劉烘鑫

(廣東冠粵路橋有限公司,廣州 511400)

0 引言

國家經(jīng)濟(jì)的騰飛，交通運(yùn)輸業(yè)也隨之快速發(fā)展，一方面應(yīng)對(duì)發(fā)展需求，交通量日益增加，另一方面也加快了交通事故發(fā)生的頻率。由于瀝青路面行駛舒適性高、噪音低、污染小等特點(diǎn)，目前新建的公路一般采用瀝青路面。瀝青路面一個(gè)十分重要的性能是抗滑性能，這直接關(guān)系到路面安全行駛[1]。相比傳統(tǒng)的AC-13C型路面，SMA-13型瀝青路面由于其具有多碎石、多礦粉、多瀝青、內(nèi)部空隙率小等特點(diǎn)，具有更高的高溫抗車轍能力、低溫抗裂能力、抗水侵害能力，同時(shí)抗滑性能也更優(yōu)越，適合作為瀝青混凝土路面的抗滑磨耗層[2]。路面抗滑性能指標(biāo)必須滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)規(guī)定的路面構(gòu)造深度和橫向力系數(shù)技術(shù)指標(biāo)[3]。施工現(xiàn)場通常由于設(shè)備有限，采用手工鋪砂方法檢測路面構(gòu)造深度，這種方法雖然操作簡單，但是會(huì)因?yàn)槿藶橐蛩氐膯栴}導(dǎo)致測試結(jié)果存在誤差，而且對(duì)試驗(yàn)砂的粒徑和含水率都有規(guī)定[4]。橫向力系數(shù)測試車工作時(shí)速度穩(wěn)定在60km/h左右，而且在檢測時(shí)必須灑水[5]。摩擦學(xué)理論認(rèn)為材料表面接觸“微凸體”的存在為其提供了基本的抗滑力[6-7]，而瀝青路面上這種“微凸體”構(gòu)造可稱為微觀構(gòu)造[8]。研究表明，除了路表面自身的特性會(huì)影響抗滑力大小，輪胎因素也會(huì)對(duì)路面摩擦力學(xué)性能產(chǎn)生影響，輪胎橡膠材料的抗拉強(qiáng)度、回彈性、撕裂強(qiáng)度和路面摩擦系數(shù)成線性正比關(guān)系[9]。

本文通過分析各種路面抗滑性能檢測方法的特點(diǎn)，以廣東仁博高速公路SMA-13為對(duì)象，分析溫度對(duì)橫向力系數(shù)SFC的影響。

1 路面抗滑性能檢測方法

路面抗滑性能表征的是剎車系統(tǒng)完備的車輛，能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過輪胎與路面間的摩擦阻力及時(shí)制動(dòng)的能力。我國現(xiàn)行規(guī)范[10]采用構(gòu)造深度、橫向力系數(shù)、動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在實(shí)際工程中，高速公路或一級(jí)公路的橫向力系數(shù)通常由摩擦系數(shù)測定車在速度為60km/h的條件下測得，并且要求檢測時(shí)必須灑水。摩擦系數(shù)可采用擺式摩擦儀測定的擺值來表征，構(gòu)造深度通常由手工或電動(dòng)鋪砂法測定。

1.1 擺值

擺值是通過擺式摩擦儀測得的路面摩擦系數(shù)表征值。測量時(shí)，每200m測一處，每個(gè)點(diǎn)測量5次，由5次測定值的平均值作為該點(diǎn)擺值，再將擺值除以100，得到摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)偏向于表征低速行駛狀態(tài)下的路面抗滑性能，其值大小受粗集料的含量、集料物理性質(zhì)和表面構(gòu)造、混合料級(jí)配的影響[11]。

1.2 構(gòu)造深度

構(gòu)造深度反映的是單位面積內(nèi)粗糙路表面的平均深度或者紋理深度，能夠?qū)r青路面的抗滑性能產(chǎn)生較大的影響。具體表現(xiàn)為，當(dāng)潮濕或者陰雨天氣時(shí)，路表面的積水可以通過紋理深度及時(shí)排出，避免汽車行駛時(shí)出現(xiàn)滑水現(xiàn)象。施工現(xiàn)場通常由于設(shè)備有限，采用手工鋪砂法檢測路面構(gòu)造深度，這種方法雖然操作簡單，但是會(huì)因?yàn)槿藶橐蛩氐挠绊憣?dǎo)致測試結(jié)果存在誤差。

1.3 摩擦系數(shù)

目前工程上普遍使用的路面摩擦系數(shù)測試車主要有兩種：一種是以英國產(chǎn)的SCRIM型測試車為主，測試車由車箱、水箱、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、測試輪系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)和測試輪備胎構(gòu)成，SCRIM型測試車測定的是路面橫向力系數(shù)SFC值。另一種是以美國、日本主要使用的CripTester縱向摩擦系數(shù)測試車為主[12]。基于橫向力系數(shù)能更好地反映路面實(shí)際抗滑性能的考慮，我國規(guī)范采用橫向力系數(shù)作為抗滑性能表征指標(biāo)。單輪式橫向力系數(shù)測試系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、測試速度快、對(duì)交通無干擾、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、安全性高等特點(diǎn)，因而SCRIM型測試車在我國得到了廣泛應(yīng)用。

本文采用SCRIM型測試車對(duì)仁博高速公路SMA-13抗滑表層的代表性路段進(jìn)行全天連續(xù)測試，所用的SCRIM測試車如圖1所示。

圖1 橫向力系數(shù)檢測車

測量時(shí)，測試車模擬行駛中的汽車因路面橫坡的存在而產(chǎn)生滑移的現(xiàn)象，測試輪在牽引力的作用下與行駛方向成20°夾角接觸路表面而產(chǎn)生橫向力，噴水系統(tǒng)在測量時(shí)能夠連續(xù)灑水使路面具有一定的水膜厚度，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)記錄和處理。單輪式橫向力系數(shù)測試系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 單輪式橫向力系數(shù)測試系統(tǒng)參數(shù)

2 SFC測試溫度試驗(yàn)

2.1 溫度對(duì)橫向力系數(shù)的影響

英國對(duì)SCRIM系統(tǒng)進(jìn)行過全年測試，發(fā)現(xiàn)溫度會(huì)對(duì)路面橫向力系數(shù)值造成較大的差異。據(jù)統(tǒng)計(jì)，夏季高溫時(shí)，月平均SFC值明顯低于其他季節(jié)；而冬季低溫時(shí)，月平均SFC值則達(dá)到了最高值。從地域特點(diǎn)來看，英國鄰近大西洋，屬于典型的海洋性氣候，氣溫年、日變化小，各季節(jié)降水量較均勻，濕度高。和英國相比，我國大部分地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥有冰凍期，而SCRIM系統(tǒng)在冬季低溫時(shí)使用會(huì)加快測試元件的損壞，因此不適合在冬季使用。我國通過對(duì)SCRIM系統(tǒng)應(yīng)用后的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)夏季路面SFC測試值變化范圍較小，因此研究人員認(rèn)為可以直接排除季節(jié)的影響，以夏季路面最不利條件下測得的SFC值為代表值評(píng)價(jià)路面抗滑能力，但是需要進(jìn)行溫度修正[13]。

廣東在公路自然區(qū)劃上屬于東南濕熱區(qū)，該區(qū)典型的氣候特點(diǎn)是全年熱季長、溫度高。據(jù)廣東省氣象局統(tǒng)計(jì)，廣東省年太陽總輻射量高于4 200MJ/m2，年平均氣溫高于19℃，最熱的時(shí)候(6月～8月)路表溫度甚至高于33℃，光、熱資源豐富。本次為排除其他因素的影響，直接以開放交通前的仁博高速公路K405+000～K408+800段右幅主1、主2、主3車道為研究對(duì)象，采用全天連續(xù)測試方式，不同時(shí)間段路面橫向力系數(shù)月平均值見表2。

表2 不同時(shí)間段路面橫向力系數(shù)月平均值

從表2可以看出，仁博高速公路夏季路面橫向力系數(shù)值變化幅度不大，整體較穩(wěn)定，這也驗(yàn)證了以夏季作為測試期是合適的。路面直接暴露于外界環(huán)境中，且瀝青路面對(duì)光輻射的吸收能力很強(qiáng)，使得路表溫度隨日照時(shí)間延長而升高。在沒有開放交通前，路表溫度對(duì)路面抗滑能力大小起決定性作用。夏季的日氣溫最高能達(dá)到35℃以上，而通常路面的溫度比環(huán)境溫度更高，當(dāng)路面溫度升高到一定程度時(shí)，瀝青材料的彈性大幅度降低向塑性體轉(zhuǎn)化，勁度模量也隨之大幅降低，抗變形能力下降，路面出現(xiàn)軟化甚至泛油的現(xiàn)象，這種狀態(tài)下測試輪更容易滑移，從而導(dǎo)致路面SFC值偏小。相比中午和傍晚，早上路面溫度明顯低于兩者，因此路面橫向力系數(shù)SFC值(圖2)較高。

圖2 不同時(shí)間段路面橫向力系數(shù)

2.2 橫向力系數(shù)溫度修正

我國規(guī)范規(guī)定采用SCRIM測試系統(tǒng)對(duì)路面橫向力系數(shù)檢測時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃±5℃，而現(xiàn)場測量時(shí)的路表溫度明顯達(dá)不到規(guī)范的要求，這就需要基于實(shí)際路表溫度進(jìn)行橫向力系數(shù)修正。本次選取仁博高速公路K417+960～K420+920中4段路面為研究對(duì)象，分別在不同溫度下測得橫向力系數(shù)，測試結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下的橫向力系數(shù)

通過分析表3數(shù)據(jù)，繪制不同溫度下的橫向力系數(shù)變化曲線,如圖3所示。

圖3 不同溫度下橫向力系數(shù)變化曲線

建立橫向力系數(shù)與溫度的擬合曲線，見表4。

表4 橫向力系數(shù)SFC與溫度的線性回歸關(guān)系

由圖3可知，選取的四段公路在不同溫度下測得的橫向力系數(shù)變化幅度較小。將表4中各回歸方程的斜率取平均值后為0.21，說明溫度每上升1℃，橫向力系數(shù)衰減0.21個(gè)單位左右。因此，根據(jù)實(shí)際路表溫度進(jìn)行橫向力系數(shù)修正。

SFC20℃=SFCT-(20-T)×0.21

(1)

式中：T—測試時(shí)路表實(shí)際溫度。

SFCT—T℃溫度條件下路面橫向力系數(shù)值。

SFC20℃—20℃溫度條件下路面橫向力系數(shù)值。

根據(jù)式(1)提出橫向力系數(shù)修正表(表5)，并結(jié)合規(guī)范的橫向力系數(shù)修正表(表6)，繪制溫度修正對(duì)比圖。

表5 橫向力系數(shù)SFC溫度修正

進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，可按表5中相應(yīng)的溫度選用路表橫向力系數(shù)修正值，將相應(yīng)溫度下的修正值和該溫度的路表檢測值相加得到SFC20℃。

表6 規(guī)范規(guī)定的橫向力系數(shù)SFC溫度修正

根據(jù)表5和表6中的修正值繪制橫向力系數(shù)修正圖，如圖4～圖7所示。

圖4 路段一不同溫度下修正值對(duì)比

圖5 路段二不同溫度下修正值對(duì)比

圖6 路段三不同溫度下修正值對(duì)比

圖7 路段四不同溫度下修正值對(duì)比

從圖4～圖7可知，修正后的路面橫向力系數(shù)SFC曲線變化幅度小，說明采用表5進(jìn)行修正后各溫度下的橫向力系數(shù)SFC值相近，能很好地排除溫度的干擾，還原路面橫向力系數(shù)真實(shí)值。從圖中還可以看出我國規(guī)范建議的修正值較路面真實(shí)值偏高，這可能和路面環(huán)境和測試車因素有關(guān)。

3 結(jié)語

(1)本文分析了常用抗滑性能檢測方法的特點(diǎn)，介紹了SCRIM橫向力系數(shù)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、測試速度快、對(duì)交通無干擾、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、安全性高等特點(diǎn)，因而在我國得到了廣泛應(yīng)用。

(2)以廣東仁博高速公路上面層SMA-13為研究對(duì)象，采用全天連續(xù)測試方式，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)路面橫向力系數(shù)SFC值大小具有顯著的影響。隨著溫度的升高，瀝青材料的彈性大幅度降低向塑性體轉(zhuǎn)化，勁度模量也隨之大幅降低，路面出現(xiàn)軟化甚至泛油的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致路面橫向力系數(shù)值變小。

(3)基于路表檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行橫向力系數(shù)溫度修正分析，提出SMA路面的溫度修正值，并與我國規(guī)范中的建議修正值進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)規(guī)范推薦的溫度修正值會(huì)導(dǎo)致橫向力系數(shù)值偏大。