李菁若，吳卓科，陳小莉，孫宏賢，譚 巍，李 娜

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067； 3. 海南省路橋投資建設(shè)有限公司，海南 海口 570203； 4. 云南云嶺高速公路交通科技有限公司，云南 昆明 650032)

0 引 言

1988年我國(guó)第一條高速公路建成，之后高速公路得到了迅速發(fā)展，截至2017年底我國(guó)高速公路通車(chē)總里程達(dá)13.6×104km，居世界第一。至今，高速公路新建、維修養(yǎng)護(hù)的工程量依舊很大，然而高質(zhì)量抗滑集料(我國(guó)過(guò)分迷信玄武巖)卻漸用漸少。行業(yè)內(nèi)學(xué)者早在1983年就提出應(yīng)加大力度尋找或開(kāi)發(fā)新集料或考慮原本不被看好的集料甚至某些指標(biāo)不合格的集料[1]。于1999年9月通車(chē)的隆納路、2000年12月通車(chē)的達(dá)渝路、2007年12月通車(chē)的渝湘高速公路水界段(AC-13C)和2016年1月通車(chē)的云南龍瑞高速公路(SMA-13)均嘗試使用石灰?guī)r集料鋪筑了抗滑表層作為試驗(yàn)路面；在渝湘高速公路水界段(AC-13C)亦鋪筑了砂巖抗滑試驗(yàn)路；云南龍瑞高速公路上亦鋪筑了長(zhǎng)距離石灰?guī)r與玄武巖互摻試驗(yàn)路； 2010年12月通車(chē)的26 cm厚長(zhǎng)壽命江西九瑞高速公路(AC-13C)鋪筑了輝綠巖抗滑試驗(yàn)路；西藏第一條高速公路拉林路(2015年6月通車(chē))及米林機(jī)場(chǎng)路(2015年8月通車(chē))鋪筑了卵石破碎的花崗巖抗滑試驗(yàn)路(AC-13C)；2014年7月通車(chē)的新疆塔城-克拉瑪依-烏爾禾-阿爾泰路及烏蘇-賽里木湖(一級(jí)改高速)路鋪筑了安山巖、凝灰?guī)r抗滑試驗(yàn)路(AC-13C)等。由此可見(jiàn)，隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，修筑高速公路抗滑表層時(shí)，建設(shè)者逐漸擺脫一味迷信玄武巖的束縛，開(kāi)始綜合考慮采納地材，從而大大降低工程造價(jià)、維持公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

大量工程實(shí)踐表明，地材在高速公路瀝青路面抗滑表層中的應(yīng)用需要解決3大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題為：① 如何優(yōu)選抗滑性能較好的地材？② 如何提升優(yōu)質(zhì)地材的抗滑性能？③ 如何對(duì)優(yōu)質(zhì)地材的抗滑耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)？前期研究中，已研究出粗集料抗滑耐磨性能評(píng)價(jià)新方法[2]和地材篩選技術(shù)[3]，并通過(guò)了實(shí)際工程驗(yàn)證。筆者主要針對(duì)后兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究工作，包括瀝青混合料抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定、各類(lèi)瀝青混合料抗滑性能對(duì)比分析與抗滑性能提升技術(shù)、瀝青路面抗滑壽命預(yù)估方法等。

1 測(cè)試儀介紹

圖1為自動(dòng)化表征集料或?yàn)r青混合料動(dòng)態(tài)摩擦特性測(cè)試儀。圖1中：該測(cè)試儀驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為由伺服電機(jī)與絲桿組成的電缸，利用轉(zhuǎn)子瞬間完成加減速，帶動(dòng)磨具做勻速直線往返運(yùn)動(dòng)，從而保持有效磨光磨耗過(guò)程中的勻速運(yùn)動(dòng)。加載系統(tǒng)為氣缸，作用于試樣中心點(diǎn)，具有自動(dòng)找平功能，從而保證當(dāng)試件出現(xiàn)表面不平整或具有高度差時(shí)的均勻施荷。另外，在測(cè)試儀內(nèi)部放置了各種類(lèi)型傳感器，通過(guò)觸摸屏，可實(shí)時(shí)記錄、觀看、讀取、回放、儲(chǔ)存、拷貝數(shù)據(jù)，同時(shí)也具有加熱系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)等，可用于模擬溫濕狀況變化。

圖1 集料/瀝青混合料摩擦特性測(cè)試儀Fig. 1 Friction characteristic tester of aggregate and asphalt mixture

測(cè)試儀用途包括：篩選能夠用于高速公路瀝青路面抗滑表層的集料、瀝青混合料、抗滑性能提升方案等；預(yù)估基于抗滑性能瀝青路面使用壽命；評(píng)價(jià)薄層養(yǎng)護(hù)材料黏結(jié)性能、磨耗性能、抗滑性能等。其中，測(cè)試儀所用的瀝青混合料板試件尺寸為300 mm×150 mm×50 mm；制作方法同輪碾法瀝青混合料試件制作方法。

測(cè)試儀的主要參數(shù)有滑溜率(為100%)、運(yùn)行速度(最大值為45 Hz，建議設(shè)定范圍為0～30 Hz)、施荷范圍(0～300 kg)、單程位移(230～260 mm)、荷載作用面積〔(120×100)mm2〕、溫控范圍(室溫～60 ℃)、水膜厚度(0～5 mm)。測(cè)試儀同瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)橫向力系數(shù)測(cè)試車(chē)一樣，均是在一定滑溜率下測(cè)定的路面滑動(dòng)摩阻力。同時(shí)根據(jù)電缸驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)可知，拉壓力傳感器均是在每個(gè)單次單向磨耗過(guò)程中的勻速運(yùn)行段內(nèi)采集的有效數(shù)據(jù)，且勻速狀態(tài)下拉力與摩擦力相等，因此拉壓力傳感器測(cè)出的拉力數(shù)值與試件板被施加的正壓力數(shù)值之比即為動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)。

2 基于抗滑性能的壽命預(yù)估

基于實(shí)際瀝青路面不同車(chē)道的現(xiàn)場(chǎng)抗滑性能測(cè)試數(shù)據(jù)與室內(nèi)抗滑性能測(cè)試數(shù)據(jù)擬合分析，確定抗滑壽命預(yù)估方法。

2.1 測(cè)試儀運(yùn)行次數(shù)與交通量的相關(guān)性

在G56九江段高速公路瀝青路面上，筆者對(duì)其應(yīng)急車(chē)道、行車(chē)道和超車(chē)道抗滑表層進(jìn)行了切割取樣；并采用自研摩擦特性測(cè)試儀對(duì)切割試件進(jìn)行了室內(nèi)加速加載磨光磨耗試驗(yàn)，結(jié)果如圖2。

圖2 不同車(chē)道試件板的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)衰減曲線Fig. 2 Attenuation curve of dynamic friction coefficient of test pieces in different lanes

G56九江段高速公路瀝青路面在經(jīng)歷約4.83 a的行車(chē)磨光磨耗后，行車(chē)道磨損最為嚴(yán)重，室內(nèi)測(cè)試的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)為0.52；超車(chē)道次之，動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)為0.58；應(yīng)急車(chē)道略處于輕微磨光磨損狀態(tài)，動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)為0.68。應(yīng)急車(chē)道表面狀態(tài)可代表該高速公路瀝青路面抗滑能力的初始狀態(tài)。由圖2可見(jiàn)：行車(chē)道抗滑表層經(jīng)歷4.83 a的實(shí)際行車(chē)作用后，其磨光磨耗程度相當(dāng)于應(yīng)急車(chē)道試件板在室內(nèi)經(jīng)歷約6.753 9 h的抗滑性能衰減程度。據(jù)調(diào)研可知，G56九江段高速公路瀝青路面行車(chē)道在4.83 a間共通行17 452 417輛標(biāo)準(zhǔn)小型車(chē)。基于自研摩擦特性測(cè)試儀的磨光磨耗1 h相當(dāng)于實(shí)際路面約2 584 050輛標(biāo)準(zhǔn)小型車(chē)作用的交通量。至此，筆者提出了自研摩擦特性測(cè)試儀加載次數(shù)與實(shí)際交通量的關(guān)系。

2.2 瀝青混合料動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)

筆者現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了G56九江路段橫向力系數(shù)SFC，同時(shí)取樣并在室內(nèi)測(cè)試了不同磨光磨耗狀態(tài)下的擺值BPN。根據(jù)JTG D50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算出不同磨光磨耗狀態(tài)下的SFC值，并將其與之對(duì)應(yīng)的Dμ值進(jìn)行回歸分析，如圖3。

擬合方程為Y=-0.032 3+0.014 48X-7.637 1X2，相關(guān)系數(shù)為0.958 5，由此可見(jiàn)這兩者相關(guān)性極高，這與自研摩擦特性測(cè)試儀與現(xiàn)場(chǎng)橫向力系數(shù)測(cè)試車(chē)測(cè)試結(jié)果高度一致。根據(jù)JTG H10—2009《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：高速公路橫向力系數(shù)SFC<40的路段，應(yīng)采取一定措施(如加鋪罩面層等)提高道路表面抗滑力，結(jié)合擬合方程且當(dāng)SFC=40時(shí)，動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ=0.42，由此確定了Dμ混-臨=0.42，即高速公路動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ<0.42路段應(yīng)采取一定措施以提高道路表面抗滑能力。

圖3 SFC與動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的多項(xiàng)式回歸擬合曲線Fig. 3 Polynomial regression fitting curve of SFC and dynamic friction coefficients

2.3 瀝青路面使用壽命

筆者選取云南龍瑞高速公路新建瀝青路面兩種抗滑表層鋪筑方案作為研究對(duì)象。鋪筑方案為：① 由十五標(biāo)石灰?guī)r作為集料鋪筑的SMA-13試驗(yàn)路；② 由竹平山玄武巖(10～15 mm與3～5 mm規(guī)格)與興磊石灰?guī)r(5～10 mm與0～3 mm規(guī)格)互摻集料鋪筑的SMA-13試驗(yàn)路?；谧匝心Σ撂匦詼y(cè)試儀測(cè)試兩種試驗(yàn)路抗滑性能，抗滑性能趨勢(shì)線分別為Y=-0.035 3X+0.663 4(相關(guān)系數(shù)0.956 9)、Y=-0.02X+0.68(相關(guān)系數(shù)0.9184)，當(dāng)Y=Dμ混-臨=0.42時(shí)，X分別為6.90、13.0 h，即達(dá)到臨界動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)時(shí)兩種試驗(yàn)路分別經(jīng)歷了17 829 945、33 592 650輛標(biāo)準(zhǔn)小型車(chē)的磨光磨耗作用；融合車(chē)道系數(shù)后，計(jì)算出基于抗滑性能的單幅路面可以承受的交通量分別為29 229 418、55 069 918輛。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)文件中的云南龍瑞高速公路交通量(單幅)預(yù)估曲線，預(yù)估出兩種試驗(yàn)路的抗滑壽命分別為5.4、9.0 a。

3 瀝青混合料抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

路面抗滑性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)分為當(dāng)前抗滑性能和抗滑耐久性?xún)蓚€(gè)方面[4]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)路面抗滑性能的研究大多數(shù)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集數(shù)據(jù)，這種方法歷時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高、環(huán)境不易控制，成為路面抗滑研究的一大制約因素。因此基于室內(nèi)的短時(shí)間、低成本瀝青路面抗滑性能衰變規(guī)律研究就顯得十分重要[5-9]。筆者采用摩擦特性測(cè)試儀對(duì)瀝青混合料抗滑性能衰變規(guī)律進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)，并提出了相應(yīng)的抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括動(dòng)態(tài)抗滑性能和抗滑耐久性。

3.1 抗滑性能衰減過(guò)程分析及抗滑指標(biāo)

表1為所采用各種巖性粗集料的基本物理力學(xué)性能；圖4為由各種巖性粗集料制備的瀝青混合料板抗滑性能變化曲線。

由圖4可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)4 h加速加載磨光磨耗試驗(yàn)后，各種巖性集料制備的瀝青混合料試件板抗滑耐磨性能基本以勻速率線性下降方式衰減。由此總結(jié)了長(zhǎng)期磨光磨耗作用下路面材料抗滑性能衰減規(guī)律為：瀝青混合料隨著磨光磨耗運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，首先發(fā)生壓密與遷移變形，同時(shí)伴隨著表面瀝青膜的磨損、磨耗，此為動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的快速下降階段；其次發(fā)生裹露集料的磨光磨耗，使得瀝青混合料表面變得越來(lái)越光滑，表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)越來(lái)越小，此為下降階段，下降速率主要取決于集料特性、氣候條件等；最后動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，這與實(shí)際路面抗滑性能的變化規(guī)律基本一致[10-12]。

表1 各巖性粗集料的基本技術(shù)性能Table 1 Basic technical performance of coarse aggregates with different lithology

圖4 各巖性混合料板抗滑性能衰減曲線Fig. 4 Attenuation curves of anti-sliding performance of asphalt mixture with different lithology

對(duì)于瀝青混合料抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取，筆者首先選取動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的衰減終值Dμ試驗(yàn)終以及衰減速率ΔDμ作為定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)Dμ試驗(yàn)終值評(píng)價(jià)瀝青混合料當(dāng)前抗滑性能的大小，根據(jù)ΔDμ值預(yù)估瀝青混合料抗滑性能的趨勢(shì)速率，并結(jié)合兩者的大小定量評(píng)價(jià)瀝青混合料長(zhǎng)期抗滑性能的優(yōu)與劣；其次選取瀝青混合料的臨界動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ混-臨作為定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于預(yù)估瀝青混合料的抗滑壽命，其中Dμ混-臨是指基于摩擦特性測(cè)試儀加速加載磨光磨耗作用4 h后，瀝青混合料能用于高速公路瀝青路面抗滑表層的最小臨界動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)值。根據(jù)實(shí)際瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)橫向力系數(shù)SFC值與對(duì)應(yīng)的取樣試件室內(nèi)動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)Dμ值之間的擬合曲線可知：Dμ混-臨=0.42，即對(duì)于高速公路動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)小于0.42的路段，應(yīng)采取一定措施(如加鋪罩面層等)來(lái)提高路表面的抗滑能力。Dμ混-臨值與JTG H10—2009《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)于高速公路的SFC<40的路段應(yīng)采取加鋪罩面層等措施提高路表面的抗滑能力的規(guī)定基本一致，從而也證明了Dμ混-臨=0.42具有一定合理性；再選取抗滑壽命作為定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于定量分析抗滑性能的耐久性，其中抗滑壽命是指根據(jù)抗滑性能衰減曲線計(jì)算出的達(dá)到Dμ混-臨時(shí)所需要的磨光磨耗時(shí)間，可見(jiàn)該時(shí)間綜合考慮了不同路面材料抗滑性能衰減速率與抗滑能力的最低要求。

3.2 不同類(lèi)型瀝青混合料抗滑性能

3.2.1 不同巖性集料配制的瀝青混合料抗滑性能

所用集料為2種優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r、1種普通石灰?guī)r、2種玄武巖、2種輝綠巖、2種花崗巖；瀝青混合料類(lèi)型為SMA-13型。表2為該部分的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 不同巖性集料SMA-13瀝青混合料抗滑壽命Table 2 Anti-sliding life of SMA-13 asphalt mixture with different lithology aggregates

由表2可見(jiàn)：由優(yōu)選的興磊石灰?guī)r制備而成的SMA混合料，抗滑壽命較普通石灰?guī)r制備而成的SMA混合料高出2倍左右；同時(shí)其抗滑壽命可達(dá)到由玄武巖制備的SMA混合料的58.5%、由輝綠巖制備的SMA混合料的82.0%、由花崗巖制備的SMA混合料的80.9%。

3.2.2 不同檔間隔摻配瀝青混合料抗滑性能

所用集料為十五標(biāo)石灰?guī)r、江蘇玄武巖；瀝青混合料類(lèi)型分別為SMA-13型、AC-13型。一般而言，不管是AC-13型級(jí)配還是SMA-13型級(jí)配，工程上往往將礦料分為4檔，即0～3、3～5、5～10、10～15 mm。因此，筆者采用石灰?guī)r與玄武巖按照上述4檔料交叉互摻方式進(jìn)行摻配，摻配方案如表3。

表3 石灰?guī)r與玄武巖的混合集料摻配方案Table 3 Limestone and basalt blending schemes

圖5為該部分的試驗(yàn)結(jié)果。由圖5可知：對(duì)于SMA-13型瀝青混合料，在石灰?guī)r集料中摻入玄武巖集料后，A～E這5組互摻方案的抗滑性能提高幅度相當(dāng)，抗滑壽命較H組(石灰?guī)r瀝青混合料)提高了42.9%～53.5%；F組對(duì)石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性能的提高程度達(dá)到201.3%，為純玄武巖抗滑性能的95.8%。對(duì)于AC-13型瀝青混合料，在石灰?guī)r集料中摻入玄武巖集料后，B～E這4組互摻方案的抗滑性能提高幅度相當(dāng)，抗滑壽命較H組提高了50.0%～64.1%；F組對(duì)石灰?guī)r瀝青混合料抗滑性能的提高程度達(dá)到84.0%，為純玄武巖抗滑性能的82.1%。

圖5 不同檔間隔摻配下SMA-13型與AC-13型瀝青混合料的 抗滑壽命對(duì)比Fig. 5 Comparison of anti-sliding life between AC-13 and SMA-13 asphalt mixture with different blending schemes

3.2.3 不同級(jí)配類(lèi)型的瀝青混合料抗滑性能

由圖5可見(jiàn)：對(duì)比分析AC型與SMA型不同級(jí)配類(lèi)型的瀝青混合料抗滑性能優(yōu)劣。相同摻配方案下，SMA-13型級(jí)配瀝青混合料的抗滑壽命均大于AC-13型級(jí)配瀝青混合料，當(dāng)選用SMA-13型級(jí)配時(shí)，瀝青混合料抗滑壽命可提高50%～200%。另外，在SMA-13型瀝青混合料中只需保證含有10～15 mm或5～10 mm中任1檔玄武巖的粗集料，即可達(dá)到AC-13型純玄武巖瀝青混合料抗滑壽命。

3.2.4 同種級(jí)配不同粗細(xì)程度的瀝青混合料抗滑性能

對(duì)比分析同一個(gè)級(jí)配類(lèi)型下不同級(jí)配粗細(xì)程度對(duì)瀝青混合料抗滑性能的影響。SMA-13級(jí)配中：級(jí)配4最粗，級(jí)配2接近級(jí)配中值，級(jí)配1、4中4.75 mm及以下篩孔的通過(guò)率相同，均較級(jí)配3細(xì)。AC-13級(jí)配中：級(jí)配3位于級(jí)配中值上方，偏細(xì)；級(jí)配4、5均位于級(jí)配中值下方，偏粗；級(jí)配4、5中4.75 mm及其以下篩孔的通過(guò)率相同，且級(jí)配5稍粗于級(jí)配4。

圖6為該部分的試驗(yàn)結(jié)果。由圖6可見(jiàn)：對(duì)SMA-13型級(jí)配和AC-13型級(jí)配，級(jí)配越粗抗滑性能越好；對(duì)SMA-13型瀝青混合料，通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)配粗細(xì)程度，抗滑壽命可提高47.9%，對(duì)AC-13型瀝青混合料，通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)配粗細(xì)程度，抗滑壽命可提高14.7%。

圖6 不同粗細(xì)級(jí)配SMA-13和AC-13的抗滑壽命Fig. 6 Anti-sliding life of SMA-13 and AC-13 asphalt mixture with different coarse-fine gradations

4 結(jié) 論

1)筆者自主研發(fā)了集料/瀝青混合料摩擦特性測(cè)試儀。該儀器能在加速、加載的同時(shí)自動(dòng)測(cè)試路面材料動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)，且明確了其測(cè)試原理、儀器參數(shù)與功能用途。

2)通過(guò)瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)抗滑性能測(cè)試數(shù)據(jù)與室內(nèi)抗滑性能測(cè)試數(shù)據(jù)擬合分析，明確了自研測(cè)試儀加載次數(shù)與實(shí)際交通量的關(guān)系，確定了基于測(cè)試儀的瀝青路面抗滑性能養(yǎng)護(hù)決策臨界值，并提出了瀝青路面抗滑壽命快速預(yù)估方法。

3)提出了基于室內(nèi)快速、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)路面材料抗滑性能的測(cè)試方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括衰減終值Dμ試驗(yàn)終、衰減速率△Dμ、Dμ混-臨(為0.42)、抗滑壽命這4項(xiàng)指標(biāo)。其中抗滑壽命指標(biāo)有效結(jié)合了路面材料的當(dāng)前抗滑能力和抗滑性能衰減速率兩個(gè)指標(biāo)，可作為抗滑耐久性的評(píng)價(jià)指標(biāo)；Dμ混-臨(為0.42)可用于篩選瀝青混合料及預(yù)估其抗滑壽命。

4)采用數(shù)字化定量方法明確了集料特性、摻配方案、級(jí)配類(lèi)型與粗細(xì)程度等對(duì)瀝青路面抗滑性能影響程度，揭示了抗滑性能提升技術(shù)與方案，為高速公路抗滑表層用集料、級(jí)配的選擇提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，工程應(yīng)用時(shí)的指導(dǎo)意義重大。

5)研究成果被用于云南龍瑞高速公路抗滑表層工程中，對(duì)路用集料的可持續(xù)發(fā)展、工程造價(jià)的有效降低、工期的順利保證等意義重大；并對(duì)其中的兩段試驗(yàn)路抗滑壽命進(jìn)行了預(yù)估：純石灰?guī)r集料鋪筑的SMA-13試驗(yàn)路、玄武巖與石灰?guī)r集料互摻鋪筑的SMA-13試驗(yàn)路抗滑壽命分別為5.4、9.0 a，該抗滑壽命的預(yù)估對(duì)制定養(yǎng)護(hù)決策、提高行車(chē)安全、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)意義重大。