孫雪偉 金光來(lái) 高培偉 臧國(guó)帥

(1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 南京 211100； 2.中路交科科技股份有限公司 南京 211800；3.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京 211800)

截至2020年底，江蘇省高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到4 917 km，其中近80%的通車年限超過(guò)10年，近43%的通車年限超過(guò)15年。在交通荷載、環(huán)境因素的反復(fù)作用下，路面的抗滑性能下降明顯，近年來(lái)，更呈現(xiàn)出衰減嚴(yán)重的現(xiàn)象，影響了行車安全性[1-3]。周興林等[4]研究瀝青路面抗滑性能與瀝青混合料體積指標(biāo)的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)隨著瀝青混合料空隙率和礦料間隙率的增加及有效瀝青飽和度和粗集料骨架間隙率的降低，瀝青混合料的抗滑性能增大。劉軍[5]介紹了瀝青路面的細(xì)構(gòu)造和粗構(gòu)造尺寸及材料要求，分析了影響瀝青路面抗滑性能的主要因素和抗滑表層早期破壞的原因，并提出了相應(yīng)的防治措施。黃曉明等[6]對(duì)比分析了現(xiàn)有瀝青路面與橡膠輪胎的接觸力學(xué)模型，探討了設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)階段中的不確定性因素，歸納了現(xiàn)有瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及衰變模型，最后論述了瀝青路面抗滑性能的發(fā)展方向。倪敬松[7]分析影響路面抗滑性能的各種因素，提出了路面抗滑性能評(píng)價(jià)的模型函數(shù)和預(yù)測(cè)模型。曹平等[8]分析了瀝青路面形貌對(duì)抗滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青路面宏觀構(gòu)造凸出體的高度和密度，微觀構(gòu)造微凸體的高度、密度和尖銳度對(duì)瀝青路面抗滑性能具有明顯影響。路面抗滑性能直接影響了路面的服務(wù)質(zhì)量，分析研究瀝青路面抗滑性能的發(fā)展規(guī)律及技術(shù)需求，對(duì)提升高速公路的服務(wù)質(zhì)量有重要意義。

1 抗滑性能現(xiàn)狀

1.1 總體狀況

JTG 5210-2018 《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[9]規(guī)定采用瀝青路面抗滑性能指數(shù)(SRI)表示路面抗滑性能，由橫向力系數(shù)SFC計(jì)算得到。江蘇省典型高速公路瀝青路面SFC全線平均值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，在選取的18條典型高速中，SFC值總體狀況評(píng)級(jí)為良(40

圖1 2018年江蘇省典型高速SFC總平均值

1.2 分布統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)江蘇省典型高速公路的抗滑不足(SFC<40)路段占比，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 2018年江蘇省典型高速公SFC<40的段落占比

由圖2可知，有8條高速存在抗滑不足路段，其中寧揚(yáng)高速抗滑不足路段占比高達(dá)14.47%，其他高速占比均小于2%。

統(tǒng)計(jì)典型江蘇省高速公路的抗滑非優(yōu)路段(SFC<48)占比，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 江蘇省典型高速非優(yōu)路段占比

由圖3可知，非優(yōu)路段占比>50%的有2條高速：寧揚(yáng)和沿江高速；非優(yōu)路段占比在30%～50%之間的有4條高速：滬寧、通啟、淮徐和寧洛高速。

2 抗滑性能發(fā)展規(guī)律

2.1 典型高速抗滑性能發(fā)展規(guī)律

江蘇省典型高速公路抗滑性能發(fā)展規(guī)律，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 寧滬高速抗滑性能發(fā)展規(guī)律(第四車道)

圖5 寧揚(yáng)高速抗滑性能發(fā)展規(guī)律(第二車道)

以寧滬和寧楊高速公路為例說(shuō)明，由于寧滬高速2006年進(jìn)行了改擴(kuò)建，統(tǒng)計(jì)從2007年開(kāi)始。由圖4可知，寧滬高速第四車道橫向力系數(shù)在通車2～11年處于總體下降趨勢(shì)，在2018年(通車第12年)進(jìn)行了專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)，抗滑性能有所恢復(fù)。由圖5可知，寧揚(yáng)高速2012年建成通車，通車6年來(lái)，其抗滑性能急劇下降，SFC由70衰減至45。

2.2 抗滑性能總體發(fā)展規(guī)律

基于江蘇省高速公路抗滑性能長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮不同區(qū)域、不同通車年限、不同路面材料、不同車道的影響，分析江蘇省高速公路抗滑性能的發(fā)展規(guī)律。

2.2.1衰變模型

路面性能衰變模型就是反映路面建成通車或采取各種養(yǎng)護(hù)措施后，使用性能隨時(shí)間或軸載作用次數(shù)變化規(guī)律的表達(dá)式。同濟(jì)大學(xué)孫立軍教授建立的衰變模型[10]式(1)形式簡(jiǎn)單，模型參數(shù)可解釋、具有明確的物理含義，得到了廣泛應(yīng)用。

(1)

式中：PPI為能夠反映路面使用性能的指數(shù)(如PCI，RQI等)；PPI0為初始使用性能指數(shù)；y為路齡；α、β為模型參數(shù)。

其中參數(shù)α的數(shù)學(xué)含義可以認(rèn)為是路面使用性能指數(shù)PPI衰減到初始值PPI0的63.2%時(shí)的路面使用年數(shù)。所以參數(shù)α的大小反映了路面使用壽命的長(zhǎng)短，因此，將它命名為使用壽命因子。β則反映了曲線的形狀。當(dāng)β由小變大時(shí)，衰變曲線將由凹變凸或呈反S形，所以將β稱為路面衰變的模式因子。

根據(jù)江蘇省高速公路性能的變化規(guī)律，一般到達(dá)路面使用期末時(shí)各項(xiàng)使用性能均未衰減到初始值PPI0的63.2%，因此根據(jù)江蘇省高速的使用特點(diǎn)，引入基于使用期末性能的調(diào)整系數(shù)λ，將上述預(yù)測(cè)方程進(jìn)行修正，如式(2)。

(2)

式中：λ為基于使用期末性能的調(diào)整系數(shù)，對(duì)于抗滑性能，可取1.609 4，即當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)年限15年時(shí)使用性能衰變至初始值的80%。

2.2.2模型標(biāo)定

2018年江蘇省典型高速公路抗滑性能隨通車時(shí)間的發(fā)展規(guī)律變化匯總見(jiàn)圖6。

圖6 各高速最外側(cè)行車道橫向力系數(shù)隨通車時(shí)間的變化

由圖6可知，通車前10年，抗滑性能持續(xù)下降，江蘇省高速公路SFC值平均值每年下降約1.35；通車10年后，抗滑性能保持穩(wěn)定，這與后期養(yǎng)護(hù)有關(guān)。

采用上述模型對(duì)江蘇省高速公路檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，江蘇省典型高速公路抗滑衰變模型結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 抗滑衰變模型分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模型形狀因子β值初值選取為0.9。由圖7可見(jiàn)，瀝青路面結(jié)構(gòu)行為方程可以用于描述江蘇省高速公路抗滑性能總體衰變規(guī)律其計(jì)算方法見(jiàn)式(3)，其形狀因子β值通過(guò)回歸分析確定為0.244。

(3)

式中：β值越小，則使用性能衰變?cè)铰虼吮砻鹘K省高速公路抗滑性能衰變較慢，這可能是及時(shí)養(yǎng)護(hù)的原因。

瀝青路面結(jié)構(gòu)行為方程含有α、β2個(gè)模型參數(shù)，具有明確物理含義，對(duì)不同地區(qū)均具有較好適應(yīng)性，對(duì)其他地區(qū)有推廣或借鑒作用。

3 抗滑處治技術(shù)后評(píng)估

一般情況下，瀝青路面抗滑不足處治技術(shù)包括：就地?zé)嵩偕?、薄層罩?ECA-10、U-PAVE10)、封層類(微表處、抗滑碎石封層)、機(jī)械類(拋丸)。

3.1 基于歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)的抗滑處治技術(shù)后評(píng)估

江蘇高速公路路面管理系統(tǒng)收集了江蘇高速公路路面性能歷年的檢測(cè)數(shù)據(jù)，基于此數(shù)據(jù)進(jìn)行抗滑處治技術(shù)后評(píng)估。本文采用提升率和服務(wù)壽命TSL指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。提升率是指抗滑處治措施處治前后的抗滑性能提升百分比；服務(wù)壽命(treatment service life，TSL)是指處治措施失效時(shí)間，即處治后多長(zhǎng)時(shí)間衰減至處治前抗滑SFC值。

以汾灌高速就地?zé)嵩偕幹温范螢槔幹吻昂骃FC隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖8。

圖8 2013年處治路段橫向力系數(shù)隨時(shí)間變化

由圖8可知，就地?zé)嵩偕嵘蕿?1.8%；當(dāng)使用3年后，提升率衰減為0，表明處治措施已經(jīng)失效，因此就地?zé)嵩偕腡SL約為3年。

匯總不同處治措施的提升率見(jiàn)圖9。

圖9 不同處治措施的提升率對(duì)比

由圖9可見(jiàn)，精細(xì)抗滑碎石封層和拋丸的提升率均大于40%，這2種措施為專門針對(duì)抗滑進(jìn)行處治的措施，而其他措施的提升率約為15%。

匯總不同處治措施的服務(wù)壽命對(duì)比圖見(jiàn)圖10。

圖10 不同處治措施的服務(wù)壽命對(duì)比

由圖10可見(jiàn)，U-PAVE10薄層罩面的服務(wù)壽命為3年以上，上限待定，這是因?yàn)槠渚哂袃?yōu)良高溫性能(動(dòng)穩(wěn)定度>8 000次/mm)，很難出現(xiàn)泛油現(xiàn)象，可長(zhǎng)久保持路表抗滑性能；精細(xì)抗滑碎石封層的服務(wù)壽命約為3～4年，其它措施服務(wù)壽命為2～3年。

3.2 基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研指標(biāo)的抗滑處治技術(shù)后評(píng)估

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研指標(biāo)包括構(gòu)造深度(T0961-2008)、摩擦擺值(T0964-2008)、滲水系數(shù)(T0971-2008)、噪聲(車內(nèi)噪聲)，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研指標(biāo)對(duì)抗滑處治技術(shù)進(jìn)行后評(píng)估。

3.2.1構(gòu)造深度

不同處治措施的構(gòu)造深度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 不同處治措施的構(gòu)造深度對(duì)比

由圖11可知，拋丸路段將路面的瀝青膜打落，造成骨料表面微觀紋理粗糙，使得其構(gòu)造深度最大，但這會(huì)顯著影響路面的抗裂性能和抗水損壞性能；對(duì)于汾灌高速就地?zé)嵩偕幹温范?，隨著使用年限從3年增加至5年，構(gòu)造深度有所下降。

構(gòu)造深度排序?yàn)椋簰佂?抗滑碎石封層(拉毛)>就地?zé)嵩偕?ARSMA-13>高強(qiáng)SMA-13≈高強(qiáng)ECA-10>U-PAVE10>ECA-10。

3.2.2擺值

不同處治措施的擺值測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 不同處治措施的擺值對(duì)比

由圖12可知，寧杭高速高強(qiáng)SMA-13擺值最小，與現(xiàn)場(chǎng)外觀一致，集料磨損、光滑。擺值排序?yàn)椋篈RSMA-13>抗滑碎石封層≈U-PAVE10>就地?zé)嵩偕諩CA-10≈拋丸>高強(qiáng)SMA-13。

3.2.3噪聲

選取寧杭高速排水型路面、SMA-13、U-PAVE10等路段進(jìn)行不同車速下的噪聲測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)13。由圖13可知，隨著車速的提高，車內(nèi)噪聲也隨之提高；U-PAVE10車內(nèi)噪聲較排水路面或SMA-13噪聲降低5～7 dB，表明具有一定降噪效果。

圖13 不同罩面的噪聲對(duì)比

精細(xì)抗滑碎石封層在沿海高速進(jìn)行了應(yīng)用，對(duì)其噪聲狀況進(jìn)行持續(xù)跟蹤觀測(cè)，噪聲變化規(guī)律見(jiàn)圖14。

圖14 精細(xì)抗滑碎石封層噪聲變化規(guī)律

由圖14可知，經(jīng)過(guò)車輛荷載的壓密，處治7周后噪聲狀況已降低至處治前水平。

3.3 基于耐久性的抗滑處治技術(shù)后評(píng)估

拉拔試驗(yàn)又稱附著力試驗(yàn)可用于評(píng)價(jià)不同抗滑處治材料與原路面的黏附力，表征抗滑處治材料的耐久性。本文采用拉拔試驗(yàn)結(jié)果絕對(duì)值對(duì)各種抗滑處治技術(shù)進(jìn)行后評(píng)估。

不同處治措施的黏附力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖15。

圖15 不同處治措施的黏附力對(duì)比

由圖15可知，U-PAVE10瀝青膠漿黏結(jié)性能突出，黏附力最大；精細(xì)抗滑碎石封層針對(duì)黏結(jié)問(wèn)題進(jìn)行了加強(qiáng)處治；ECA-10存在跑料和麻面現(xiàn)象，黏附力較弱?？够途眯耘判颍篣-PAVE10>就地?zé)嵩偕指邚?qiáng)SMA-13≈精細(xì)抗滑碎石封層>高強(qiáng)ECA-10>ECA-10。

4 抗滑技術(shù)需求分析

抗滑處治措施的需求一般包含性價(jià)比、耐久性、施工性能、保護(hù)原路面、環(huán)保5個(gè)方面[11]。

基于抗滑需求的5個(gè)方面，采用雷達(dá)圖對(duì)不同抗滑處治措施綜合評(píng)估，綜合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為越靠近中心則越差。不同抗滑處治措施綜合評(píng)估雷達(dá)圖見(jiàn)圖16。

圖16 不同抗滑處治措施綜合評(píng)估雷達(dá)圖

1) 性價(jià)比。全壽命周期內(nèi)抗滑處治年平均花費(fèi)排序?yàn)榫?xì)抗滑碎石封層

2) 耐久性。使用壽命排序?yàn)閁-PAVE10薄層罩面>新型抗滑封層>就地?zé)嵩偕?ECA-10薄層罩面>微表處。

3) 施工性能。封層類措施的乳化瀝青撒布難以控制，就地?zé)嵩偕枰笮褪┕ぴO(shè)備，施工過(guò)程控制要求較高，且會(huì)出現(xiàn)加熱溫度過(guò)高導(dǎo)致瀝青老化問(wèn)題，引起路用性能降低；而薄層罩面類措施的施工質(zhì)量較易控制。

4) 保護(hù)原路面。薄層罩面類的施工厚度為2.5 cm，微表處的施工厚度為1 cm，抗滑碎石封層的施工厚度為0.5 cm，而就地?zé)嵩偕夹g(shù)提升了上面層性能，一定程度上起到保護(hù)原路面的作用。因此，可以排序?yàn)楸诱置骖悺志偷責(zé)嵩偕?微表處>封層類。

5) 環(huán)保。封層類為冷拌冷鋪，薄層罩面類為熱拌熱鋪，就地?zé)嵩偕m然對(duì)混合料進(jìn)行回收利用，但需對(duì)路面進(jìn)行加熱，仍會(huì)消耗大量能源。因此，排序?yàn)榉鈱宇?就地?zé)嵩偕?薄層罩面。

綜上所述，高性能薄層罩面類和精細(xì)抗滑碎石封層類的綜合評(píng)估效果較好。然而，這2種處治措施仍不能完全滿足當(dāng)前高速公路對(duì)抗滑技術(shù)的需求，亟需開(kāi)發(fā)新型抗滑處治技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速、耐久、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 江蘇省高速公路抗滑狀況總體尚好，但是大部分高速公路的SFC全線平均值處于49～52，接近優(yōu)良分界線。

2) 通車前10年，抗滑性能逐年下降，SFC全線平均值每年下降約1.35，下降百分比約2%，通車10年后，抗滑性能由于養(yǎng)護(hù)而趨于穩(wěn)定。

3) 瀝青路面結(jié)構(gòu)行為方程可用于表征江蘇省抗滑性能發(fā)展規(guī)律，形狀因子β值為0.244，表明江蘇高速抗滑性能總體衰變較慢。

4) 從性價(jià)比、耐久性、施工性能、保護(hù)原路面、環(huán)保等5個(gè)方面綜合評(píng)估了不同抗滑處治措施，排序?yàn)閁-PAVE10>精細(xì)抗滑碎石封層>就地?zé)嵩偕? ECA-10>微表處，表明U-PAVE10和精細(xì)抗滑碎石封層綜合評(píng)估效果較好。