高速公路瀝青路面抗滑性能影響因素及衰減規(guī)律分析

毛廣振

保利長(zhǎng)大工程有限公司 廣東 廣州 510870

引言

相關(guān)人員都了解，瀝青路面憑借不揚(yáng)塵、易養(yǎng)護(hù)及平整性好等優(yōu)勢(shì)成為高速公路工程必選路面施工材料。隨著日常交通量持續(xù)提高，高速公路交通安全事故頻發(fā)問(wèn)題，已經(jīng)引起政府部門(mén)及社會(huì)各界廣泛關(guān)注，根據(jù)事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分交通安全事故的發(fā)生原因，通常與瀝青路面抗滑性不足存在一定關(guān)系，由此可見(jiàn)確保高速公路長(zhǎng)期保持優(yōu)越的抗滑性能，更有利于促進(jìn)交通安全。因此高速公路瀝青路面抗滑性能影響因素及衰減規(guī)律，是高速公路運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)單位共同關(guān)注的重要問(wèn)題。

1 影響高速公路瀝青路面抗滑性能的因素分析

1.1 內(nèi)在因素

高速公路多為瀝青材質(zhì)路面，其中對(duì)路面抗滑性能帶來(lái)不利影響的內(nèi)在因素有瀝青和集料的類(lèi)型、混合料類(lèi)型、施工工藝以及運(yùn)維管護(hù)等。

1.1.1 瀝青混合料類(lèi)型。高速公路路面所用瀝青混合料中目前以O(shè)GFC-13、SMA-13以及AC-13為主。第一，OGFC-13。它在瀝青混合料類(lèi)型中屬于大空隙開(kāi)級(jí)配排水式類(lèi)型，主料是粗集料，以鑲嵌方式構(gòu)成，僅包括少量填料和細(xì)集料，通常有超過(guò)18%的設(shè)計(jì)空隙率，骨架空隙型路面結(jié)構(gòu)層。它黏聚力不高，整體非常穩(wěn)定，有較大內(nèi)部摩阻力，缺陷是耐久性不理想。它較大的空隙率可以促進(jìn)路面短時(shí)間內(nèi)排干地表積水，抗滑降噪成效顯著，對(duì)車(chē)轍有很好抵御能力；第二，SMA-13。間斷級(jí)配類(lèi)型的瀝青混合料，就是每種檔次的集料用量都不連續(xù)。粗細(xì)集料用量相比，粗集料用量更大，而且大量使用礦粉，摻入的纖維可促進(jìn)混合料提升強(qiáng)度，骨架密實(shí)級(jí)配類(lèi)型的整體結(jié)構(gòu)。它的特點(diǎn)是混合料內(nèi)部具有很高的內(nèi)摩阻力和黏聚力，較之路面采用普通瀝青混凝土材質(zhì)的高速公路，能夠在使用壽命上高出20～40個(gè)百分點(diǎn)。但是這種瀝青混合料路面比普通瀝青混凝土材質(zhì)在成本上高出接近18%～23%，由于級(jí)配方式性能優(yōu)良，所以在道橋工程、重交通道路以及交叉路口等路面鋪設(shè)作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用；第三，AC-13。它是一種密級(jí)配瀝青混凝土，就是每種檔次集料都是連續(xù)級(jí)配用料，按照級(jí)配依次逐漸填隙，空隙率不大?；旌狭蠟閼腋∶軐?shí)類(lèi)結(jié)構(gòu)，有很強(qiáng)黏聚力，但是內(nèi)摩阻力不大，有良好的耐久性，但是穩(wěn)定性不理想，在路面設(shè)計(jì)以及成型等方面已經(jīng)形成非常成熟的技術(shù)體系，目前國(guó)內(nèi)一級(jí)和二級(jí)瀝青公路路面表層，有70%～80%都在使用這種材料。同類(lèi)材料條件下，瀝青路面抗滑性能很大程度上受到級(jí)配因素的影響，如果多數(shù)粗集料的粒徑都超過(guò)了4.75mm，就會(huì)表現(xiàn)出很好的抗滑性能，具體采用哪種類(lèi)型的瀝青混合料，還須結(jié)合道路等級(jí)、環(huán)境條件以及實(shí)際需要合理選擇。

1.1.2 瀝青。瀝青混合料中的瀝青材料作用是把集料黏結(jié)起來(lái)，其中瀝青類(lèi)型及具體用量在一定程度上影響路面的抗滑性能。瀝青類(lèi)型是影響集料粘附性的決定性因素，對(duì)混合料成料的水穩(wěn)性有重要影響，這兩種性能良好的指標(biāo)可以保障當(dāng)路面集料剝落，或者出現(xiàn)水體侵蝕危害情況下，其抗滑性能也不會(huì)降低。瀝青用量可顯著影響路面抗滑性能，如果瀝青混合料中所含瀝青用量無(wú)法對(duì)集料形成良好裹覆時(shí)，集料極易出現(xiàn)松動(dòng)脫落，會(huì)降低路面抗滑性能；但是太大的瀝青用量會(huì)使混合料富含自由瀝青，瀝青膜就會(huì)泛油，路面抗滑性能下降得更快，導(dǎo)致降雨帶來(lái)的路面地表積水無(wú)法快速排出，容易引發(fā)交通事故[1]。

1.1.3 集料。高速公路路面施工須科學(xué)選擇集料。如果集料表面粗糙，經(jīng)過(guò)碾壓作業(yè)可在互相嵌擠作用下產(chǎn)生較大內(nèi)摩擦角，它的混合料成料較之光滑表面集料生產(chǎn)的混合料成料在抗剪及抗滑性能方面更加良好。其中集料磨光值對(duì)路面微觀構(gòu)造有決定性影響，它可促使路面和輪胎加大咬合度，增強(qiáng)路面抗滑性能，能夠刺破水膜，遏制水滑問(wèn)題出現(xiàn)。同時(shí)，針片狀集料含量也影響路面抗滑性能，含有更多針片狀集料的瀝青混合料，其磨耗值以及壓碎值也更好。礦質(zhì)集料具備的耐磨性和硬度，可以顯著影響路面抗滑性能，硬度及耐磨性都不理想的礦料，路面剛成型時(shí)表面粗糙度較好，但是長(zhǎng)期行車(chē)的磨耗及碾壓讓粗糙表面快速消失，抗滑性能短期內(nèi)大幅下降，極易危害行車(chē)安全。因此，瀝青混合料的集料選擇，還須以低壓碎值和磨耗值，低針片狀含量，高磨光值和棱角性集料為宜，可保證路面具備優(yōu)良的抗滑性能。細(xì)集料必須可與瀝青形成高度黏結(jié)，可保證混合料成料有良好的水穩(wěn)性。機(jī)制砂、天然沙礫以及石屑不能與瀝青形成良好的黏結(jié)力，在一級(jí)公路及高速公路瀝青路面施工中不宜采用，且這種路面的瀝青混凝土中，抗滑表層和面層中石屑用量必須低于機(jī)制砂以及天然沙礫用量，且必須做好抗剝離處理。

1.1.4 施工工藝和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)管理。瀝青路面施工期間，瀝青混合料的拌和、攤鋪、碾壓以及成型等工藝，是影響路面宏觀構(gòu)造的決定性因素，在對(duì)車(chē)胎變形特性產(chǎn)生影響的同時(shí)，還會(huì)在車(chē)胎變形以及能量釋放作用下對(duì)路面的摩擦力以及排水泄水能力產(chǎn)生影響。養(yǎng)護(hù)管理可對(duì)瀝青路面構(gòu)成抗滑性能衰減方面，運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)期間還須對(duì)路面油污以及空隙泥沙進(jìn)行徹底清理，裂縫及坑槽等質(zhì)量危害及時(shí)修補(bǔ)，避免集料脫落過(guò)多降低路面抗滑性能。

1.2 外在因素

通車(chē)時(shí)長(zhǎng)、路面縱坡和長(zhǎng)度、車(chē)輛載荷、交通流量、溫度和氣候條件以及隧道內(nèi)外等因素，是影響路面抗滑性能的主要外在因素。

1.2.1 車(chē)輛荷載及通車(chē)時(shí)長(zhǎng)。車(chē)輛荷載在很大程度上影響對(duì)瀝青路面抗滑性能，設(shè)計(jì)階段就要對(duì)車(chē)輛理論荷載與運(yùn)營(yíng)荷載可能的差異進(jìn)行充分考量。同時(shí)，大量交通事故證實(shí)超載對(duì)路面抗滑性能有巨大影響。車(chē)輛荷載在磨耗性以及磨光性上影響路面抗滑性能。路面運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，集料表面磨光，車(chē)輛荷載也在持續(xù)磨耗混合料，表面宏觀構(gòu)造磨平后抗滑力明顯降低。瀝青混凝土材質(zhì)的高速公路路面，其抗滑性能整體上通車(chē)時(shí)間越長(zhǎng)，性能會(huì)逐步衰減，原因在于路面通車(chē)會(huì)磨光表面紋理，集料磨光值在長(zhǎng)期通車(chē)期間越來(lái)越小，抗滑性能也會(huì)隨之下降。

1.2.2 路面縱坡及坡長(zhǎng)。車(chē)輛駛過(guò)路面縱坡需要調(diào)速，調(diào)速的主要措施是制動(dòng)，期間車(chē)胎和路面由原來(lái)滾動(dòng)摩擦的形式向滑動(dòng)摩擦形式轉(zhuǎn)變，如果某一路段這種狀態(tài)持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)，路面就會(huì)降低抗滑性能。樂(lè)廣高速北行K215～K209連續(xù)6km下坡路段為例，研究人員結(jié)合該路段縱坡過(guò)于長(zhǎng)大的特點(diǎn)，結(jié)合車(chē)輛通行期間給路面帶來(lái)的作用等進(jìn)行受力及作用分析，證實(shí)縱坡會(huì)讓路面產(chǎn)生水平分力，一旦車(chē)輛途經(jīng)這種路段制動(dòng)期間，水平分力短時(shí)間內(nèi)驟然劇增，如果處于連續(xù)超長(zhǎng)下坡路段，車(chē)輛必須長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)，就會(huì)快速衰減路面的抗滑性能。對(duì)重載狀態(tài)下的車(chē)輛長(zhǎng)大縱坡行駛中的抗滑性能衰減進(jìn)行研究，證實(shí)縱坡制動(dòng)期間的車(chē)輛會(huì)加大水平分力，進(jìn)而導(dǎo)致路面出現(xiàn)抗滑性能衰減。

1.2.3 隧道內(nèi)外。隧道內(nèi)部和外部的溫度條件是不一樣的，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)性滲水問(wèn)題高發(fā)，濕度更高，路面長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中。而且隧道封閉性較強(qiáng)，路面油污以及車(chē)輛尾氣無(wú)法及時(shí)外排，路面表層就會(huì)有油膜產(chǎn)生，導(dǎo)致隧道內(nèi)部路面降低抗滑性能，樂(lè)廣高速大瑤山隧道群情況更為嚴(yán)重。而且車(chē)輛在隧道內(nèi)部和外部行駛中的車(chē)速很不一樣，車(chē)輛要持續(xù)制動(dòng)達(dá)到調(diào)速目的，就會(huì)持續(xù)磨耗內(nèi)部路面的表層混合料，導(dǎo)致隧道內(nèi)部路面降低抗滑性能。而且重載車(chē)輛制動(dòng)噴水導(dǎo)致隧道內(nèi)部路面始終濕滑，部分過(guò)長(zhǎng)隧道日常管護(hù)期間的結(jié)構(gòu)性滲水問(wèn)題和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不力，路面油污長(zhǎng)期存在，都會(huì)降低路面抗滑性能[2]。

2 高速公路瀝青路面抗滑性衰減規(guī)律試驗(yàn)

2.1 原材料性能

某高速公路工程路面集料為石灰?guī)r結(jié)合70號(hào)基質(zhì)瀝青，為了在室內(nèi)室外環(huán)境中獲得一致性的混合料性能指標(biāo)，室內(nèi)試驗(yàn)試件制作時(shí)，選擇的集料和瀝青材料與高速公路路面材料相同。依據(jù)國(guó)家權(quán)威部門(mén)分別在2004年和2011年頒布實(shí)施的，關(guān)于公路瀝青路面的技術(shù)和試驗(yàn)國(guó)標(biāo)規(guī)定，嚴(yán)格測(cè)試瀝青路面的原材料性能指標(biāo)，結(jié)合測(cè)試結(jié)果決定選擇石灰?guī)r作為瀝青混合料粗細(xì)集料的設(shè)計(jì)用料，同時(shí)依據(jù)公路集料試驗(yàn)的國(guó)標(biāo)規(guī)定測(cè)試石灰?guī)r集料的性能指標(biāo)。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)須借助MMLS3儀器完成，為保證儀器使用要求，試驗(yàn)人員依據(jù)設(shè)計(jì)配比制作試件6個(gè)，養(yǎng)護(hù)期滿(mǎn)依據(jù)儀器要求切割為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。本高速公路通車(chē)初期采集的交通流量數(shù)據(jù)測(cè)算結(jié)果顯示，通車(chē)第一年年度日雙向平均交通當(dāng)量達(dá)12317軸次，對(duì)其實(shí)施設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)單車(chē)道單向累計(jì)當(dāng)量軸次換算，可設(shè)定雙向4車(chē)道數(shù)目。本次試驗(yàn)選擇的路面抗滑性能檢測(cè)周期數(shù)量為10個(gè)，分別是通車(chē)后的1到6個(gè)月，還有滿(mǎn)8個(gè)月、11個(gè)月以及14個(gè)月，同時(shí)測(cè)算得出每個(gè)周期累計(jì)當(dāng)量軸次。在加速加載設(shè)備試件槽中置入成型試件，以0.7兆帕接地壓強(qiáng)條件模擬車(chē)輛荷載，取各測(cè)試周期試件測(cè)試輪跡帶部位抗滑性能，晾干試件表面再置入試件槽，模擬后續(xù)車(chē)輛荷載。及MMLS3儀器荷載作用次數(shù)最大理論值是每小時(shí)7200次，中試驗(yàn)條件的限制性，加載效率調(diào)試最終設(shè)定值是每小時(shí)5200次。

2.3 評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果

路面抗滑性能不同車(chē)輛荷載作用時(shí)的測(cè)試結(jié)果顯示，車(chē)輛荷載作用次數(shù)越大，路面抗滑性能在小于等于55.2萬(wàn)次之前是遞增趨勢(shì)，超過(guò)該臨界值后遞減。原因初步估計(jì)是路面剛剛建成時(shí)，宏觀紋理0.5～5mm波長(zhǎng)，微觀紋理0～0.5mm波長(zhǎng)，二者共同提供抗滑性能，宏觀紋理對(duì)高速行駛車(chē)輛時(shí)路面抗滑性能產(chǎn)生影響，它的影響因素主要來(lái)自瀝青混合料的級(jí)配。路面通車(chē)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，表面瀝青就會(huì)出現(xiàn)脫落，集料表面就會(huì)暴露出來(lái)，它的紋理比路面豐富，成為路面新的紋理形式，抗滑性能的提供者還是宏觀和微觀紋理，一旦瀝青脫落殆盡與集料表面紋理形成全方位接觸，路面抗滑性能會(huì)出現(xiàn)峰值。其后磨耗次數(shù)越來(lái)越大，集料表面紋理越來(lái)越平緩，尖峰磨平使微觀紋理作用漸失，車(chē)輛的長(zhǎng)期荷載壓密了瀝青混合料，內(nèi)部無(wú)法再達(dá)成骨架作用，細(xì)集料以及瀝青膠漿上升到路面，讓路面紋理越來(lái)越平緩，宏觀紋理作用也會(huì)越來(lái)越低，二者同步下降讓路面抗滑性能顯著下降?？够阅艹掷m(xù)降至某種水平后趨緩，原因在于磨光的集料表面會(huì)同壓密的瀝青混合料，到達(dá)某種程度后，車(chē)輛荷載作用次數(shù)加大帶來(lái)的衰變速率降低了，路面越到通車(chē)后期，抗滑性能就出現(xiàn)越來(lái)越大的波動(dòng)。觀察可知，車(chē)輛荷載模擬顯示車(chē)胎接觸路面的部位會(huì)磨光，其嚴(yán)重程度隨著荷載作用次數(shù)加大而越重，輪跡帶能夠直觀看到花白集料裸露在外，可判定暴露的集料表面微觀紋理可提高路面抗滑性能。而且，集料表面受到的車(chē)輛荷載作用次數(shù)越大就越光滑，輪跡帶不磨耗部位產(chǎn)生顯著高差，證實(shí)荷載作用時(shí)間越長(zhǎng)，集料表面磨光和混凝土壓密會(huì)引發(fā)微觀紋理作用越來(lái)越小，進(jìn)而降低路面抗滑性能。高速行駛的車(chē)輛宏觀紋理是影響抗滑性能的主要因素，而低速行駛時(shí)微觀紋理是影響抗滑性能的主要因素，且車(chē)輛荷載的長(zhǎng)期作用會(huì)給宏觀和微觀紋理都造成磨損。集料級(jí)配影響宏觀紋理。集料性質(zhì)影響微觀紋理，要強(qiáng)化路面抗滑性能，還須以?xún)?yōu)質(zhì)集料或粗型級(jí)配為首選[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

生命至上、安全第一。在快節(jié)奏的現(xiàn)代社會(huì)生活中，交通安全事故已經(jīng)成為危害民眾人身與生命安全的殺手。對(duì)于高速公路交通而已，瀝青路面抗滑性能不足，是交通安全事故一大誘因。因此，高速公路運(yùn)營(yíng)與養(yǎng)護(hù)管理部門(mén)應(yīng)高度重視影響瀝青路面抗滑性能的各種原因，并全面了解瀝青路面抗滑性能衰減規(guī)律，以便科學(xué)制定針對(duì)性養(yǎng)護(hù)管理措施，借此促進(jìn)高速公路行車(chē)安全性。