程培峰 沈思彤

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

黑龍江省季凍區(qū)冬季時(shí)間長(zhǎng)，降雪長(zhǎng)期存在于路表面，導(dǎo)致路面摩擦系數(shù)長(zhǎng)時(shí)間處于較低水平,車輛操作困難，制動(dòng)距離縮短，極易發(fā)生制動(dòng)失穩(wěn)、側(cè)滑、追尾等交通事故[1-4]。瀝青瑪脂碎石混合料(SMA)，因具有良好的路用性能和抗滑性能，常被用作抗滑面層[5]。因此，本文將對(duì)季凍區(qū)氣候條件下的SMA抗滑性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法

根據(jù)黑龍江省(季凍區(qū))氣候特點(diǎn)，選取季凍區(qū)氣候條件下形成的幾種典型的冰雪路面狀態(tài)，以SMA-13和SMA-16為研究對(duì)象，制備車轍板試件，首先通過(guò)鋪砂法測(cè)試試件在干燥狀態(tài)下的初始表面紋理特性，所得構(gòu)造深度值如表1所示，然后通過(guò)擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行抗滑性能研究。進(jìn)行抗滑性能試驗(yàn)時(shí)，不按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行灑水處理和溫度修正換算，以免影響不同路面狀態(tài)的模擬和抗滑能力的比較。

表1 試件表面紋理特性

由表1對(duì)比兩者平均構(gòu)造深度值大小可知：SMA-16>SMA-13，差值達(dá)13.9%，說(shuō)明SMA-16瀝青路面表面宏觀構(gòu)造更粗糙。

2 雪狀態(tài)

2.1 松雪路面

松雪路面是指飛雪落到地面后未經(jīng)車輪碾壓的自然堆積形成的路面。模擬試驗(yàn)方法如下，試驗(yàn)溫度為-15 ℃，采用人工鋪灑的方式，將事先收集好的雪，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)控制撒雪量，均勻鋪灑在試件表面，模擬不同降雪量下的松雪路面狀況，最后利用擺式儀測(cè)試其抗滑性能，測(cè)試方法如前面所述，松雪狀態(tài)下SMA路面抗滑擺值試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1數(shù)據(jù)分析可知，兩種路面在松雪狀態(tài)下抗滑擺值隨撒雪量的增加，呈現(xiàn)先下降后上升，最終趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。當(dāng)試件表面存在少量雪顆粒(撒雪量為25 g)時(shí)，路表摩擦接觸面狀態(tài)改變，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程觀察可知，橡膠塊與雪顆粒摩擦生熱部分融化，使摩擦系數(shù)大幅下降。隨著撒雪量的增加，摩擦系數(shù)逐漸下降，但下降幅度變緩，考慮是摩擦生熱而融化的雪量進(jìn)一步增加導(dǎo)致的。當(dāng)撒雪量增加到擺值最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)位置時(shí)(SMA-13為100 g雪，SMA-16為125 g雪)，松雪基本將試件表面凹陷處填平，繼續(xù)增加撒雪量，橡膠塊對(duì)雪產(chǎn)生挖掘作用，擺式儀受到雪的阻力，造成摩擦系數(shù)出現(xiàn)小幅度上升，直至最后再增加撒雪量對(duì)摩擦系數(shù)幾乎沒(méi)有影響，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。

降雪初期即撒雪量較少時(shí)，SMA-16路面由于構(gòu)造深度較大，擺值下降幅度比SMA-13小，且變化趨勢(shì)較SMA-13延遲，當(dāng)降雪量增加到一定程度，兩種不同級(jí)配的路面抗滑擺值都相對(duì)于初始值降低約38%，且最終都穩(wěn)定在54左右，因?yàn)榇藭r(shí)路面抗滑性能主要受到雪覆蓋的影響，受到路表面構(gòu)造形態(tài)影響較小。從數(shù)值上來(lái)看，SMA-16路面在降雪初期相較SMA-13路面具有更好的抗滑性能，但在降雪天氣下，SMA路面也表現(xiàn)出相對(duì)于相同溫度干燥條件下更加不利的抗滑性能。

2.2 壓實(shí)雪路面

對(duì)于實(shí)際路面降雪一定時(shí)間后，伴隨自然積雪和車輪碾壓形成的雪路面的情況，研究將其定義為壓實(shí)雪路面，模擬時(shí)控制試件溫度在-15 ℃左右，對(duì)不同撒雪量的松雪路面，采用人工均勻鋪灑降雪，然后用鐵盆壓實(shí)，壓實(shí)到雪層厚度穩(wěn)定不再沉降為止，最后利用擺式摩擦儀測(cè)試出壓實(shí)雪狀態(tài)下SMA路面的抗滑擺值BPN，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由于新雪經(jīng)過(guò)壓實(shí)后，撒雪量的變化幅度對(duì)路表面雪層厚度的影響相對(duì)于松散雪情況小，所以試驗(yàn)增大撒雪量的變化間隔為50 g，使試驗(yàn)效果明顯。

分析圖2得知，兩種級(jí)配的SMA路面在壓實(shí)雪狀態(tài)下抗滑擺值隨著撒雪量的增加而降低，減小幅度由大變小，最終趨于穩(wěn)定值。SMA-13在撒雪量小于250 g時(shí)，被壓實(shí)過(guò)的雪不足以將試件完全覆蓋，摩擦力由壓實(shí)雪和試件表面一同提供，抗滑擺值隨著壓實(shí)雪量的增加而減小，特別是撒雪量為50 g時(shí)，路面雪從無(wú)到有，路面摩擦特性發(fā)生改變，抗滑擺值下降幅度最大。SMA-16在撒雪量小于300 g時(shí)，與前者抗滑擺值變化規(guī)律一致，因?yàn)樵诤暧^構(gòu)造深度上的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮了一定的作用，使其能夠承受更大降雪量的沖擊。撒雪量達(dá)250 g(SMA-16為300 g)后，兩者的抗滑擺值基本穩(wěn)定在30左右，與初始值相比平均下降幅度約為65.7%，此時(shí)擺式儀橡膠塊與試件表面完全脫離，直接與壓實(shí)雪接觸。壓實(shí)雪路面，在未進(jìn)行人工或機(jī)械清雪之前是一種存在時(shí)間很長(zhǎng)的路面狀態(tài)，抗滑擺值可達(dá)到30，對(duì)行車安全極為不利。

3 冰雪狀態(tài)

3.1 融雪路面

融雪路面是指路面覆蓋一定松散雪和壓實(shí)雪后，當(dāng)環(huán)境溫度升高0 ℃以上或汽車駛過(guò)時(shí)，部分雪顆粒溶解，形成雪漿狀雪水混合物覆蓋的路面。試驗(yàn)?zāi)M該狀態(tài)時(shí)，溫度控制在0 ℃，將制好的一定質(zhì)量的雪漿均勻鋪在試樣表面，測(cè)量融雪狀態(tài)下的抗滑擺值BPN，測(cè)試結(jié)果匯總見圖3。

3.2 融凍路面

融凍路面，是雪漿凍結(jié)后所形成的冰雪板路面，易在環(huán)境正負(fù)溫度交替時(shí)產(chǎn)生，正溫時(shí)冰雪板表面部分融化成水，再次降雪后混合成雪漿，經(jīng)負(fù)溫凍結(jié)，多次循環(huán)造成冰雪板厚度不斷增加。試驗(yàn)?zāi)M該狀態(tài)時(shí)，參照融凍路面形成條件，先在混合料試件表面，設(shè)置好雪漿路面，放入冰箱使其完全凍結(jié)成冰雪板后，使其表面溫度為-15 ℃，用擺式摩擦儀測(cè)量該融凍狀態(tài)下的抗滑擺值BPN，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

融雪和融凍兩種狀態(tài)下，兩種級(jí)配SMA路面的抗滑擺值隨雪漿或冰雪板質(zhì)量的增加而逐漸降低最終趨于穩(wěn)定，初期路面抗滑擺值SMA-16>SMA-13，究其原因是相同冰雪板質(zhì)量情況下，SMA-16路面的構(gòu)造深度相對(duì)較大，測(cè)量擺值時(shí)裸露的試件表面積大。對(duì)比兩種狀態(tài)下最終穩(wěn)定值可知，SMA路面在融雪狀態(tài)的抗滑性能優(yōu)于融凍狀態(tài)。

3.3 冰雪混合路面

表2 SMA冰雪混合路面抗滑試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(如表2所示)，由于冰雪板上覆蓋雪層，潤(rùn)滑了摩擦接觸界面，造成冰雪混合路面比融凍狀態(tài)下抗滑擺值明顯下降，雪量增加會(huì)略微增加路面的抗滑擺值，但作用效果不明顯；冰雪板厚度決定了擺式儀橡膠塊與SMA路面接觸狀態(tài)，故無(wú)論雪量大小，厚冰雪板路面比薄冰雪板路面擺值明顯減??；路面覆蓋有雪并存在薄冰板狀態(tài)時(shí)，SMA-16體現(xiàn)了構(gòu)造深度大的優(yōu)勢(shì)，抗滑擺值比同條件下SMA-13高11%。

4 結(jié)語(yǔ)

1)松雪狀態(tài)下，SMA路面抗滑擺值隨撒雪量的增加，呈現(xiàn)先下降后上升最終趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，期間擺值出現(xiàn)小幅度上升，是由于橡膠塊對(duì)雪產(chǎn)生挖掘作用，擺式儀受到雪的阻力；壓實(shí)雪狀態(tài)下，擺值隨著撒雪量的增加而減小，減小幅度由大變小，最終趨于穩(wěn)定值。

2)融雪和融凍兩種狀態(tài)下，兩種級(jí)配SMA路面的抗滑擺值隨雪漿或冰雪板質(zhì)量的增加而逐漸降低最終趨于穩(wěn)定，初降雪路面抗滑擺值SMA-16>SMA-13；冰雪混合狀態(tài)下，由于冰雪板上覆蓋雪層，潤(rùn)滑了摩擦接觸界面，冰雪混合路面比融凍狀態(tài)下抗滑擺值小很多。

3)試件覆蓋物較少(相同質(zhì)量)時(shí)，路面宏觀構(gòu)造深度起關(guān)鍵作用，SMA-16抗滑擺值大于SMA-13；不同路面狀態(tài)下SMA路面的抗滑性能比較結(jié)果為，松雪狀態(tài)>融雪狀態(tài)>壓實(shí)雪狀態(tài)>融凍狀態(tài)>冰雪混合狀態(tài)。