基于抗滑性能的沥青路面优化设计

刘秦昆，陈 德，叶中辰,3，关甫洋

(1. 西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710068；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)



基于抗滑性能的沥青路面优化设计

刘秦昆1，陈 德2，叶中辰2,3，关甫洋2

(1. 西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710068；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

为解决现有沥青路面设计只以结构性能为指标，未考虑路面抗滑性能的不足，针对粗细两种级配类型的实际沥青路面芯样及相应的室内Superpave旋转压实成型的沥青混合料试件，采用铺砂法、激光构造测试仪法、摆式摩擦系数测试仪(BPT)法及动态摩擦系数测试仪(DFT)法等4种不同的测试方法测试了路面宏观构造及抗滑性能，分析了测试方法、试件成型方式、设计参数与路面宏观构造及抗滑性能之间的关系。结果表明：路面宏观构造参数MTD分别与路面设计参数及抗滑性能之间具有良好的相关性。以MTD作为中间参数建立了路面设计参数与其抗滑性能之间的预测模型，为基于抗滑性能的沥青路面优化设计提供依据。

道路工程；抗滑性能；宏观构造；设计参数；回归分析

近年来随着经济的发展，我国公路通车里程迅速增长，公路网日趋完善，为人们的生活提供了很大方便，但同时路面安全问题也日益凸出[1]。以路面抗滑性能为设计指标进行路面优化设计，是解决路面安全问题的重要途径。路面宏观构造是反映路面表面功能最直接的指标之一，影响路面抗滑、降噪等一系列特性。所以通过研究路面宏观构造预测路面抗滑性能[2]，对未来路面以抗滑性能作为设计指标进行路面优化设计[3]具有现实意义。

1 沥青路面宏观构造及其抗滑性能测试方法

路面表面构造按其水平方向波长(λ)的长短可以分为：微观构造(λ<0.5 mm)、宏观构造(0.5 mm<λ<50 mm)、巨观构造(50 mm<λ<500 mm)以及平整度(λ>500 mm)[4]。规范施工，通常可以保证巨观构造和平整度满足路面表面功能的要求[5]，路面设计阶段主要关注其宏观构造和微观构造。

1.1 路面宏观构造测试方法

1.1.1 铺砂法(SPM)

铺砂法是体积测试法的一种，将一定量的标准砂置于路面表面，用橡胶刮平板将其刮平，然后通过测量标准砂摊铺直径的大小，反算路面宏观构造深度(MTD)。

1.1.2 激光构造测试仪法(CTM)

激光构造测试仪法[6]是通过发射并接收经过路面反射回来的圆周形激光束来测量路面宏观构造，激光束圆周的直径为284 mm(周长892 mm)。激光构造仪在计算道路表面平均断面构造深度(图1)时，将激光束圆周长分为8段，每段111.5 mm，分别计算每段的平均断面构造深度，然后将8个平均断面构造深度值平均得到最终的路面表面平均断面构造深度(MPD)：

图1 平均断面构造深度计算示意

1.2 路面微观构造测试方法

1.2.1 摆式摩擦系数测试仪(BPT)法

为了能够测试实际路面取回的芯样，及室内旋转压实成型试件的表面摩擦系数，在普通摆式摩擦系数测试仪下设置一试件固定夹具，如图2(a)。

1.2.2 动态摩擦系数测试仪(DFT)法

动态摩擦系数测试仪法[7]是将3块橡胶垫固定在旋转飞轮上，测定飞轮从初始速度80 km/h降低到0的过程中，由于橡胶垫和路面之间摩擦产生的扭矩[图2(b)]，以此来反映路面摩擦系数的高低。其值在0～1之间变化，越接近1，路面摩擦系数越大。

图2 路面微观测试方法

2 沥青路面宏观构造及其抗滑性能测试

影响路面安全性能的因素主要有路面表面性能、车辆性能、轮胎性能和环境因素等4类[8]。笔者主要集中于路面性能的研究，通过选取不同类型的路面，现场测试其宏观构造及抗滑性能，并钻取芯样，在试验室测试其结构参数；同时根据测得芯样的结构参数，室内成型具有相同结构参数的路面试件，并测其路面宏观构造和抗滑性能。

为了全面涵盖路面设计参数对路面抗滑性能的影响，选取粗、细两种级配，粗级配中又选取连续级配和间断级配(SMA路面)两种。同时每种路面类型取3个芯样做平行试验，实际路面测试结果如表1。

表1 实际路面结构参数、宏观构造及其抗滑性能测试结果

(续表1)

级配粗细级配类型试件编号沥青含量/%BRD/(g·cm-3)VMA/%VFA/%集料级配参数CuCcFMMTD(SPM)/mmMPD(CTM)/mmBPT测试的BPN值DFT测试的f值细级配连续级配E35．02．3715．369200．44．470．300．5560．00．60F14．92．3516．064210．44．440．230．3358．30．58F25．12．3616．170200．44．580．250．4559．50．59F34．92．3416．265230．34．380．230．4156．90．45G15．12．4216．876290．33．890．250．4358．70．55G25．22．4117．273330．23．930．300．4758．40．58G35．12．4017．072310．33．880．310．4658．50．55H14．72．2520．750240．33．960．250．4458．70．51H24．32．2620．248200．33．980．240．4362．20．56H34．52．2620．648190．44．300．250．4560．20．54I15．02．3217．059200．44．410．370．5960．70．63I24．82．3116．962190．34．430．280．4059．90．58I34．92．3116．661210．44．500．250．3960．10．54

注：BRD为毛体积密度；VMA为矿料间隙率；VFA为沥青饱和度；Cu为均匀性系数；Cc为曲率系数；FM为细度模数，FM=(a0.15+a0.3+a0.6+a1.18+a2.36+a4.75+a9.5+a19.0+a37.5+a75+a150)/100，其中ai为相应孔径筛子的剩余百分率(ASTM C136-05)；DFT测试的f值是在10 km/h条件下测试的摩擦系数。

按照实际路面芯样测得的结构参数，室内使用Superpave 旋转压实法成型相应的路面试件，并测其宏观构造和摩擦系数，测试结果见表2。此处由于试件尺寸的限制，只用铺砂法和摆式摩擦系数测试仪两种方法进行路面宏观构造和摩擦系数的测试。

表2 室内成型试件路面结构参数、宏观构造及抗滑性能测试结果

3 分 析

3.1 路面宏观构造及抗滑性能分析

采用线性回归法分析铺砂法所测平均构造深度MTD与激光构造仪所测平均断面构造深度MPD数据，得出二者之间的关系如图3。二者之间的相关系数R2= 0.97，说明MTD与MPD之间有良好的相关性，所以完全可以只使用铺砂法测试路面宏观构造。

图3 激光构造仪的MPD值与铺砂法的MTD值

摆式摩擦系数测试仪(BPT)测试的BPN值与动态摩擦系数测试仪(DFT)测试的f值之间的关系如图4。二者之间的相关系数R2= 0.80，相关性并不高，主要是由于BPN值受测试者的影响较大，所测BPN值的标准误差为0.855 6，远大于动态摩擦系数测试仪所测值的标准误差0.014 64。表明动态摩擦系数测试仪所测数据较摆式摩擦系数测试仪所测数据稳定，所以笔者使用动态摩擦系数测试仪所测数据进行后续回归分析。

图4 摆式摩擦系数测试仪BPN值与动态摩擦系数测试仪f值

3.2 室内试验对实际路面宏观构造及抗滑性能预测分析

笔者对室内试验与实际路面宏观构造及抗滑性能之间的关系进行了线性回归分析，结果如图5。

图5 室内与现场的MTD，BPN关系

分析图5得出，路面宏观构造室内试验和现场测试值之间有很好的线性相关性，说明运用室内设计的路面宏观构造预测实际施工后路面宏观构造是可行的。路面抗滑性能由于室内采用Superpave 旋转压实成型试件尺寸的限制，未能采用动态摩擦系数测试仪测试其抗滑性能，只采用了摆式摩擦系数测试仪，所以笔者只做了室内成型试件和现场测试BPN之间的回归分析。由于摆式摩擦系数测试仪测试结果受测试者的影响较大，所以二者之间的相关性较差；但这并不代表不能用室内设计的路面抗滑性能预测实际施工后的路面抗滑性能，二者之间的相关性还需要做进一步的试验研究。

3.3 路面设计参数与路面宏观构造及抗滑性能之间关系分析

分析表1及表2的室内及现场试验数据，可以发现BRD、VMA及FM对路面宏观构造的影响显著。同时路面宏观构造随着BRD和VMA的增大呈减小趋势，随FM的增大呈增大趋势。所以，笔者采用FM2/(BRD×VMA)与MTD之间进行回归分析，结果如图6。

图6 路面设计参数和路面宏观构造之间的关系

得到路面材料设计参数与其宏观构造之间的关系：

(1)

式中：MTD 为路面宏观构造深度，mm； FM 为细度模数，FM =(a0.15+a0.3+a0.6+a1.18+a2.36+a4.75+a9.5+ a19.0+ a37.5+ a75+ a150)/100(ai为相应孔径筛子的剩余百分率)(ASTMC136-05)； BRD 为毛体积密度，g/cm3；VMA 为矿料间隙率，%。

分析室内及现场试验数据，发现BRD、VMA及FM对路面抗滑性能指标f值影响较为显著。同时， f值随着BRD和VMA的增大呈减小趋势，随FM的增大呈增大趋势。同样采用FM2/(BRD×VMA)与f值之间进行回归分析，结果如图7。

图7 路面设计参数和路面抗滑性能之间的关系

得到路面设计参数与其抗滑性能指标之间的关系：

(2)

由于路面抗滑性能与其设计参数之间的相关系数(0.69)较低，所以式(2)仅作参考。这也说明直接建立路面设计参数和路面抗滑性能之间的关系比较困难。笔者采用现场测试数据回归分析路面宏观构造与其抗滑性能之间的关系，回归结果如图8。

图8 路面抗滑性能和路面宏观构造之间的关系

由图8可以看出，路面抗滑性能和路面宏观构造之间相关性较高，说明通过路面宏观构造，间接反映路面抗滑性能是可行的。根据式(1)，通过改变设计参数得到较高的表面构造，同时结合图8中得到的路面抗滑性能和路面宏观构造之间的关系，达到基于抗滑性能的沥青路面优化设计的目标。

4 结 论

笔者选取了不同类型的实际沥青路面，采用不同方法测试其宏观构造及抗滑性能，并取芯样室内测试分析了其体积指标。同时在室内参照原路面设计参数，利用Superpave旋转压实法成型路面试件，测其体积参数、宏观构造及抗滑性能指标，分析了不同测试方法、室内与现场、设计参数与路面宏观构造及抗滑性能之间的关系，得出了以下主要结论：

1)铺砂法测的平均构造深度(MTD)与激光构造测试仪所得路面平均断面构造深度(MPD)之间有良好的线性关系，对于条件受限的设计和施工单位，可以只采用铺砂法测试路面宏观构造深度。

2)路面宏观构造与其抗滑性能之间有良好的相关性，所以可以用宏观构造参数作为路面抗滑性能的预估参数。

3)建立了路面材料设计参数与路面宏观构造之间，及设计参数和路面抗滑性能之间的关系式，由此可进行基于抗滑性能的路面材料优化设计。

[1] 屠书荣,吴敏刚,程永华.基于道路和环境条件的干线公路安全性评价方法[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2010,29(3):425-429. Tu Shurong,Wu Mingang,Cheng Yonghua.Arterial highway safety evaluation based on road and environment condition[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2010,29(3):425-429.

[2] Rezaei A.Development of a Prediction for Skid Resistance of Asphalt Pavement [D].Texas,USA:Texas A&M University,2010.

[3] Rajaei M,Sefidmazgi N R,Bahia H.Establishment of relation between pavement surface friction and mixture design properties [J].Transportation Research Board,2015(12):104-113.

[4] Powell B D,Hanson D I.Evaluation of circular texture method for measuring surface texture of pavements [J].Transportation Research Record,2005,1929(1):88-96.

[5] Gendy A E,Shalaby A.Mean profile depth of pavement surface macro-texture using photometric stereo techniques [J].Journal of Transportation Engineering,2007,133(7):433-440.

[6] Flintsch G,León E D,Ghee K M,et al.Pavement surface macro-texture measurement and applications [J].Transportation Research Record,2003,1860(1):168-177.

[7] Miller T,Swiertz D,Tashman L,et al.Characterization of asphalt pavement surface texture [J].Transportation Research Record,2012,2295(1):19-26.

[8] Clapp T G,Eberhardt A C,Kelley C T.Computation and analysis of texture-induced contact information in tire-pavement interaction [J].Transportation Research Record,1986,1084(1):23-29.

Optimized Design of Asphalt Pavement Based on Pavement Skid Resistance Performance

Liu Qinkun1, Chen De2, Ye Zhongchen2,3, Guan Fuyang2

(1. Xi’an Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd., Xi’an 710068, Shaanxi, China; 2. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China; 3. CCCC First Highway Consultants Co. Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China)

The existing asphalt pavement design methods only use the structural parameters as design parameters without considering surface performance. A series of asphalt pavement types, including coarse and fine gradations, were chosen to test their texture and friction using different texture (i.e. Sand Patch Testing and Laser Texture Tester) and friction testing methods (i.e. British Pendulum Tester and Dynamic Friction Tester). At the same time, the mixture samples, with same design parameters, were compacted with Superpave Compactor Method and tested with the same testing methods. Based on those testing results, the relationships between different testing methods, compaction methods, design parameters and macro-texture and skid resistance were obtained. The results show that there are a good correlation between macro-texture, skid resistance and theMTD. Meanwhile, a model to predict the skid resistance of asphalt pavement using the design parameters was built. It can be used in asphalt pavement design basing on skid resistance performance.

road engineering; skid resistance; macro-texture; design parameter; regression analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.09

2014-04-25；

2014-12-16

刘秦昆(1978—)，男，陕西咸阳人，工程师，主要从事道路工程方面的研究。E-mail：35009590@qq.com。

陈 德(1989—) ，男，甘肃会宁人，博士研究生，主要从事道路工程方面的研究。E-mail：chendelu435@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)03-042-05