不同服役階段AC-13結構抗滑性能評價指標相關性及適用性探討

熊 巍， 顏加俊， 雷宗建， 羅 爐

(1.湖北交投建設集團有限公司， 湖北 武漢 430050; 2.湖北省高速公路實業開發有限公司， 湖北 武漢 430051)

0 前言

抗滑性能是表征路面行車安全性和舒適性的重要指標。目前，評價瀝青路面抗滑性能的主要技術指標為構造深度和摩擦系數。構造深度TD是指一定面積的路表凹凸不平的開口孔隙的平均深度，代表了路面宏觀粗糙度，現行規范采用鋪砂法測試路表構造深度；摩擦系數則通過測試輪胎與路面表面的摩擦作用來評價抗滑性能，反映了輪胎與路面的接觸特性，是評價路面抗滑性能的綜合指標，現行規范采用橫向力系數SFC或擺式摩擦系數BPN進行評價[1]。

已有研究表明，級配和最大公稱粒徑是影響瀝青路面抗滑性能的2個主要因素。我國新建瀝青路面上面層一般采用SMA-13或AC-13結構，最大公稱粒徑為13.2mm。新建瀝青路面服役初期路面級配較為穩定，構造深度和摩擦系數測試手段能真實反映路面在服役初期的抗滑性能，均可作為路面抗滑性能的表征指標；隨著路面服役周期增長，在自然環境和車輛荷載作用下，路面表面瀝青膜逐漸老化脫落，粗集料被壓碎和磨光，細集料被不斷帶出，引起級配產生變異從而造成抗滑性能出現不同程度衰減。雖然構造深度和摩擦系數均為評價路面抗滑性能的專業技術指標，但由于所表征的作用機理不同，二者在路面級配變異所體現的抗滑性能衰減特征有所不同，不能相互取代[2-3]。因此，在不同路面服役階段，采用何種指標作為評價路面抗滑性能的推薦指標，對于反映服役期路面真實抗滑性能、制定合適養護決策十分重要。

1 抗滑指標相關性分析

選取湖北省A高速公路作為依托工程，A高速路面上面層結構采用改性瀝青AC-13C。為評價服役初期路面抗滑性能指標相關性，收集A高速公路交工驗收時路面抗滑性能檢測數據。同時，對A高速服役6 a后的抗滑性能進行檢測，為確保研究結論可信，擴大檢測樣本數據量，選取K23+000～K24+500行車道共40個測點。采用手工鋪砂法測定路面構造深度TD，擺式摩擦儀測定路面擺值BPN，橫向力系數車測定路面橫向力系數SFC，橫向力系數車默認每5m一個測點，在數據整理時篩選出測定構造深度和擺值樁號對應的測點值。

1.1 交工階段抗滑性能指標相關性

對A高速公路交工時某樁號段內79個行車道擺值BPN、構造深度TD和橫向力系數SFC數據進行整理，為便于在同一坐標系中比較各項指標整體變化趨勢，將構造深度結果按測值×100處理，結果如圖1～4所示。

圖1 交工階段BPN、TD(×100)和SFC測點分布及變化趨勢

圖2 BPN與TD線性關系擬合

圖3 SFC與TD線性關系擬合

圖4 SFC與BPN線性關系擬合

由圖1～4可知，對交工驗收階段AC-13結構瀝青路面：

1) SFC和BPN與TD之間總體呈現正相關關系，SFC和BPN測值變化趨勢較為接近，與TD在某些測點區間呈現負相關關系，即同一測點TD測值較大，SFC和BPN測值卻相對較小。表明在路面服役初期，路表紋理越復雜，構造深度越大，其與輪胎附著性越好，抗滑性能越好。

2) BPN與TD線性擬合度僅為0.0109，SFC與TD線性擬合度僅為0.0461，表明BPN和SFC與TD之間整體線性相關性較差。雖然BPN和SFC均為摩擦系數表征指標，且整體變化趨勢也較為一致，但線性擬合度僅為0.2359，線性相關性較差。

3) TD波動范圍較BPN和SFC波動范圍更大，表明BPN和SFC測值相對較為穩定，變異性較小。對于同一級配瀝青混合料，若不考慮施工均勻性等因素，在服役初期，采取BPN和SFC這2個指標更加穩定和可靠。

1.2 服役6 a抗滑性能指標相關性

對A高速公路服役6 a后K23+000～K24+500段行車道(期間未采取任何養護措施)40個構造深度、擺值和橫向力系數數據進行整理，結果圖5～8所示。

由圖5～8可知，對于通車6 a的AC — 13結構瀝青路面：

1) 絕大部分測點SFC和BPN測值變化趨勢一致，但與TD變化趨勢并不一致，這與交工階段路面抗滑指標變化規律相同。由線性擬合關系可知，SFC和BPN與TD之間總體呈現負相關關系，即測點構造深度越大，摩擦系數反而較小。同時，由測點測值可知，絕大部分測點構造深度仍能滿足規范要求，但摩擦系數衰減較快。

圖5 服役6年后BPN、TD(×100)和SFC測點分布及變化趨勢

圖6 BPN與TD線性關系擬合

圖7 SFC與TD線性關系擬合

圖8 SFC與BPN線性關系擬合

2) BPN與TD線性擬合度僅為0.0355，SFC與TD線性擬合度僅為0.0105，SFC與BPN線性擬合度僅為0.0415，3個抗滑指標之間線性相關性較差。表明路面服役較長時間后，三者之間均難以建立簡單的線性關系。

3) TD測值波動范圍仍較大，SFC測值波動最為穩定，BPN測值較交工階段波動變大，且BPN數值大部分低于SFC數值，表明采用橫向力系數SFC作為表征抗滑性能表征指標更為可靠。

2 測試機理及適用性研究

為比較各項指標衰減幅度，對A高速公路交工時和通車6 a后路面抗滑性能檢測數據進行整理并計算其代表值，結果如圖9所示。

圖9 交工階段和運營6 a后各抗滑性能指標代表值比較

由圖9數據可知，上面層AC — 13結構在投入使用6 a后，樁號段內構造深度代表值達到0.76，仍能滿足規范的要求，下降幅度僅為13.6%，單從構造深度指標來說，路面抗滑性能還處于較好的水平，但擺值和橫向力系數卻衰減較快，其中擺值下降33.3%，橫向力系數下降31.1%，部分路段已不能滿足安全行車的要求。因此，在路面正常使用過程中，若單一采用構造深度作為評價指標難以真實反映AC — 13結構真實抗滑性能。

分析其原因，路面微觀紋理及宏觀構造是影響瀝青路面抗滑性能的主要因素[4-6]，構造深度主要表征的是路面表層的宏觀構造；擺值表征了行車速度較低時路面的抗滑性能，其與集料表面的微觀粗糙度有關；橫向力系數則表征了行車速度較高時路面的抗滑性能，表征的是輪胎與路面表面的綜合接觸特性。因此，3個抗滑指標分別從微觀紋理或宏觀構造反映了路面抗滑性能。不同材料和混合料類型的微觀紋理和宏觀構造差異較大，體現在抗滑指標上也就不盡相同。路面服役初期，新鋪AC-13瀝青混合料集料棱角性突出，磨光性能較好，混合料級配穩定致密，此時路面抗滑性能主要由微觀構造部分提供粘附力和宏觀構造提供的阻滯力共同組成，無論從微觀紋理或宏觀構造均能體現反映路表抗滑性能好壞，均可作為路面抗滑性能表征指標。隨著路面運營時間的增長，瀝青膜逐漸老化，粗集料表面磨光，細集料被不斷帶出，混合料級配產生變異，雖然理論上宏觀構造遭到破壞，構造深度減小，但由于粗集料顆粒間隙深度增大，采用鋪砂法測定時鋪砂體積變大，構造深度未明顯降低或反而增大，這就可以解釋路面使用一定年限后，局部測點構造深度測值仍處于較高水平的原因。同時，由于黏附力主要由集料表面的微觀構造部分提供，集料磨光造成微觀構造損壞，采用擺式摩擦儀測定時橡膠與路面接觸阻力減小，測得擺值會減小；同理，宏觀構造破壞造成路面排水性能變差，降低了測試輪胎與路面作用的阻滯力，橫向力系數也相應減小。因此，雖然理論上構造深度未明顯衰減，但摩擦系數卻衰減較為明顯，實際抗滑性能是降低的。

由于橫向力系數、擺值和構造深度分別表征了不同路面狀態下的抗滑性能，在進行抗滑性能評價時，要綜合路面類型和評價指標的變化規律進行綜合決策，以制定合理養護方案。

3 結論

通過對湖北某高速公路路面結構交工階段和通車6 a后的抗滑性能指標檢測，分析研究了構造深度、擺值和橫向力系數之間的線性相關性，得到結論如下：

1) 擺值和橫向力系數測值變化趨勢較為一致，與構造深度變化趨勢不一致；3個抗滑指標之間線性擬合度均較低，難以建立簡單線性關系。

2) 路面服役初期，3個指標之間整體呈正相關關系，說明隨著構造深度的增大，路面摩擦系數相應增大，路表抗滑性能越好；路面投入使用6 a后，3個指標之間整體呈負相關關系，說明構造深度增大，摩擦系數反而降低，單一采用構造深度難以準確反映路面抗滑性能的好壞。

3) 構造深度和摩擦系數均為評價路表抗滑性能的技術指標，但二者所表征的機理不同，在路面不同使用階段所體現的抗滑特征不同，二者不能互相代替。構造深度測值波動范圍較大，橫向力系數測值波動范圍最小，且橫向力系數可綜合反映路面與輪胎的接觸特征，在進行路面抗滑性能檢測時，推薦采用橫向力系數作為長期抗滑性能評價指標，擺值和構造深度作為參考指標。