路表構(gòu)造特征的瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)方法研究

劉儀培，皇甫皝

(1.廣東茂湛高速公路有限公司，廣東 茂名　525022；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京　210000)

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道路工程

路表構(gòu)造特征的瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)方法研究

劉儀培1，皇甫皝2

(1.廣東茂湛高速公路有限公司，廣東 茂名525022；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京210000)

摘要：在分析我國現(xiàn)行抗滑性能評(píng)價(jià)方法不足的基礎(chǔ)上，提出采用基于路表構(gòu)造特征的瀝青路面抗滑性能方法，來優(yōu)化我國瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)方法，應(yīng)用實(shí)體工程檢測數(shù)據(jù)，對(duì)比分析現(xiàn)行和優(yōu)化評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)效果。

關(guān)鍵詞：抗滑性能；路表構(gòu)造；PIARC模型；評(píng)價(jià)

1現(xiàn)行抗滑性能評(píng)價(jià)方法

我國《公路瀝青路設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)規(guī)定新建瀝青路面抗滑性能必須同時(shí)滿足橫向力系數(shù)SFC和構(gòu)造深度MTD技術(shù)要求；《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》)(JTG D50-2006)未提及構(gòu)造深度MTD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，只要求滿足橫向力系數(shù)SFC技術(shù)要求，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1　高速公路瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2抗滑性能評(píng)價(jià)方法分析

現(xiàn)行抗滑性能評(píng)價(jià)方法頒布實(shí)施已十余年，大量實(shí)體工程檢測評(píng)價(jià)結(jié)果表明相關(guān)規(guī)范中的抗滑性能評(píng)價(jià)方法不盡合理，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)設(shè)計(jì)規(guī)范評(píng)價(jià)指標(biāo)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)值不合理

瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范抗滑性能評(píng)價(jià)方法修訂的初衷是橫向力系數(shù)SFC能表征車輛側(cè)滑的危險(xiǎn)，而且可以連續(xù)測量；構(gòu)造深度MTD反映路面表面紋理深度，構(gòu)造深度越大，表示車輛高速行駛時(shí)，輪隙下路表水可迅速排出，防止水漂發(fā)生，雙指標(biāo)控制瀝青路面抗滑性能。

我國新建瀝青路面，尤其是在年平均降水量>1 000 m的區(qū)域，交竣工驗(yàn)收時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)構(gòu)造深度MTD遠(yuǎn)超規(guī)范技術(shù)要求達(dá)到0.8以上，而橫向力系數(shù)SFC卻不能滿足規(guī)范技術(shù)要求僅在50左右，導(dǎo)致雙控指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果不一致存在明顯差異，規(guī)范設(shè)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)值不盡合理。

(2)養(yǎng)護(hù)規(guī)范對(duì)構(gòu)造深度MTD重視不足

我國養(yǎng)護(hù)規(guī)范抗滑性能評(píng)價(jià)方法取消了構(gòu)造深度MTD技術(shù)要求，只提出了橫向力系數(shù)SFC的養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)構(gòu)造深度MTD的重視程度嚴(yán)重不足。相比為路表水排出提供通道，防止水漂發(fā)生的功能，構(gòu)造深度MTD更大的作用是雨天抑制濺水和噴霧現(xiàn)象，夜晚使路面形成漫反射，提高改善雨天、夜晚的行車視覺性能，大大降低了雨天、夜晚的交通事故率。英國、法國、澳大利亞的研究都表明路表宏觀構(gòu)造越低，發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)越大。

硬路肩部位基本上不承受車輛荷載作用，在一定程度上可以表征瀝青路面交工驗(yàn)收時(shí)的構(gòu)造深度MTD；在廣東深汕西、開陽高速公路進(jìn)行構(gòu)造深度MTD測試，測試部位為硬路肩和橫向平行行車道輪跡帶，研究分析構(gòu)造深度MTD在行車荷載作用下的衰變情況，見圖1。

圖1　硬路肩和行車道輪跡帶構(gòu)造深度分布

從圖1可以得出，路表構(gòu)造深度MTD在行車荷載作用下變大為11組，減小為13組，基本持平，說明瀝青路面在行車荷載作用下同時(shí)發(fā)生壓密變形和松散掉粒，使構(gòu)造深度MTD的衰變無規(guī)律可循。因此，非常有必要定期進(jìn)行構(gòu)造深度MTD測試，掌握了解路表構(gòu)造深度MTD的發(fā)展變化趨勢。

(3)未體現(xiàn)宏觀構(gòu)造對(duì)路面摩擦力的貢獻(xiàn)

由輪胎和路面的摩擦機(jī)理可知，輪胎與路面摩擦力主要是粘著分量FA和滯后分量FH之間相互復(fù)雜作用的結(jié)果，見圖2。輪胎與路面界面的粘著分量FA取決于微觀構(gòu)造，微觀構(gòu)造提供基本摩擦力大致占總摩擦力的0.7～0.9；輪胎彈塑性變形引起的滯后分量FH取決于宏觀構(gòu)造。粘著分量FA和滯后分量FH的和被認(rèn)為是輪胎與路面之間的摩擦力。

圖2　輪胎與路面摩擦機(jī)理

我國要求采用SCRIM系統(tǒng)測試橫向力系數(shù)SFC，表征輪胎與路面之間摩擦力的大小。SCRIM系統(tǒng)的摩擦力測試輪胎為光紋輪胎；美國相關(guān)研究表明，光紋輪胎敏感于路表微觀構(gòu)造，橫向力系數(shù)SFC測試表征的內(nèi)容僅是取決于微觀構(gòu)造的基本摩擦力粘著分量FA，并不是輪胎與路面之間的全部摩擦力。

同時(shí)，在潮濕路面上由于水的潤滑作用，阻礙了抗剪阻力的發(fā)揮，粘著分量FA會(huì)迅速衰減，路面摩擦力急劇下降，而宏觀構(gòu)造可以為輪胎—路面界面間的動(dòng)力水提供排出通道，使輪胎下的水能迅速排除，增大輪胎與路面的附著程度，使微觀構(gòu)造提供的基本摩擦力粘著分量FA在車輛高速行駛中得以保持。

3抗滑性能評(píng)價(jià)方法優(yōu)化

國際道路協(xié)會(huì)常設(shè)委員會(huì)采用譜的概念表述路表凹凸起伏。根據(jù)波長的不同，路表構(gòu)造特征分為微觀構(gòu)造、宏觀構(gòu)造、大構(gòu)造以及不平整度。不同的路表構(gòu)造特征具有不同的路表使用性能，與抗滑性能有關(guān)是微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造，見圖3。

圖3　路面構(gòu)造特征功能

我國抗滑性能評(píng)價(jià)方法本質(zhì)上是采用橫向力系數(shù)SFC評(píng)價(jià)微觀構(gòu)造抗滑性能，構(gòu)造深度MTD評(píng)價(jià)宏觀構(gòu)造抗滑性能，但橫向力系數(shù)SFC和構(gòu)造深度MTD相互隔離，缺乏有效的銜接和統(tǒng)一，不能科學(xué)、合理的綜合體現(xiàn)微、宏觀構(gòu)造共同作用下的路表抗滑性能。

世界各國的抗滑性能評(píng)價(jià)方法都是基于現(xiàn)有測試設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)，只是在處理數(shù)據(jù)的方式上不盡相同。目前，基于路表構(gòu)造特征的抗滑性能評(píng)價(jià)方法基本都是在現(xiàn)有抗滑評(píng)估物理模型的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)造特征參數(shù)和摩擦系數(shù)的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出基于構(gòu)造特征參數(shù)的抗滑性能評(píng)估模型，來評(píng)價(jià)不同構(gòu)造特征共同作用下的路表抗滑性能，其中比較有代表性的模型是PIARC模型和FEHRL模型。

(1)PIARC模型

世界道路協(xié)會(huì)(PIARC)于1992年對(duì)16個(gè)國家的47種設(shè)備在不同國家54個(gè)路段上進(jìn)行路面抗滑性能檢測設(shè)備對(duì)比與協(xié)調(diào)試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出的PIARC模型及國際摩阻指數(shù)IFI(F60，Sp)。

Sp=a+b·Tx

(1)

式中：Tx為路表面構(gòu)造參數(shù)，其值由粗構(gòu)造測試設(shè)備檢測得到，如采用激光斷面儀，Tx則為所測得的平均斷面深度MPD；如采用鋪砂法或玻璃珠體積法，則Tx為所測得的平均構(gòu)造深度MTD。a和b為回歸系數(shù)，亦可理解為路表面構(gòu)造深度測定裝置或方法的標(biāo)定參數(shù)。

(2)將在滑移速度S下測得的摩擦系數(shù)FRS轉(zhuǎn)換為在速度為60 km/h時(shí)的摩擦系數(shù)值FR60

FR60=FRSexp·[(S-60)/Sp]

(2)

式中：對(duì)于鎖定輪型摩擦系數(shù)儀：S=V，其中：V為測試車行駛速度；對(duì)于固定滑移率型摩擦系數(shù)儀：S=V·k，其中：V為測試車行駛速度；k為滑移率；對(duì)于偏轉(zhuǎn)輪型(側(cè)向力型)摩擦系數(shù)儀：S=V·sinα，其中：V為測試車行駛速度；α為偏轉(zhuǎn)輪的偏轉(zhuǎn)角。

(3)根據(jù)速度為60 km/h時(shí)的摩擦系數(shù)值FR60計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)速度的摩阻數(shù)F60

F60=A+B·FR60+C·Tx

(3)

式中：FR60由(式3)計(jì)算得到；Tx為路表面構(gòu)造參數(shù)，其取值與(式1)相同；A、B、C是摩擦系數(shù)設(shè)備的系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)，在PIARC的對(duì)比與協(xié)調(diào)試驗(yàn)中均已給出。當(dāng)測試輪胎為光紋輪胎時(shí)，去掉C·Tx項(xiàng)。

(2) FEHRL模型

歐洲國家公路研究試驗(yàn)室論壇(Forum of European National Highway Research Laboratories)，從2001年開始對(duì)歐洲國家使用的15種摩擦系數(shù)測試設(shè)備和7種構(gòu)造深度測試設(shè)備在歐洲5個(gè)國家的61條公路進(jìn)行了9輪路面抗滑性能檢測設(shè)備對(duì)比與協(xié)調(diào)試驗(yàn)(HERMES)。HERMES目的是建立歐洲標(biāo)準(zhǔn)的路面抗滑性能測試方法(CEN/TC227/WG5)。FEHRL根據(jù)對(duì)比與協(xié)調(diào)試驗(yàn)結(jié)果提出了歐洲摩阻指數(shù)EFI。

歐洲摩阻指數(shù)EFI，借鑒了國際摩阻指數(shù)IFI的基本概念，最開始被定義為

EFI=A+B×F30=A+B×F×e(S-SR)/S0

(4)

S0=a+b×MPD

(5)

其中：式中含義與PIARC模型一致，只是基準(zhǔn)滑移測試速度30 km/h，IFI是60 km/h。

試驗(yàn)分析后，EFI的參數(shù)A被去除，S0和MPD之間的計(jì)算關(guān)系式也發(fā)生了改變，EFI修改為

EFI=B×F×e(S-SR)/S0

(6)

S0=a×MPDb

(7)

PIARC模型和FEHRL模型的基本理念一致，將構(gòu)造特征融入到摩擦力中，這樣就可以體現(xiàn)構(gòu)造特征對(duì)摩擦力的貢獻(xiàn)，也可達(dá)到對(duì)比不同構(gòu)造深度水平下摩擦系數(shù)大小的目的。考慮到比對(duì)試驗(yàn)規(guī)模、參數(shù)準(zhǔn)確性和應(yīng)用范圍，建議采用PIARC模型，計(jì)算摩阻數(shù)F60，評(píng)價(jià)瀝青路面抗滑性能。

考慮到我國抗滑性能檢測設(shè)備現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)計(jì)算規(guī)范的規(guī)定，建議PIARC模型的檢測設(shè)備為SCRIM系統(tǒng)和車載式激光構(gòu)造深度儀。上述兩種設(shè)備的PIARC模型標(biāo)定參數(shù)，見表2和表3。

表2　PIARC試驗(yàn)中鋪砂法參數(shù)(a、b)標(biāo)定值

表3　與鋪砂法配合使用時(shí)一些設(shè)備的參數(shù)標(biāo)定值

將表2，表3參數(shù)代入PIARC模型，可得我國F60和計(jì)算公式

F60=0.543+0.03·FRS·exp[(S-60)/Sp]

(8)

Sp=-11.598 1+113.632 46·Tx

(9)

其中：FRS為測試速度為S，kW/h下的橫向力系數(shù)；S為測試速度(kW/h)；Tx為構(gòu)造深度MTD。

把我國瀝青路面設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)規(guī)范的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，代入PIARC模型計(jì)算摩阻數(shù)F60，就可得到我國高速公路瀝青路面基于路表構(gòu)造特征的抗滑性能養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為1.529。

4結(jié)論

我國現(xiàn)行瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)方法將橫向力系數(shù)SFC和構(gòu)造深度MTD相互隔離，缺乏有效的銜接和統(tǒng)一，導(dǎo)致不能科學(xué)、合理的體現(xiàn)微、宏觀構(gòu)造共同作用下的路表抗滑性能。PIARC模型將構(gòu)造特征融入到摩擦力中，體現(xiàn)了不同路表構(gòu)造對(duì)抗滑性能的貢獻(xiàn)，是基于路表構(gòu)造特征的瀝青路面抗滑性能評(píng)價(jià)方法。因此，建議采用PIARC模型評(píng)價(jià)瀝青路面的抗滑性能，其評(píng)價(jià)指標(biāo)摩阻數(shù)F60的高速公路瀝青路面抗滑性能養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是1.529。

參考文獻(xiàn)：

[1]FEHRL. Harmonisation of European Routine and Research Measuring Equipment for Skid Resistance，2008.

[2]PIARC.International PIARC Experiment To Compare And Harmonize Texture And Skid Resistance Measurements，2006.

[3]曹平. 表面形貌與污染物對(duì)瀝青路面抗滑性能影響的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)博士論文，2009.

Study on asphalt pavement skid resistance evaluation method based on the road surface structural features

LIU Yi-pei1,HUANG Pu-Guang2

(1.Guangdong Maoming-zhanjiang Expressway Co., Ltd.,Maoming，Guangdong 525022，China; 2.Sue Alternating Group Co., Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210000,China)

Abstract:On the basis of the analysis on the shortcomings of China's current skid resistance evaluation method, this paper proposes asphalt pavement skid resistance method based on the road surface structural features, to optimize the evaluation method of asphalt pavement skid resistance, application entities engineering test data, comparison analysis and evaluation of effectiveness and optimization of existing evaluation methods.

Keywords:skid resistance；road surface structure；PIARC model；evaluation

中圖分類號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)03-0001-03

作者簡介：劉儀培(1986-)，男，廣東梅州人，助理工程師，從事高速公路養(yǎng)護(hù)管理；皇甫皝(1982-)，男，江蘇南京人，工程師，從事道路養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

收稿日期：2016-01-02