季凍區氣候條件下SMA表面抗滑功能性研究

程培峰 沈思彤

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

黑龍江省季凍區冬季時間長，降雪長期存在于路表面，導致路面摩擦系數長時間處于較低水平,車輛操作困難，制動距離縮短，極易發生制動失穩、側滑、追尾等交通事故[1-4]。瀝青瑪脂碎石混合料(SMA)，因具有良好的路用性能和抗滑性能，常被用作抗滑面層[5]。因此，本文將對季凍區氣候條件下的SMA抗滑性能進行研究。

1 試驗方法

根據黑龍江省(季凍區)氣候特點，選取季凍區氣候條件下形成的幾種典型的冰雪路面狀態，以SMA-13和SMA-16為研究對象，制備車轍板試件，首先通過鋪砂法測試試件在干燥狀態下的初始表面紋理特性，所得構造深度值如表1所示，然后通過擺式摩擦系數測定儀進行抗滑性能研究。進行抗滑性能試驗時，不按照標準試驗方法進行灑水處理和溫度修正換算，以免影響不同路面狀態的模擬和抗滑能力的比較。

表1 試件表面紋理特性

由表1對比兩者平均構造深度值大小可知：SMA-16>SMA-13，差值達13.9%，說明SMA-16瀝青路面表面宏觀構造更粗糙。

2 雪狀態

2.1 松雪路面

松雪路面是指飛雪落到地面后未經車輪碾壓的自然堆積形成的路面。模擬試驗方法如下，試驗溫度為-15 ℃，采用人工鋪灑的方式，將事先收集好的雪，按照試驗設計控制撒雪量，均勻鋪灑在試件表面，模擬不同降雪量下的松雪路面狀況，最后利用擺式儀測試其抗滑性能，測試方法如前面所述，松雪狀態下SMA路面抗滑擺值試驗結果見圖1。

從圖1數據分析可知，兩種路面在松雪狀態下抗滑擺值隨撒雪量的增加，呈現先下降后上升，最終趨于穩定的變化規律。當試件表面存在少量雪顆粒(撒雪量為25 g)時，路表摩擦接觸面狀態改變，通過試驗過程觀察可知，橡膠塊與雪顆粒摩擦生熱部分融化，使摩擦系數大幅下降。隨著撒雪量的增加，摩擦系數逐漸下降，但下降幅度變緩，考慮是摩擦生熱而融化的雪量進一步增加導致的。當撒雪量增加到擺值最低點所對應位置時(SMA-13為100 g雪，SMA-16為125 g雪)，松雪基本將試件表面凹陷處填平，繼續增加撒雪量，橡膠塊對雪產生挖掘作用，擺式儀受到雪的阻力，造成摩擦系數出現小幅度上升，直至最后再增加撒雪量對摩擦系數幾乎沒有影響，摩擦系數趨于穩定。

降雪初期即撒雪量較少時，SMA-16路面由于構造深度較大，擺值下降幅度比SMA-13小，且變化趨勢較SMA-13延遲，當降雪量增加到一定程度，兩種不同級配的路面抗滑擺值都相對于初始值降低約38%，且最終都穩定在54左右，因為此時路面抗滑性能主要受到雪覆蓋的影響，受到路表面構造形態影響較小。從數值上來看，SMA-16路面在降雪初期相較SMA-13路面具有更好的抗滑性能，但在降雪天氣下，SMA路面也表現出相對于相同溫度干燥條件下更加不利的抗滑性能。

2.2 壓實雪路面

對于實際路面降雪一定時間后，伴隨自然積雪和車輪碾壓形成的雪路面的情況，研究將其定義為壓實雪路面，模擬時控制試件溫度在-15 ℃左右，對不同撒雪量的松雪路面，采用人工均勻鋪灑降雪，然后用鐵盆壓實，壓實到雪層厚度穩定不再沉降為止，最后利用擺式摩擦儀測試出壓實雪狀態下SMA路面的抗滑擺值BPN，試驗結果如圖2所示。由于新雪經過壓實后，撒雪量的變化幅度對路表面雪層厚度的影響相對于松散雪情況小，所以試驗增大撒雪量的變化間隔為50 g，使試驗效果明顯。

分析圖2得知，兩種級配的SMA路面在壓實雪狀態下抗滑擺值隨著撒雪量的增加而降低，減小幅度由大變小，最終趨于穩定值。SMA-13在撒雪量小于250 g時，被壓實過的雪不足以將試件完全覆蓋，摩擦力由壓實雪和試件表面一同提供，抗滑擺值隨著壓實雪量的增加而減小，特別是撒雪量為50 g時，路面雪從無到有，路面摩擦特性發生改變，抗滑擺值下降幅度最大。SMA-16在撒雪量小于300 g時，與前者抗滑擺值變化規律一致，因為在宏觀構造深度上的優勢發揮了一定的作用，使其能夠承受更大降雪量的沖擊。撒雪量達250 g(SMA-16為300 g)后，兩者的抗滑擺值基本穩定在30左右，與初始值相比平均下降幅度約為65.7%，此時擺式儀橡膠塊與試件表面完全脫離，直接與壓實雪接觸。壓實雪路面，在未進行人工或機械清雪之前是一種存在時間很長的路面狀態，抗滑擺值可達到30，對行車安全極為不利。

3 冰雪狀態

3.1 融雪路面

融雪路面是指路面覆蓋一定松散雪和壓實雪后，當環境溫度升高0 ℃以上或汽車駛過時，部分雪顆粒溶解，形成雪漿狀雪水混合物覆蓋的路面。試驗模擬該狀態時，溫度控制在0 ℃，將制好的一定質量的雪漿均勻鋪在試樣表面，測量融雪狀態下的抗滑擺值BPN，測試結果匯總見圖3。

3.2 融凍路面

融凍路面，是雪漿凍結后所形成的冰雪板路面，易在環境正負溫度交替時產生，正溫時冰雪板表面部分融化成水，再次降雪后混合成雪漿，經負溫凍結，多次循環造成冰雪板厚度不斷增加。試驗模擬該狀態時，參照融凍路面形成條件，先在混合料試件表面，設置好雪漿路面，放入冰箱使其完全凍結成冰雪板后，使其表面溫度為-15 ℃，用擺式摩擦儀測量該融凍狀態下的抗滑擺值BPN，測量結果如圖4所示。

融雪和融凍兩種狀態下，兩種級配SMA路面的抗滑擺值隨雪漿或冰雪板質量的增加而逐漸降低最終趨于穩定，初期路面抗滑擺值SMA-16>SMA-13，究其原因是相同冰雪板質量情況下，SMA-16路面的構造深度相對較大，測量擺值時裸露的試件表面積大。對比兩種狀態下最終穩定值可知，SMA路面在融雪狀態的抗滑性能優于融凍狀態。

3.3 冰雪混合路面

表2 SMA冰雪混合路面抗滑試驗結果

試驗發現(如表2所示)，由于冰雪板上覆蓋雪層，潤滑了摩擦接觸界面，造成冰雪混合路面比融凍狀態下抗滑擺值明顯下降，雪量增加會略微增加路面的抗滑擺值，但作用效果不明顯；冰雪板厚度決定了擺式儀橡膠塊與SMA路面接觸狀態，故無論雪量大小，厚冰雪板路面比薄冰雪板路面擺值明顯減小；路面覆蓋有雪并存在薄冰板狀態時，SMA-16體現了構造深度大的優勢，抗滑擺值比同條件下SMA-13高11%。

4 結語

1)松雪狀態下，SMA路面抗滑擺值隨撒雪量的增加，呈現先下降后上升最終趨于穩定的變化規律，期間擺值出現小幅度上升，是由于橡膠塊對雪產生挖掘作用，擺式儀受到雪的阻力；壓實雪狀態下，擺值隨著撒雪量的增加而減小，減小幅度由大變小，最終趨于穩定值。

2)融雪和融凍兩種狀態下，兩種級配SMA路面的抗滑擺值隨雪漿或冰雪板質量的增加而逐漸降低最終趨于穩定，初降雪路面抗滑擺值SMA-16>SMA-13；冰雪混合狀態下，由于冰雪板上覆蓋雪層，潤滑了摩擦接觸界面，冰雪混合路面比融凍狀態下抗滑擺值小很多。

3)試件覆蓋物較少(相同質量)時，路面宏觀構造深度起關鍵作用，SMA-16抗滑擺值大于SMA-13；不同路面狀態下SMA路面的抗滑性能比較結果為，松雪狀態>融雪狀態>壓實雪狀態>融凍狀態>冰雪混合狀態。