瀝青路面抗滑性能發展規律及技術需求分析

孫雪偉 金光來 高培偉 臧國帥

(1.南京航空航天大學民航學院 南京 211100； 2.中路交科科技股份有限公司 南京 211800；3.江蘇中路工程技術研究院有限公司 南京 211800)

截至2020年底，江蘇省高速公路通車里程達到4 917 km，其中近80%的通車年限超過10年，近43%的通車年限超過15年。在交通荷載、環境因素的反復作用下，路面的抗滑性能下降明顯，近年來，更呈現出衰減嚴重的現象，影響了行車安全性[1-3]。周興林等[4]研究瀝青路面抗滑性能與瀝青混合料體積指標的關聯，發現隨著瀝青混合料空隙率和礦料間隙率的增加及有效瀝青飽和度和粗集料骨架間隙率的降低，瀝青混合料的抗滑性能增大。劉軍[5]介紹了瀝青路面的細構造和粗構造尺寸及材料要求，分析了影響瀝青路面抗滑性能的主要因素和抗滑表層早期破壞的原因，并提出了相應的防治措施。黃曉明等[6]對比分析了現有瀝青路面與橡膠輪胎的接觸力學模型，探討了設計、施工及運營階段中的不確定性因素，歸納了現有瀝青路面抗滑性能評價指標及衰變模型，最后論述了瀝青路面抗滑性能的發展方向。倪敬松[7]分析影響路面抗滑性能的各種因素，提出了路面抗滑性能評價的模型函數和預測模型。曹平等[8]分析了瀝青路面形貌對抗滑性能的影響，發現瀝青路面宏觀構造凸出體的高度和密度，微觀構造微凸體的高度、密度和尖銳度對瀝青路面抗滑性能具有明顯影響。路面抗滑性能直接影響了路面的服務質量，分析研究瀝青路面抗滑性能的發展規律及技術需求，對提升高速公路的服務質量有重要意義。

1 抗滑性能現狀

1.1 總體狀況

JTG 5210-2018 《公路技術狀況評定標準》[9]規定采用瀝青路面抗滑性能指數(SRI)表示路面抗滑性能，由橫向力系數SFC計算得到。江蘇省典型高速公路瀝青路面SFC全線平均值計算結果見圖1。由圖1可見，在選取的18條典型高速中，SFC值總體狀況評級為良(40

圖1 2018年江蘇省典型高速SFC總平均值

1.2 分布統計

統計江蘇省典型高速公路的抗滑不足(SFC<40)路段占比，結果見圖2。

圖2 2018年江蘇省典型高速公SFC<40的段落占比

由圖2可知，有8條高速存在抗滑不足路段，其中寧揚高速抗滑不足路段占比高達14.47%，其他高速占比均小于2%。

統計典型江蘇省高速公路的抗滑非優路段(SFC<48)占比，結果見圖3。

圖3 江蘇省典型高速非優路段占比

由圖3可知，非優路段占比>50%的有2條高速：寧揚和沿江高速；非優路段占比在30%～50%之間的有4條高速：滬寧、通啟、淮徐和寧洛高速。

2 抗滑性能發展規律

2.1 典型高速抗滑性能發展規律

江蘇省典型高速公路抗滑性能發展規律，見圖4、圖5。

圖4 寧滬高速抗滑性能發展規律(第四車道)

圖5 寧揚高速抗滑性能發展規律(第二車道)

以寧滬和寧楊高速公路為例說明，由于寧滬高速2006年進行了改擴建，統計從2007年開始。由圖4可知，寧滬高速第四車道橫向力系數在通車2～11年處于總體下降趨勢，在2018年(通車第12年)進行了專項養護，抗滑性能有所恢復。由圖5可知，寧揚高速2012年建成通車，通車6年來，其抗滑性能急劇下降，SFC由70衰減至45。

2.2 抗滑性能總體發展規律

基于江蘇省高速公路抗滑性能長期監測數據，考慮不同區域、不同通車年限、不同路面材料、不同車道的影響，分析江蘇省高速公路抗滑性能的發展規律。

2.2.1衰變模型

路面性能衰變模型就是反映路面建成通車或采取各種養護措施后，使用性能隨時間或軸載作用次數變化規律的表達式。同濟大學孫立軍教授建立的衰變模型[10]式(1)形式簡單，模型參數可解釋、具有明確的物理含義，得到了廣泛應用。

(1)

式中：PPI為能夠反映路面使用性能的指數(如PCI，RQI等)；PPI0為初始使用性能指數；y為路齡；α、β為模型參數。

其中參數α的數學含義可以認為是路面使用性能指數PPI衰減到初始值PPI0的63.2%時的路面使用年數。所以參數α的大小反映了路面使用壽命的長短，因此，將它命名為使用壽命因子。β則反映了曲線的形狀。當β由小變大時，衰變曲線將由凹變凸或呈反S形，所以將β稱為路面衰變的模式因子。

根據江蘇省高速公路性能的變化規律，一般到達路面使用期末時各項使用性能均未衰減到初始值PPI0的63.2%，因此根據江蘇省高速的使用特點，引入基于使用期末性能的調整系數λ，將上述預測方程進行修正，如式(2)。

(2)

式中：λ為基于使用期末性能的調整系數，對于抗滑性能，可取1.609 4，即當達到設計年限15年時使用性能衰變至初始值的80%。

2.2.2模型標定

2018年江蘇省典型高速公路抗滑性能隨通車時間的發展規律變化匯總見圖6。

圖6 各高速最外側行車道橫向力系數隨通車時間的變化

由圖6可知，通車前10年，抗滑性能持續下降，江蘇省高速公路SFC值平均值每年下降約1.35；通車10年后，抗滑性能保持穩定，這與后期養護有關。

采用上述模型對江蘇省高速公路檢測數據進行回歸分析，江蘇省典型高速公路抗滑衰變模型結果見圖7。

圖7 抗滑衰變模型分析

根據經驗，模型形狀因子β值初值選取為0.9。由圖7可見，瀝青路面結構行為方程可以用于描述江蘇省高速公路抗滑性能總體衰變規律其計算方法見式(3)，其形狀因子β值通過回歸分析確定為0.244。

(3)

式中：β值越小，則使用性能衰變越慢，因此表明江蘇省高速公路抗滑性能衰變較慢，這可能是及時養護的原因。

瀝青路面結構行為方程含有α、β2個模型參數，具有明確物理含義，對不同地區均具有較好適應性，對其他地區有推廣或借鑒作用。

3 抗滑處治技術后評估

一般情況下，瀝青路面抗滑不足處治技術包括：就地熱再生、薄層罩面(ECA-10、U-PAVE10)、封層類(微表處、抗滑碎石封層)、機械類(拋丸)。

3.1 基于歷年檢測數據的抗滑處治技術后評估

江蘇高速公路路面管理系統收集了江蘇高速公路路面性能歷年的檢測數據，基于此數據進行抗滑處治技術后評估。本文采用提升率和服務壽命TSL指標進行評估。提升率是指抗滑處治措施處治前后的抗滑性能提升百分比；服務壽命(treatment service life，TSL)是指處治措施失效時間，即處治后多長時間衰減至處治前抗滑SFC值。

以汾灌高速就地熱再生處治路段為例，處治前后SFC隨時間變化情況見圖8。

圖8 2013年處治路段橫向力系數隨時間變化

由圖8可知，就地熱再生提升率為21.8%；當使用3年后，提升率衰減為0，表明處治措施已經失效，因此就地熱再生的TSL約為3年。

匯總不同處治措施的提升率見圖9。

圖9 不同處治措施的提升率對比

由圖9可見，精細抗滑碎石封層和拋丸的提升率均大于40%，這2種措施為專門針對抗滑進行處治的措施，而其他措施的提升率約為15%。

匯總不同處治措施的服務壽命對比圖見圖10。

圖10 不同處治措施的服務壽命對比

由圖10可見，U-PAVE10薄層罩面的服務壽命為3年以上，上限待定，這是因為其具有優良高溫性能(動穩定度>8 000次/mm)，很難出現泛油現象，可長久保持路表抗滑性能；精細抗滑碎石封層的服務壽命約為3～4年，其它措施服務壽命為2～3年。

3.2 基于現場調研指標的抗滑處治技術后評估

現場調研指標包括構造深度(T0961-2008)、摩擦擺值(T0964-2008)、滲水系數(T0971-2008)、噪聲(車內噪聲)，本文通過現場調研指標對抗滑處治技術進行后評估。

3.2.1構造深度

不同處治措施的構造深度測試結果見圖11。

圖11 不同處治措施的構造深度對比

由圖11可知，拋丸路段將路面的瀝青膜打落，造成骨料表面微觀紋理粗糙，使得其構造深度最大，但這會顯著影響路面的抗裂性能和抗水損壞性能；對于汾灌高速就地熱再生處治路段，隨著使用年限從3年增加至5年，構造深度有所下降。

構造深度排序為：拋丸>抗滑碎石封層(拉毛)>就地熱再生>ARSMA-13>高強SMA-13≈高強ECA-10>U-PAVE10>ECA-10。

3.2.2擺值

不同處治措施的擺值測試結果見圖12。

圖12 不同處治措施的擺值對比

由圖12可知，寧杭高速高強SMA-13擺值最小，與現場外觀一致，集料磨損、光滑。擺值排序為：ARSMA-13>抗滑碎石封層≈U-PAVE10>就地熱再生≈ECA-10≈拋丸>高強SMA-13。

3.2.3噪聲

選取寧杭高速排水型路面、SMA-13、U-PAVE10等路段進行不同車速下的噪聲測試，結果見13。由圖13可知，隨著車速的提高，車內噪聲也隨之提高；U-PAVE10車內噪聲較排水路面或SMA-13噪聲降低5～7 dB，表明具有一定降噪效果。

圖13 不同罩面的噪聲對比

精細抗滑碎石封層在沿海高速進行了應用，對其噪聲狀況進行持續跟蹤觀測，噪聲變化規律見圖14。

圖14 精細抗滑碎石封層噪聲變化規律

由圖14可知，經過車輛荷載的壓密，處治7周后噪聲狀況已降低至處治前水平。

3.3 基于耐久性的抗滑處治技術后評估

拉拔試驗又稱附著力試驗可用于評價不同抗滑處治材料與原路面的黏附力，表征抗滑處治材料的耐久性。本文采用拉拔試驗結果絕對值對各種抗滑處治技術進行后評估。

不同處治措施的黏附力對比試驗結果見圖15。

圖15 不同處治措施的黏附力對比

由圖15可知，U-PAVE10瀝青膠漿黏結性能突出，黏附力最大；精細抗滑碎石封層針對黏結問題進行了加強處治；ECA-10存在跑料和麻面現象，黏附力較弱。抗滑耐久性排序：U-PAVE10>就地熱再生≈高強SMA-13≈精細抗滑碎石封層>高強ECA-10>ECA-10。

4 抗滑技術需求分析

抗滑處治措施的需求一般包含性價比、耐久性、施工性能、保護原路面、環保5個方面[11]。

基于抗滑需求的5個方面，采用雷達圖對不同抗滑處治措施綜合評估，綜合評估標準為越靠近中心則越差。不同抗滑處治措施綜合評估雷達圖見圖16。

圖16 不同抗滑處治措施綜合評估雷達圖

1) 性價比。全壽命周期內抗滑處治年平均花費排序為精細抗滑碎石封層

2) 耐久性。使用壽命排序為U-PAVE10薄層罩面>新型抗滑封層>就地熱再生>ECA-10薄層罩面>微表處。

3) 施工性能。封層類措施的乳化瀝青撒布難以控制，就地熱再生需要大型施工設備，施工過程控制要求較高，且會出現加熱溫度過高導致瀝青老化問題，引起路用性能降低；而薄層罩面類措施的施工質量較易控制。

4) 保護原路面。薄層罩面類的施工厚度為2.5 cm，微表處的施工厚度為1 cm，抗滑碎石封層的施工厚度為0.5 cm，而就地熱再生技術提升了上面層性能，一定程度上起到保護原路面的作用。因此，可以排序為薄層罩面類≈就地熱再生>微表處>封層類。

5) 環保。封層類為冷拌冷鋪，薄層罩面類為熱拌熱鋪，就地熱再生雖然對混合料進行回收利用，但需對路面進行加熱，仍會消耗大量能源。因此，排序為封層類>就地熱再生>薄層罩面。

綜上所述，高性能薄層罩面類和精細抗滑碎石封層類的綜合評估效果較好。然而，這2種處治措施仍不能完全滿足當前高速公路對抗滑技術的需求，亟需開發新型抗滑處治技術，實現快速、耐久、經濟、環保。

5 結語

1) 江蘇省高速公路抗滑狀況總體尚好，但是大部分高速公路的SFC全線平均值處于49～52，接近優良分界線。

2) 通車前10年，抗滑性能逐年下降，SFC全線平均值每年下降約1.35，下降百分比約2%，通車10年后，抗滑性能由于養護而趨于穩定。

3) 瀝青路面結構行為方程可用于表征江蘇省抗滑性能發展規律，形狀因子β值為0.244，表明江蘇高速抗滑性能總體衰變較慢。

4) 從性價比、耐久性、施工性能、保護原路面、環保等5個方面綜合評估了不同抗滑處治措施，排序為U-PAVE10>精細抗滑碎石封層>就地熱再生> ECA-10>微表處，表明U-PAVE10和精細抗滑碎石封層綜合評估效果較好。