王 莉

（山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261000）

路面抗滑性能是指路面阻止車輪沿路面滑動(dòng)的摩擦力，研究表明，當(dāng)滑阻低于某一閾值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致道路交通的事故風(fēng)險(xiǎn)增加[1]，因此，路面的抗滑性能是影響行車安全的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。路面抗滑力由車輪附著力及滯后力組成，路面抗滑力主要取決于路面的表面紋理[2]。

建立路面三維模型并計(jì)算路面粗糙度參數(shù)，采用該參數(shù)對(duì)路面微紋理、宏紋理和巨紋理進(jìn)行評(píng)估[3]。瀝青路面是由不同粒徑的集料以及瀝青組成的，其質(zhì)地受集料類型、集料粒徑和混合料類型等因素影響，以往主要研究如何體現(xiàn)路面表面質(zhì)地以及不同因素對(duì)路面抗滑性能的影響。但在同類型集料和混合料條件下，混合料設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路面抗滑性能的影響研究較少。在實(shí)際工程中，集料和混合料類型保持一致，因此，路面的抗滑性能主要取決于配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，如級(jí)配、瀝青含量等。該文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同級(jí)配的混合料，其中包括不同的影響因素，每個(gè)影響因素共有4 個(gè)水平。利用三維測(cè)量的模型計(jì)算路面抗滑指數(shù)（SI）評(píng)價(jià)抗滑性能。

1 試驗(yàn)材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

該文選用的瀝青原料為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性瀝青，改性瀝青與SK90#原瀝青和SBS 按3 ∶100（質(zhì)量比）的比例混合。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。該文采用的粗細(xì)集料類型均為片麻巖，礦物填料采用研磨的石灰石。對(duì)集料性能進(jìn)行測(cè)試，集料各項(xiàng)性能指標(biāo)見表2。

表1 SBS 改性瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)

表2 集料的物理特性

1.2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

該文采用4 種不同尺寸（NMAS）的SMA，包括SMA-16、SMA-13、SMA-10 和SMA-5，采用馬歇爾混合料的設(shè)計(jì)程序?qū)旌狭吓浜媳冗M(jìn)行設(shè)計(jì)。目標(biāo)空隙率（VV）為3.5%，最佳瀝青含量（OAC）按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）進(jìn)行計(jì)算。SMA-16、SMA-13、SMA-10 和SMA-5 的OAC分別為5.7%、6.3%、6.5%和6.6%。對(duì)SMA 路面來說，須對(duì)粗集料中的空隙率進(jìn)行檢測(cè)，在過程中有一個(gè)可調(diào)的篩孔尺寸（PCS）。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，SMA-16 和SMA-13 的PCS均為4.75mm，SMA-10 和SMA-5 的PCS分別為2.36mm 和1.18mm，PNMSA和PCS是SMA 級(jí)配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵影響因素。此外，路面表面紋理也受AC的影響，因此，該文選擇PNMSA、PNMSA-1、PCS、PCS-1和AC作為混合料設(shè)計(jì)的影響因素。

由于該文中混合料設(shè)計(jì)涉及多個(gè)影響因素和水平，因此，該研究選擇正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（OED），基于設(shè)計(jì)正交性，該文運(yùn)用OED 分析配合比設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)SMA 路面抗滑性能的影響，根據(jù)分級(jí)范圍，確定與分級(jí)相關(guān)4 個(gè)參數(shù)（PNMSA、PNMSA-1、PCS和PCS-1）的值，根據(jù)OAC選取AC值。其中，SMA-16、SMA-13 的影響因素和水平見表3 和表4。

表3 SMA-16 的影響因素及水平

表4 SMA-13 的影響因素及水平

假設(shè)任意2 個(gè)因素間沒有相互作用，采用SI指數(shù)評(píng)價(jià)路面抗滑性能，對(duì)各影響因素在常數(shù)水平i 的校驗(yàn)值進(jìn)行求和，得到相應(yīng)水平的均值（ki）和極差（R），計(jì)算如公式（1）和如公式（2）所示。

式中：ki為在某一水平i（i=1、2、3、4）下各影響因素SI的平均值，ki越高，路面抗滑性能越好。對(duì)每個(gè)因素來說，kmax在4 個(gè)水平中最大，kmin最小，R為不同因素的影響程度，R值越高，對(duì)路面抗滑性能的影響越大。

2 瀝青路面表面紋理表征

關(guān)于粗糙表面的三維幾何特征表征，需要對(duì)有代表性的參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此，評(píng)價(jià)可能會(huì)比較片面，無法對(duì)粗糙表面進(jìn)行全面、準(zhǔn)確地分析及表征[4]。研究人員提出5個(gè)典型的三維評(píng)價(jià)參數(shù)定量表示集料的紋理特征[5]，包括基本傾角在整個(gè)表面上的均值（θs）、節(jié)理表面梯度均方根（Z2s）、表觀各向異性程度（Ka）、表面粗糙度系數(shù)（Rs）和表面彎曲系數(shù)（Ts）。以上參數(shù)不受集料軸向的影響，能夠準(zhǔn)確地反映三維集料紋理面的幾何特征。此外，5 個(gè)參數(shù)對(duì)表面幾何形狀變化的靈敏度也不同，因此適用性較好。

該文選取上述5 個(gè)參數(shù)說明路面紋理特征，采用SI 評(píng)價(jià)路面抗滑性能，試件幾何尺寸為300mm（長(zhǎng)）×300mm（寬）×50mm（高），采用3 個(gè)相同混合料類型和級(jí)配的SMA 試件，由于圖像采集的數(shù)據(jù)量較大，因此對(duì)計(jì)算速度和效率有很大的影響，因?yàn)榧狭酱嬖陲@著差異，所以計(jì)算面積根據(jù)混合料類型選擇。SMA-16 和SMA-13 的分析面積約為100mm（長(zhǎng)）×100mm（寬），而SMA-10 和SMA-5的分析面積為55mm（長(zhǎng)）×55mm（寬），每個(gè)試件在不同位置測(cè)試3 次。

2.1 創(chuàng)建三維模型

利用相機(jī)采集路面紋理圖像，采用噴涂顯影劑和濾波過濾等方式對(duì)圖像進(jìn)行處理。將處理后的照片輸入計(jì)算機(jī)，建立路面紋理的三維模型。

2.2 抗滑性能計(jì)算

基于路面紋理三維模型，可以得到5 個(gè)參數(shù)（θs、Z2s、Ka、Rs、Ts），SI的值表示路面抗滑能力，采用主成分分析（PCA）的方式分析這5 個(gè)參數(shù)與SI的關(guān)系，計(jì)算SI如公式（3）～公式（5）所示，其中Z1、Z2為累積成分函數(shù)，SI值越高，路面抗滑性能越好。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 NMAS 對(duì)路面抗滑性能的影響

采用SI評(píng)價(jià)路面抗滑性能，ki為每個(gè)影響因素在一定水平i（i=1、2、3、4）下SI的平均值，R為不同影響因素的影響程度。

PNMAS與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系如圖1 所示，由圖1可知，隨著PNMAS增加，路面抗滑性逐漸降低，其中PNMAS是通過最大尺寸聚集體的百分比，PNMAS較低說明更多的集料團(tuán)聚體留在了篩上，瀝青路面的宏觀結(jié)構(gòu)主要由粗集料構(gòu)成，粒徑大于公稱最大粒徑的集料含量，使混合料的宏觀結(jié)構(gòu)更多，路面抗滑性能更好。

圖1 PNMAS 與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系

3.2 集料篩分率對(duì)路面抗滑性能的影響

SMA 路面通過控制篩的百分比與防滑力間的關(guān)系，如圖2 所示，隨著PCS增加，不同類型混合料的ki變化趨勢(shì)基本一致，均為先減少后增加，說明隨著PCS增加，SMA路面的抗滑性能先降低后提高。對(duì)PNMAS-1和PCS-1來說，ki有不同的混合料類型和影響因素水平，而ki值變化不大，說明PNMAS-1和PCS-1對(duì)路面抗滑性能的影響不明顯。

圖2 篩孔通過率與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系

3.3 AC 對(duì)路面抗滑性能的影響

AC與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系如圖3 所示，不同混合料類型的ki隨AC增加而逐漸減少，說明路面的抗滑性能降低。當(dāng)AC增加時(shí)，瀝青膜變厚，宏觀結(jié)構(gòu)變小，導(dǎo)致路面抗滑性能降低。研究結(jié)果表明，SMA-5 的ki變化趨勢(shì)與其他類型的SMA 不同。ki隨AC增加先增加后減少，當(dāng)團(tuán)聚體變少至一定尺寸時(shí)，試件在壓實(shí)過程中可能導(dǎo)致團(tuán)聚體重排，從而導(dǎo)致混合料級(jí)配異常，對(duì)路面的抗滑性能有影響。

圖3 AC 與SMA 路面抗滑性能的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

該文主要研究結(jié)論如下：1）PNMSA、PCS、AC這3 個(gè)參數(shù)是提高路面抗滑性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。其中PNMSA對(duì)抗滑性能的影響最大，AC，PCS對(duì)路面抗滑性能的影響最小；上述參數(shù)對(duì)路面抗滑性能的影響程度總體高于PNMSA-1及PCS-1；SMA 路面的抗滑性能隨著PNMSA和AC增加而逐漸降低，隨著PCS 增加先減少后增加。2）對(duì)PNMAS-1和PCS-1來說，SMA 路面在不同混合料類型和影響因素水平下的抗滑性能存在差異，但二者之間無明顯不同，表明PNMAS-1和PCS-1對(duì)SMA 路面的抗滑性能影響較小，當(dāng)集料粒徑足夠小時(shí)，混合料壓實(shí)條件會(huì)對(duì)路面抗滑性能產(chǎn)生影響。