薄層多孔瀝青路面抗滑性能研究

陳 燦， 段靖軒， 鄒尚縉， 陳思宇， 黃曉明

（東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 211189）

引 言

路面抗滑性能對(duì)道路交通安全起著重要作用，雨天時(shí)路面抗滑性能下降，車輛行駛時(shí)常會(huì)發(fā)生滑溜、彎道側(cè)翻、長(zhǎng)下坡追尾等事故，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡［1-5］。究其原因，在潮濕或有積水的路面上，由于輪胎與路面之間水膜的存在，一定程度上降低了它們的附著系數(shù)，車輛在這種潮濕路面上行駛時(shí)容易發(fā)生滑移，行駛穩(wěn)定性下降，遇到緊急制動(dòng)更易引起水漂而發(fā)生交通事故［1，6-7］。研究表明，路面抗滑性能與胎/路間的摩擦緊密相關(guān)，尤其是長(zhǎng)陡坡和彎道等路段，良好的抗滑性能可以有效減少車輛追尾、滑溜和側(cè)翻等事故的發(fā)生［8］。因此，對(duì)路面抗滑性能的研究就顯得十分關(guān)鍵。

為減少道路上的交通事故，需要提高路面的抗滑性能，尤其是在雨天有積水或潮濕狀態(tài)下路面的抗滑性能。本研究致力于設(shè)計(jì)一種薄層多孔瀝青路面，使其排水性能和抗滑性能均能達(dá)到較好的效果。目前，國(guó)內(nèi)外排水路面采用大空隙的OGFC瀝青混合料，其空隙率一般在20%左右，但它的大空隙同時(shí)也導(dǎo)致了其抵抗水損害的性能較差［9］。

為既保證路面排水性能，又兼顧路面水穩(wěn)定性，本研究從瀝青路面的抗滑機(jī)理開(kāi)始探討，對(duì)OGFC-5薄層多孔瀝青混合料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，并對(duì)其路用性能和排水性能進(jìn)行檢驗(yàn)，最后結(jié)合動(dòng)態(tài)摩擦試驗(yàn)和用路面紋理信息對(duì)其抗滑性能進(jìn)行研究分析。結(jié)果表明OGFC-5可以作為一種具有良好排水抗滑性能的路面。

1 瀝青路面摩擦機(jī)理

輪胎與路面之間的摩擦是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，但根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，其主要取決于輪胎路面間的附著特性，所以影響路面的抗滑性能最根本的因素是路表特性和輪胎特性。當(dāng)然，路表潮濕或積水也會(huì)通過(guò)阻隔輪胎與路面間的接觸對(duì)路面的抗滑性能造成影響［10］。在雨水天氣，輪胎與路面之間會(huì)存在一層水膜。在水膜的潤(rùn)滑作用下，車輛低速行駛時(shí)水膜僅通過(guò)濕潤(rùn)作用減少輪胎與路面的接觸來(lái)降低路面摩擦，而在高速通過(guò)或緊急制動(dòng)剎車時(shí)，輪胎會(huì)擠壓水膜產(chǎn)生豎向的動(dòng)水壓力，阻礙了輪胎與路面的相互擠壓，嚴(yán)重時(shí)輪胎與路面將完全分隔，造成輪胎水漂現(xiàn)象。

為了研究路表特性對(duì)路面抗滑性能的影響，1987年，國(guó)際道路協(xié)會(huì)（PIARC）將路面的表層構(gòu)造按照不規(guī)則程度的大小、形狀、分布及作用，劃分為四類：即微觀紋理（紋理波長(zhǎng)0～0.5 mm）、宏觀紋理（波長(zhǎng)0.5～50 mm）和大構(gòu)造（波長(zhǎng)50～500 mm）以及路面不平整（波長(zhǎng)500 mm～50 m）四類［11］。

瀝青路面紋理構(gòu)造不同對(duì)抗滑能力的影響也不同，巨大的紋理可以用車轍、坑洼、主要接縫和裂縫來(lái)描述。所以，為了獲得最佳的路面性能，微觀和宏觀紋理是必不可少的，而大構(gòu)造和路面不平整是不可取的［12］。故實(shí)際工程中在研究路表面構(gòu)造深度對(duì)抗滑性能的影響時(shí)，考慮的瀝青路面紋理是微觀紋理和宏觀紋理［13］。其中，微觀紋理［14］是指集料表面垂直方向波長(zhǎng)0.01～0.2 mm，水平方向波長(zhǎng)0～0.5 mm的微小紋理，其主要影響的是低速行駛時(shí)干燥路面的抗滑性能。在實(shí)際工程中，可以通過(guò)使用優(yōu)質(zhì)集料（磨光值高、沖擊值高、磨耗值低）來(lái)提高路面的微觀構(gòu)造，以提高瀝青路面的抗滑性能。宏觀紋理［15］是指集料表面垂直方向波長(zhǎng)0.2～10 mm，水平方向波長(zhǎng)0.5～50 mm肉眼直觀可見(jiàn)的表面紋理，其決定路面積水情況下輪胎與路面接觸區(qū)的排水能力，宏觀紋理的平均高度越大，路面排水性能越好，有利于提高路面的抗滑能力［16-19］。宏觀紋理主要由集料形狀、粒徑以及級(jí)配決定［20-21］。

因此，為了提高雨天或潮濕狀態(tài)瀝青路面的排水性能，以增強(qiáng)相應(yīng)情況下瀝青路面的抗滑能力，需要重點(diǎn)把握好路面的宏觀紋理，本研究將重點(diǎn)介紹OGFC-5薄層多孔瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)和最佳瀝青用量的確定，以讓其保持良好的宏觀紋理，并驗(yàn)證其路用性能與排水性能。

2 多孔瀝青混合料設(shè)計(jì)

OGFC-5是一種開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度主要來(lái)源于集料之間的嵌擠作用以及集料與瀝青之間的黏附作用。集料的強(qiáng)度和瀝青的性質(zhì)對(duì)于瀝青混合料的性能有很大的影響。

2.1 原材料與礦料級(jí)配

本研究采用的主要原材料有：90號(hào)基質(zhì)瀝青、規(guī)格為3～5 mm和0～3 mm的集料（依次為1#和2#料）、礦粉、鋪裝添加劑（摻量為礦料質(zhì)量的1%）以及聚酯纖維。

瀝青混合料擊實(shí)溫度采用165 ℃，依據(jù)要求進(jìn)行了集料、礦粉和瀝青的密度試驗(yàn)，結(jié)果均滿足《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》相關(guān)技術(shù)要求；對(duì)各種粒徑的集料進(jìn)行篩分試驗(yàn)以獲得其級(jí)配，各種礦料的篩分結(jié)果如表1所示。

表1 各種礦料的篩分結(jié)果

2.2 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

OGFC-5薄層多孔瀝青混合料級(jí)配應(yīng)該滿足表2所示的范圍。

表2 OGFC-5薄層多孔瀝青混合料工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍

在進(jìn)行混合料初步級(jí)配設(shè)計(jì)的時(shí)候，根據(jù)集料的篩分結(jié)果首先初選出粗、中、細(xì)三個(gè)級(jí)配（級(jí)配A、級(jí)配B、級(jí)配C），然后根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)暫時(shí)先選擇油石比為5.5%，分別制作馬歇爾試件，得出試件的體積指標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)空隙率15%指標(biāo)初選一組接近設(shè)計(jì)要求的級(jí)配作為設(shè)計(jì)級(jí)配。表3為三個(gè)級(jí)配的礦料比例明細(xì)表，表4為三種礦料的合成級(jí)配明細(xì)表。

表3 試驗(yàn)礦料配合比組成

表4 試驗(yàn)礦料級(jí)配明細(xì)表

按照不同級(jí)配分布，分別制作馬歇爾試件，測(cè)試空隙率，分別測(cè)得級(jí)配A、級(jí)配B和級(jí)配C混合料的空隙率分別為17.1%， 17.6%和15.4%，研究選擇目標(biāo)空隙率最接近15%的級(jí)配C為設(shè)計(jì)級(jí)配。級(jí)配C的級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 OGFC-5薄層多孔瀝青混合料級(jí)配曲線圖

2.3 最佳瀝青用量的確定

分別采用5.0%，5.3%，5.5%，5.7%，6.0%五種油石比進(jìn)行析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)，根據(jù)析漏試驗(yàn)結(jié)果，確定最大油石比OACmax為5.68%，根據(jù)肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果確定最小油石比OACmin為5.48%。根據(jù)飛散損失、析漏損失關(guān)系曲線，經(jīng)綜合分析確定最佳油石比油石比為5.5%。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 OGFC-5薄層多孔瀝青混合料析漏與飛散試驗(yàn)結(jié)果

2.4 OGFC-5的路用性能

對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性、抗車轍性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，其中浸水馬歇爾試驗(yàn)的試件需在恒溫水槽中保溫48 h，采用浸水殘留穩(wěn)定度為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性，而凍融劈裂試驗(yàn)的試件則需經(jīng)過(guò)真空飽水試驗(yàn)，采用凍融劈裂強(qiáng)度比作為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性；采用車轍試驗(yàn)檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，車轍試驗(yàn)在60 ℃下進(jìn)行測(cè)試，采用動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果（如表6所示）可知，OGFC-5的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性均符合要求。

表6 薄層多孔瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

2.5 OGFC-5的排水性能

本研究采用滲水試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)OGFC-5路面的排水性能，試驗(yàn)儀器為滲水儀，檢驗(yàn)指標(biāo)為滲水系數(shù)。滲水系數(shù)直接表征路面滲水的速度，其值越高代表滲水性能越好。混合料滲水試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 瀝青路面滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果匯總表

試驗(yàn)結(jié)果表明，OGFC-5的排水性能良好。至此，OGFC-5的路用性能和排水性能均已得到驗(yàn)證，但在抗滑性能方面還需要進(jìn)一步探究，下面將對(duì)比OGFC-5混合料與目前應(yīng)用廣泛的SMA-13瀝青混合料的抗滑性能，以分析OGFC-5瀝青混合料的抗滑性能。

3 多孔瀝青混合料抗滑性能分析

本研究先采用動(dòng)態(tài)摩擦試驗(yàn)分別測(cè)量了OGFC-5和SMA-13兩種路面的摩擦系數(shù)，以比較兩種路面的抗滑性能，再通過(guò)激光掃描技術(shù)獲取兩種路面的紋理模型，并對(duì)兩種路面的紋理輪廓和紋理高度分布進(jìn)行了分析，以進(jìn)一步分析兩者抗滑性

能的差異。

3.1 動(dòng)態(tài)摩擦試驗(yàn)

目前國(guó)內(nèi)測(cè)定路面摩擦系數(shù)的儀器主要有摩擦系數(shù)測(cè)試車和擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀。前者購(gòu)買和維護(hù)的費(fèi)用較高；而后者測(cè)試樣本小，且僅代表低速行駛的摩擦系數(shù)，測(cè)試結(jié)果受到人為影響較大。故本研究采用了動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)式摩擦測(cè)試儀（簡(jiǎn)稱DF儀）來(lái)測(cè)試路面摩擦系數(shù)，其不僅解決了上述兩者在性價(jià)比和測(cè)試穩(wěn)定方面的問(wèn)題，而且操作簡(jiǎn)單，便于攜帶。其測(cè)量出的結(jié)果為路面摩擦系數(shù)，即滑動(dòng)阻力除以滑塊荷載［22-23］。

DF儀正式使用前需要清理待測(cè)試路面。在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，測(cè)試圓盤提升至設(shè)定高度并旋轉(zhuǎn)，打開(kāi)供水開(kāi)關(guān)向測(cè)試點(diǎn)噴水，使測(cè)試點(diǎn)保持潮濕狀態(tài)。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)速達(dá)到90 km/h時(shí)，停止驅(qū)動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)和停止供水，測(cè)試盤降落至路面上，測(cè)試盤底部固定的三個(gè)橡膠滑塊與路面接觸，通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量其扭矩即可得到滑動(dòng)阻力。通過(guò)壓力傳感器測(cè)量施加給滑塊的豎向荷載，滑動(dòng)阻力與豎向荷載的比值為該旋轉(zhuǎn)速度下的路面摩擦系數(shù)。當(dāng)測(cè)試盤逐漸停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測(cè)試結(jié)束。測(cè)試圓盤旋轉(zhuǎn)速度從高到低，從而獲取到測(cè)試點(diǎn)上隨速度變化的摩擦系數(shù)。

使用DF儀分別測(cè)試了OGFC-5與SMA-13兩種瀝青混合料的動(dòng)摩擦系數(shù)，從測(cè)試速度為90 km/h開(kāi)始逐漸降為0的過(guò)程中兩種路面的摩擦系數(shù)變化曲線如圖2所示。

圖2 OGFC-5與SMA-13摩擦系數(shù)變化曲線圖

測(cè)試結(jié)果表明，在測(cè)試速度從90 km/h下降至80 km/h的這一段中，兩種路面的摩擦系數(shù)急劇上升且上升速度相似，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)初始階段橡膠滑溜塊與路面并未完全接觸，所以這個(gè)階段的摩擦系數(shù)急劇上升主要是由于滑塊與路面之間的接觸逐漸加強(qiáng)。在測(cè)試速度從80 km/h下降至0 km/h的這一段中，兩種路面的摩擦系數(shù)均緩慢上升，說(shuō)明路面與輪胎之間的摩擦力會(huì)隨著速度的降低而緩慢增加，這主要是因?yàn)楫?dāng)車輛靜止在路面時(shí)，輪胎的變形與瀝青路面的凹凸變化最為貼合，表現(xiàn)出來(lái)的也就是摩擦力最大。隨著速度的升高，這種貼合的有效面積會(huì)少量的減小，表現(xiàn)出來(lái)的就是摩擦力隨速度的升高而小幅度減小。

對(duì)比兩種路面摩擦曲線可知，OGFC-5瀝青混合料的摩擦系數(shù)比SMA-13要高，OGFC-5的抗滑性能更好，這一點(diǎn)在車速越高時(shí)表現(xiàn)的越明顯。但是上面的結(jié)論是以測(cè)量結(jié)果為導(dǎo)向的，為了更深層次的探究OGFC-5抗滑性能更優(yōu)的原因，本文將從兩種路面紋理情況來(lái)分析抗滑性能差異的原因。通過(guò)激光掃描獲取了兩種路面表面紋理狀況，采用MATLAB編程對(duì)獲取的紋理信息進(jìn)行數(shù)字化處理，通過(guò)對(duì)比其紋理高度、路表輪廓線等紋理參數(shù)，解析路面抗滑性能。

3.2 紋理高度分析

本次研究采用的激光掃描儀器為復(fù)合式激光掃描儀，通過(guò)激光掃描得到了兩種路面紋理的三維數(shù)據(jù)信息，在MATLAB中將采集到的紋理高度信息進(jìn)行數(shù)字圖像處理，得到了兩種路面的紋理高度直方圖，如圖3所示。對(duì)比兩者路面高度直方圖可知，SMA-13的紋理高度分布比較分散，主要分布在-2～2 mm之間，但也有一部分紋理高度低于-2 mm。這種較大范圍的高度分布，與其混合料中大粒徑集料的占比有關(guān)。此外，公稱粒徑為13 mm給予SMA-13混合料較深的構(gòu)造水平。相比于SMA-13混合料，OGFC-5的紋理高度分布更加集中在高度為0 mm附近，主要集中在-1～1 mm之間，表現(xiàn)出OGFC混合料中單一粒徑分布較為明顯，與混合料中50%左右2.36～4.75 mm集料相對(duì)應(yīng)。

圖3 SMA-13與OGFC-5路面紋理高度直方圖

3.3 路表輪廓分析

根據(jù)激光掃描獲取的路面三維數(shù)據(jù)，分別提取兩種路面的等間隔分布條件下長(zhǎng)度為10cm的路表輪廓曲線，如圖4所示。對(duì)比兩者路面輪廓曲線可知，SMA-13路面的三條輪廓曲線表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性，大部分的紋理高度都小于0 mm，即處于負(fù)紋理分布的狀態(tài)。其中最深的紋理構(gòu)造為-5 mm，這些較深的構(gòu)造對(duì)直接接觸輪胎的貢獻(xiàn)作用不大。相比而言，OGFC-5的路表高度變化的幅度相對(duì)更加緩和，紋理高度均集中在水平線附近小幅度波動(dòng)。OGCF-5路面的高度范圍在-2～2 mm之間，但其向上突起部分的紋理占比更多，可與輪胎提供更多的有效接觸。從紋理高度分布來(lái)看，OGFC-5比SMA-13路面能夠提供相對(duì)更為有效的接觸，具有較好的抗滑性能。

圖4 SMA-13與OGFC-5路面輪廓曲線圖

3.4 路表頂面高度分布

為了更加精細(xì)地展現(xiàn)兩種路面的路表紋理接觸情況，將兩種路面在不同紋理高度方面進(jìn)行切割。圖5展示了兩種路面頂端接觸分別在10%，20%，40%，60%和80%的路表紋理分布情況。如圖5（a）和圖5（b）所示，在10%路表紋理接觸狀態(tài)下，SMA-13路面的紋理部分集中在少數(shù)幾塊區(qū)域，形成一定地集中受力狀態(tài)，而OGFC-5路面的紋理部分呈現(xiàn)較為均勻的點(diǎn)狀分布，表現(xiàn)出輪胎接觸過(guò)程中的均勻性。隨著路表紋理接觸范圍的擴(kuò)大，對(duì)比兩種路面路表不同紋理高度，可以明顯看出到OGFC-5路表集料分布更加均勻，這與其級(jí)配中細(xì)集料占比高，2.36 mm及以下粒徑的集料占比達(dá)49.3%相對(duì)應(yīng)。而SMA-13路表粗集料較多，粗集料在高度方向構(gòu)造更深，且集料分布比較離散，所形成的紋理更加粗糙，這也與其級(jí)配中4.75 mm以上集料占比超過(guò)70%有很大關(guān)系，所以O(shè)GFC-5型瀝青混合料的路表紋理表現(xiàn)更優(yōu)，形成紋理形式更好，這也進(jìn)一步解釋了其抗滑性能較優(yōu)的原因。

圖5 SMA-13和OGFC-5路表不同高度紋理圖

4 結(jié) 論

為保證路面的抗滑性能，本研究首先分析了瀝青路面的摩擦機(jī)理，然后對(duì)薄層多孔瀝青混合料OGFC-5路面進(jìn)行了級(jí)配設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了其相關(guān)路用性能，最后將其抗滑性能與SMA-13的抗滑性能進(jìn)行了對(duì)比分析，得出主要結(jié)論如下：

1） 確定了試驗(yàn)中OGFC-5的級(jí)配為級(jí)配C，即1#∶2#∶礦粉=75∶21∶4，空隙率為15.4%，最佳油石比為5.5%，其水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性等路用性能以及排水性能均符合規(guī)范要求；

2） 動(dòng)態(tài)摩擦試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明OGFC-5具有較好的抗滑性能，在80 km/h的測(cè)試速度下，其動(dòng)摩擦系數(shù)可達(dá)0.503；

3） 采用激光掃描技術(shù)獲取并重構(gòu)的路面紋理進(jìn)一步解析了OGFC-5混合料的表面紋理狀態(tài)，大量單粒徑集料使其表面集料分布相對(duì)均勻，增強(qiáng)了路表與輪胎的有效接觸狀態(tài)。

本研究?jī)H對(duì)OGFC-5薄層多孔瀝青混合料進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)和路用性能研究，需要進(jìn)一步的探索研究不同公稱最大粒徑和空隙率下OGFC混合料的路用性能和抗滑性能。