驗路的抗滑壽命分別為5.4、9.0 a。

3 瀝青混合料抗滑性能評價指標

路面抗滑性能的評價指標分為當前抗滑性能和抗滑耐久性兩個方面[4]。目前國內(nèi)外對路面抗滑性能的研究大多數(shù)是通過現(xiàn)場測試采集數(shù)據(jù)，這種方法歷時長、費用高、環(huán)境不易控制，成為路面抗滑研究的一大制約因素。因此基于室內(nèi)的短時間、低成本瀝青路面抗滑性能衰變規(guī)律研究就顯得十分重要[5-9]。筆者采用摩擦特性測試儀對瀝青混合料抗滑性能衰變規(guī)律進行了大量室內(nèi)試驗，并提出了相應的抗滑性能評價指標，包括動態(tài)抗滑性能和抗滑耐久性。

3.1 抗滑性能衰減過程分析及抗滑指標

表1為所采用各種巖性粗集料的基本物理力學性能；圖4為由各種巖性粗集料制備的瀝青混合料板抗滑性能變化曲線。

由圖4可見：經(jīng)過4 h加速加載磨光磨耗試驗后，各種巖性集料制備的瀝青混合料試件板抗滑耐磨性能基本以勻速率線性下降方式衰減。由此總結(jié)了長期磨光磨耗作用下路面材料抗滑性能衰減規(guī)律為：瀝青混合料隨著磨光磨耗運動的進行，首先發(fā)生壓密與遷移變形，同時伴隨著表面瀝青膜的磨損、磨耗，此為動態(tài)摩擦系數(shù)的快速下降階段；其次發(fā)生裹露集料的磨光磨耗，使得瀝青混合料表面變得越來越光滑，表現(xiàn)為動態(tài)摩擦系數(shù)越來越小，此為下降階段，下降速率主要取決于集料特性、氣候條件等；最后動態(tài)摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，這與實際路面抗滑性能的變化規(guī)律基本一致[10-12]。

表1 各巖性粗集料的基本技術性能Table 1 Basic technical performance of coarse aggregates with different lithology

圖4 各巖性混合料板抗滑性能衰減曲線Fig. 4 Attenuation curves of anti-sliding performance of asphalt mixture with different lithology

對于瀝青混合料抗滑性能評價指標的選取，筆者首先選取動態(tài)摩擦系數(shù)的衰減終值Dμ試驗終以及衰減速率ΔDμ作為定量評價指標，根據(jù)Dμ試驗終值評價瀝青混合料當前抗滑性能的大小，根據(jù)ΔDμ值預估瀝青混合料抗滑性能的趨勢速率，并結(jié)合兩者的大小定量評價瀝青混合料長期抗滑性能的優(yōu)與劣；其次選取瀝青混合料的臨界動態(tài)摩擦系數(shù)Dμ混-臨作為定量評價指標，用于預估瀝青混合料的抗滑壽命，其中Dμ混-臨是指基于摩擦特性測試儀加速加載磨光磨耗作用4 h后，瀝青混合料能用于高速公路瀝青路面抗滑表層的最小臨界動態(tài)摩擦系數(shù)值。根據(jù)實際瀝青路面現(xiàn)場橫向力系數(shù)SFC值與對應的取樣試件室內(nèi)動態(tài)摩擦系數(shù)Dμ值之間的擬合曲線可知：Dμ混-臨=0.42，即對于高速公路動態(tài)摩擦系數(shù)小于0.42的路段，應采取一定措施(如加鋪罩面層等)來提高路表面的抗滑能力。Dμ混-臨值與JTG H10—2009《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》中對于高速公路的SFC<40的路段應采取加鋪罩面層等措施提高路表面的抗滑能力的規(guī)定基本一致，從而也證明了Dμ混-臨=0.42具有一定合理性；再選取抗滑壽命作為定量評價指標，用于定量分析抗滑性能的耐久性，其中抗滑壽命是指根據(jù)抗滑性能衰減曲線計算出的達到Dμ混-臨時所需要的磨光磨耗時間，可見該時間綜合考慮了不同路面材料抗滑性能衰減速率與抗滑能力的最低要求。

3.2 不同類型瀝青混合料抗滑性能

3.2.1 不同巖性集料配制的瀝青混合料抗滑性能

所用集料為2種優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r、1種普通石灰?guī)r、2種玄武巖、2種輝綠巖、2種花崗巖；瀝青混合料類型為SMA-13型。表2為該部分的試驗結(jié)果。

表2 不同巖性集料SMA-13瀝青混合料抗滑壽命Table 2 Anti-sliding life of SMA-13 asphalt mixture with different lithology aggregates

由表2可見：由優(yōu)選的興磊石灰?guī)r制備而成的SMA混合料，抗滑壽命較普通石灰?guī)r制備而成的SMA混合料高出2倍左右；同時其抗滑壽命可達到由玄武巖制備的SMA混合料的58.5%、由輝綠巖制備的SMA混合料的82.0%、由花崗巖制備的SMA混合料的80.9%。

3.2.2 不同檔間隔摻配瀝青混合料抗滑性能

所用集料為十五標石灰?guī)r、江蘇玄武巖；瀝青混合料類型分別為SMA-13型、AC-13型。一般而言，不管是AC-13型級配還是SMA-13型級配，工程上往往將礦料分為4檔，即0～3、3～5、5～10、10～15 mm。因此，筆者采用石灰?guī)r與玄武巖按照上述4檔料交叉互摻方式進行摻配，摻配方案如表3。

表3 石灰?guī)r與玄武巖的混合集料摻配方案Table 3 Limestone and basalt blending schemes

圖5為該部分的試驗結(jié)果。由圖5可知：對于SMA-13型瀝青混合料，在石灰?guī)r集料中摻入玄武巖集料后，A～E這5組互摻方案的抗滑性能提高幅度相當，抗滑壽命較H組(石灰?guī)r瀝青混合料)提高了42.9%～53.5%；F組對石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性能的提高程度達到201.3%，為純玄武巖抗滑性能的95.8%。對于AC-13型瀝青混合料，在石灰?guī)r集料中摻入玄武巖集料后，B～E這4組互摻方案的抗滑性能提高幅度相當，抗滑壽命較H組提高了50.0%～64.1%；F組對石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性能的提高程度達到84.0%，為純玄武巖抗滑性能的82.1%。

圖5 不同檔間隔摻配下SMA-13型與AC-13型瀝青混合料的 抗滑壽命對比Fig. 5 Comparison of anti-sliding life between AC-13 and SMA-13 asphalt mixture with different blending schemes

3.2.3 不同級配類型的瀝青混合料抗滑性能

由圖5可見：對比分析AC型與SMA型不同級配類型的瀝青混合料抗滑性能優(yōu)劣。相同摻配方案下，SMA-13型級配瀝青混合料的抗滑壽命均大于AC-13型級配瀝青混合料，當選用SMA-13型級配時，瀝青混合料抗滑壽命可提高50%～200%。另外，在SMA-13型瀝青混合料中只需保證含有10～15 mm或5～10 mm中任1檔玄武巖的粗集料，即可達到AC-13型純玄武巖瀝青混合料抗滑壽命。

3.2.4 同種級配不同粗細程度的瀝青混合料抗滑性能

對比分析同一個級配類型下不同級配粗細程度對瀝青混合料抗滑性能的影響。SMA-13級配中：級配4最粗，級配2接近級配中值，級配1、4中4.75 mm及以下篩孔的通過率相同，均較級配3細。AC-13級配中：級配3位于級配中值上方，偏細；級配4、5均位于級配中值下方，偏粗；級配4、5中4.75 mm及其以下篩孔的通過率相同，且級配5稍粗于級配4。

圖6為該部分的試驗結(jié)果。由圖6可見：對SMA-13型級配和AC-13型級配，級配越粗抗滑性能越好；對SMA-13型瀝青混合料，通過調(diào)節(jié)級配粗細程度，抗滑壽命可提高47.9%，對AC-13型瀝青混合料，通過調(diào)節(jié)級配粗細程度，抗滑壽命可提高14.7%。

圖6 不同粗細級配SMA-13和AC-13的抗滑壽命Fig. 6 Anti-sliding life of SMA-13 and AC-13 asphalt mixture with different coarse-fine gradations

4 結(jié) 論

1)筆者自主研發(fā)了集料/瀝青混合料摩擦特性測試儀。該儀器能在加速、加載的同時自動測試路面材料動態(tài)摩擦系數(shù)，且明確了其測試原理、儀器參數(shù)與功能用途。

2)通過瀝青路面現(xiàn)場抗滑性能測試數(shù)據(jù)與室內(nèi)抗滑性能測試數(shù)據(jù)擬合分析，明確了自研測試儀加載次數(shù)與實際交通量的關系，確定了基于測試儀的瀝青路面抗滑性能養(yǎng)護決策臨界值，并提出了瀝青路面抗滑壽命快速預估方法。

3)提出了基于室內(nèi)快速、動態(tài)評價路面材料抗滑性能的測試方法與評價指標，包括衰減終值Dμ試驗終、衰減速率△Dμ、Dμ混-臨(為0.42)、抗滑壽命這4項指標。其中抗滑壽命指標有效結(jié)合了路面材料的當前抗滑能力和抗滑性能衰減速率兩個指標，可作為抗滑耐久性的評價指標；Dμ混-臨(為0.42)可用于篩選瀝青混合料及預估其抗滑壽命。

4)采用數(shù)字化定量方法明確了集料特性、摻配方案、級配類型與粗細程度等對瀝青路面抗滑性能影響程度，揭示了抗滑性能提升技術與方案，為高速公路抗滑表層用集料、級配的選擇提供了強有力的技術支撐，工程應用時的指導意義重大。

5)研究成果被用于云南龍瑞高速公路抗滑表層工程中，對路用集料的可持續(xù)發(fā)展、工程造價的有效降低、工期的順利保證等意義重大；并對其中的兩段試驗路抗滑壽命進行了預估：純石灰?guī)r集料鋪筑的SMA-13試驗路、玄武巖與石灰?guī)r集料互摻鋪筑的SMA-13試驗路抗滑壽命分別為5.4、9.0 a，該抗滑壽命的預估對制定養(yǎng)護決策、提高行車安全、保護人民生命財產(chǎn)意義重大。