潘境盛，趙 樺，王 勇

(石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

關(guān)于路面抗滑性能的研究一直以來備受中外學(xué)者的關(guān)注，并且從各個角度對瀝青路面的抗滑性能進(jìn)行研究。解曉光等[1]通過差異磨耗原理的方法從磨光性和表面紋理兩個方面研究不同巖石的長期抗滑性能，并對SMA瀝青混合料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；Ivana等[2]通過瀝青路面宏觀結(jié)構(gòu)的平均輪廓深度和縱向摩擦系數(shù)來表征路面宏觀結(jié)構(gòu)對抗滑性能的影響；Cong等[3]、范倩[4]基于細(xì)集料特性對瀝青混合料的抗滑性能進(jìn)行研究；Bernhard等[5]通過表面噴砂的方法來恢復(fù)抗滑性能，并且依據(jù)14個試驗路段的抗滑性能和交通量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和實驗室數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，來研究抗滑性能的衰變；Yan等[6]制備4種類型的瀝青混合料試件，通過集料圖像測量系統(tǒng)研究道路融冰過程中路面抗滑性能的變化情況，認(rèn)為3～5 ℃時擺值最低。Wang等[7]研究認(rèn)為，集料形態(tài)特征與瀝青路面抗滑性能有密切關(guān)聯(lián)；肖鵬飛等[8]通過室內(nèi)試驗，研究了冰雪、油污、輪胎屑以及泥土等附著物存在的工況下水泥路面的抗滑性能；閆夢華等[9]利用擺式摩擦系數(shù)儀測定不同溫度下3種類型的瀝青混合料在干燥、潮濕、積水、結(jié)冰以及冰水混合情況下的摩擦系數(shù)，得出溫度和廣義水環(huán)境下對路面抗滑性能的影響規(guī)律；Plati等[10]通過收集雨季和非雨季的抗滑數(shù)據(jù)，量化研究了季節(jié)變化對路面抗滑的影響；Kane等[11]研究了路面集料硬度參數(shù)與抗滑性能的影響；熊劍平等[12]通過自行研發(fā)的加速磨耗裝置，研究了瀝青混合料級配類型和粗集料特性對抗滑性能衰變的影響。張維仁等[13]認(rèn)為集料的磨光值衰減規(guī)律與同種碎石的瀝青路面抗滑性能衰減規(guī)律一致；周興林等[14]研究表明抗滑性能因體積指標(biāo)的不同而存在差異，其中孔隙率對抗滑性能的影響最大；車輛能否在路面上安全行駛?cè)Q于輪胎與路面的接觸情況[15]，尤其是在潮濕、積水、冰雪、積沙等附著介質(zhì)時，路面條件較差。

綜上可知，目前仍缺少對積沙瀝青路面抗滑性能影響因素的研究，為此，通過室內(nèi)試驗，選取兩種集配類型的瀝青混合料，研究其在積沙環(huán)境下以及受溫度影響下的抗滑性能，以得到積沙量和溫度對抗滑性能的影響規(guī)律。

1 原材料技術(shù)特性

1.1 風(fēng)積沙

風(fēng)積沙粒徑、含泥量、含水量測試結(jié)果如表1所示。

表1 風(fēng)積沙性能檢測結(jié)果

1.2 瀝青

實驗采用70#基質(zhì)瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)檢測瀝青主要技術(shù)指標(biāo)，檢測結(jié)果如表2所示。

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.3 粗集料

粗集料采用石灰?guī)r集料，依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)檢測可能對瀝青混合料抗滑性能造成影響的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測，且磨光值等指標(biāo)都符合規(guī)范要求，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 粗集料性能檢測結(jié)果

1.4 混合料級配設(shè)計

兩種混合料各篩孔的通過率如表4所示，最佳油石比和孔隙率如表5所示。

表4 兩種級配的通過百分率

表5 兩種級配對應(yīng)的孔隙率及油石比

2 溫度對積沙瀝青路面抗滑性能的影響

2.1 溫度對BPN的影響

為研究溫度對BPN的影響，本實驗通過溫控箱，分別測試在無積沙狀態(tài)下-20、-15、-10、-5、0、5、10、15、20、25、30 ℃時AC-13和AC-16車轍板試件的BPN值，測試結(jié)果見圖1。由圖1可知，在-20 ℃到30 ℃范圍內(nèi)，兩種類型的混合料BPN值隨溫度有著相同的變化趨勢，均表現(xiàn)為先降低再升高。在-20 ℃到-5 ℃這一階段，隨著溫度的升高，BPN值逐漸減小，在試驗過程中，由于溫度過低，導(dǎo)致空氣中的水蒸氣會凝結(jié)，在試件表面形成細(xì)小的白色霜粒，在測試過程中擺式摩擦系數(shù)儀的橡膠滑塊與小霜粒之間會有黏結(jié)，使得擺值變大，并且溫度越低這種現(xiàn)象越明顯；隨著溫度的增加，在-5 ℃時，由于橡膠滑塊摩擦產(chǎn)生的熱對試件產(chǎn)生影響，試件表面的霜粒消失，空氣中的水分會在試件表面結(jié)冰，此時試件表面的擺值最小；在-5 ℃到15 ℃這個階段，擺值隨溫度的升高而增大，且增長率較大；在15 ℃到30 ℃之間，擺值隨溫度的升高而增大的幅度減小，因為此時溫度小于瀝青軟化點溫度，瀝青軟化程度不大，對擺值的影響不大，使得增長趨勢較為緩慢。

圖1 無積沙狀態(tài)下不同溫度的BPN

2.2 基于標(biāo)準(zhǔn)溫度下的擺值修正

在擺值的測試過程中，路面溫度對擺值的影響不可忽略，因此根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》需要對擺值進(jìn)行溫度修正，式(1)為溫度修正公式，修正值如表6所示。

BPN20 ℃=BPNt+ΔBPN

(1)

式中：BPN20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃下的擺值；BPNt為溫度為t時路面擺值；ΔBPN為溫度修正值。

根據(jù)溫度修正公式對不同溫度下的擺值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溫度的修正，不同溫度下的擺值及修正結(jié)果如表7所示。

表7 不同溫度下的BPN及修正值ΔBPN

由于集料表面有一層瀝青薄膜，所以溫度對抗滑值的影響較為顯著，由表7可知，兩種瀝青混合料集配類型的溫度擺值變化規(guī)律仍然一致，隨著溫度的增加修正后的擺值較修正之前的變化幅度增大，瀝青混合料為溫度敏感性材料，因此，溫度越高其抗滑性能變化越顯著。

3 積沙量對抗滑性能的影響

3.1 積沙量與BPN的關(guān)系

為探究路面積沙量對擺值的影響，通過在車轍板試件上均勻撒布不同質(zhì)量的沙的方法來測試試件擺值。積沙量通過一定質(zhì)量的沙均勻鋪滿整個車轍板試件來控制，測試前先用毛刷清理干凈試件表現(xiàn)，接著將事先稱量好的沙均勻灑滿整個試件，測試完成之后，用毛刷將試件表面的沙清理干凈，以此方法多次重復(fù)至試驗完成，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 積沙量與BPN的關(guān)系

從圖2可以看出，兩種混合料的摩擦系數(shù)變化趨勢呈現(xiàn)相同的規(guī)律，總體上分為3個階段，先緩慢下降，緊接著下降幅度增大，最后當(dāng)積沙量達(dá)到某一值時趨于平緩，此時摩擦性能相對較差，且AC-13和AC-16變化趨勢基本一致。

3.2 積沙量與BPN衰減率的關(guān)系

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件表面沙覆蓋量為10 g時，與無積沙狀態(tài)相比差別不大，兩種混合料的BPN值均下降1%左右，分析認(rèn)為，由于孔隙率的存在，使得一部分沙進(jìn)入路面空隙中，且只占了整個空隙的一小部分，加之沙的粒徑分布主要集中在0.25～0.075，因此對路面摩擦系數(shù)影響很?。浑S著積沙量的不斷增加，路面空隙逐漸被沙粒填滿，宏觀構(gòu)造變小，粗糙度逐漸降低，因此這一階段BPN值急劇下降，AC-13和AC-16較上一階段下降幅度分別為36.1%和32.7%，當(dāng)積沙量為50 g時，AC-13試件表面空隙完全被沙粒填充，而AC-16表面空隙仍然留有富余；積沙量超過50 g時，AC-13的BPN值下降幅度很小，幾乎趨于穩(wěn)定，此時沙粒處于試件表層以上，有之前的橡膠滑塊與路面的接觸變成橡膠滑塊與沙粒之間的接觸，且由原來的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，摩擦系數(shù)由試件摩擦系數(shù)變?yōu)樯沉Ｅc橡膠滑塊之間的摩擦來控制，因此，之后隨著積沙量的增加，BPN值也基本保持不變，達(dá)到一個平穩(wěn)狀態(tài)；而AC-16因為構(gòu)造深度略大于AC-13，因此，BPN值還會隨著積沙量的增加有一個緩慢的下降過程，下降幅度為9.4%，當(dāng)積沙量達(dá)到80 g時趨于穩(wěn)定，如圖3所示，此時摩擦系數(shù)主要由沙粒和橡膠滑塊之間的摩擦來控制。

圖3 積沙量與BPN衰減率的關(guān)系

依據(jù)DoseResp模型對其進(jìn)行非線性回歸分析，通過擬合，發(fā)現(xiàn)BPN值能夠很好地符合DoseResp模型，積沙量與BPN值的關(guān)系擬合度均大于0.99，結(jié)果如表8所示。在積沙量不斷增加的過程中，首先一部分沙粒填充了試件的部分空隙，降低了試件表面的粗糙程度，阻礙了輪胎與路面凸起構(gòu)造的咬合作用；接著，由于積沙量的不斷增加，部分沙粒高出了試件表面的凸起構(gòu)造，使得輪胎與路面沒法完全接觸，在此過程中BPN的衰減率不斷增加，在橡膠滑塊與試件表面的接觸過程中，很容易使得沙粒發(fā)生遷移，同時也伴隨著表面瀝青膜的細(xì)微磨耗，因此，在此階段BPN的衰減率會有所波動；當(dāng)沙粒在試件表面完全形成覆蓋層時，沙粒滾動與橡膠滑塊與試件宏觀構(gòu)造間，三者形成一個微軸承系統(tǒng)，變滑動摩擦為滾動摩擦，BPN隨之衰減，但衰減率逐漸減小。

表8 BPN值衰減方程及衰減參數(shù)

4 環(huán)境因素與BPN值的灰色關(guān)聯(lián)分析

為研究溫度和積沙量兩種因素對積沙瀝青路面抗滑性能的影響，采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，將修正后的BPN為參考序列，以不同溫度和不同積沙量條件下的BPN作為比選序列來計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 環(huán)境因素與BPN值的灰色關(guān)聯(lián)度

由圖4可知，積沙量的灰色關(guān)聯(lián)度大于溫度的灰色關(guān)聯(lián)度，分別為AC-13瀝青混合料中積沙量為0.994 8，溫度為0.526 8，AC-16瀝青混合料中積沙量為0.939 8，溫度為0.566 8。兩者均對BPN產(chǎn)生較為顯著的影響，但積沙量的影響遠(yuǎn)大于溫度的影響。分析認(rèn)為，當(dāng)沙粒作為一種介質(zhì)出現(xiàn)在瀝青路面上時，首先改變的是路面原有的宏觀構(gòu)造，并且使得路面微凸體相對減少，降低了對汽車輪胎的微切削作用，同時沙粒在車輪荷載作用下對微凸體有沖擊作用，因此路面抗滑性能降低，當(dāng)積沙量不斷增加時，這種效果越來越明顯，直至積沙覆蓋路面，阻斷了車輪與路面的接觸，且兩種混合料中，積沙量的灰關(guān)聯(lián)度分別為溫度的1.88和1.65倍，故路面積沙量是影響積沙瀝青路面抗滑性能的主要因素。

5 結(jié)論

1)路面抗滑性能因路面狀況和路面是否有介質(zhì)物而存在很大的差異，路面清潔時的抗滑性能表現(xiàn)最為良好，當(dāng)路面存在積沙時，對路面抗滑性能的不利影響極為顯著，摩擦系數(shù)明顯降低，并且因路面構(gòu)造深度的不同而導(dǎo)致下降幅度各不相同，AC-16的下降幅度略小于AC-13。

2)路面清潔狀態(tài)下，溫度成為影響路面抗滑性能的主要影響因素，-5 ℃時，對應(yīng)的BPN為極小值，之后隨著溫度的增加而增加。

3)積沙狀態(tài)下，隨著積沙量的不斷增加，路面抗滑性能逐漸降低，衰減幅度表現(xiàn)為先緩慢增加，接著急劇增加，而后急劇減小，最后緩慢減小，且兩種級配類型變化規(guī)律一致。依據(jù)DoseResp模型進(jìn)行非線性擬合，符合積沙狀態(tài)下的抗滑衰減規(guī)律。

4)利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，建立了溫度和積沙量兩因素與抗滑性能之間的關(guān)聯(lián)度排序，積沙量是影響積沙瀝青路面抗滑性能的主要因素。

本文僅研究了AC-13和AC-16兩種混合料集配類型在溫度和積沙量條件下的抗滑性能變化規(guī)律，在以后的工作中將進(jìn)一步擴(kuò)充，得到更加完善的積沙瀝青路面抗滑性能衰變模型。