沥青混合料抗滑性能衰减规律试验研究

谭 巍，禤炜安

(1.重庆交通大学，重庆 400074；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；3.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)



沥青混合料抗滑性能衰减规律试验研究

谭 巍1,2，禤炜安3

(1.重庆交通大学，重庆 400074；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；3.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

对石灰岩(LA，LB)和玄武岩(Ba)等3种石料沥青混合料进行了加速磨光试验，测试每试验2 h沥青混合料试件的摆式摩擦系数(BPN)和构造深度(TD)，研究沥青混合料抗滑性能衰减规律；与实际路面摩擦系数变化规律进行了对比分析，与其他抗滑试验设备的试验数据进行了相关性分析。结果表明：室内加速磨光试验与路面的实际使用情况一致，BPN和TD的衰减过程基本遵循先急后缓，最终逐渐趋于稳定的规律；加速磨光试验装置与其他抗滑试验设备的试验数据具有显著的相关性。

道路工程；加速磨光试验；回归分析；抗滑性能衰减规律

0 引 言

目前路面抗滑性能的研究分为现场检测和室内模拟试验[1-2]。现场检测试验表现为直观反映路面抗滑性能，指导性意义较强，但检测试验受外界因素影响大，环境条件不易控制，试验周期长，耗资费用大。此外，一些路面早期损坏严重，使用寿命短，往往达不到路面检测周期，未能获得全面的检测数据。室内模拟试验能通过控制手段提供统一的试验条件，并且能有效缩短试验周期，但室内试验时的荷载、温度、湿度等环境与路面实际情况存在差异，难以模拟路面复杂的外界环境与车辆作用。因此室内试验与现场检测相结合是沥青路面抗滑性能研究的重要手段。

由于路面结构形式、级配类型、集料种类、交通量大小、气候环境等的不同，造成不同道路路面摩擦系数的检测初始值、稳定值、衰减幅度、衰减速度均存在一定差异。但路面抗滑性能的整体性衰减规律是一致的，表现为公路开始运营的1～2年路面摩擦系数衰减速度较快，衰减幅度约在15%～25%，最终基本稳定在某一水平上[3-4]。

笔者开发了一种加速磨光试验装置，对石灰岩(LA，LB) 和玄武岩(Ba)等3种石料的AC-13型沥青混合料进行加速磨光试验，分析其抗滑指标的衰减规律。并将加速磨光试验数据与其他抗滑试验设备的数据进行对比，以评价加速磨光试验装置的可靠性与准确性。

1 室内加速磨光试验装置的开发

国内外针对路面抗滑性能衰减规律研究开发的试验设备以小型环道类型为主[5-9]，多采用轮胎与路面滚动摩擦的形式，其存在作用面积小、试验时间长、磨光效率低等缺点。笔者尝试采用橡胶板作为磨光材料，一方面增大与试件的接触面积，另一方面变滚动摩擦为滑动摩擦，提高磨光效率。紧急情况下路面抗滑性能对公路行车安全最为重要，加速磨光试验装置主要模拟紧急刹车时车辆轮胎与路面间的摩擦作用。该设备不仅能有效控制试验条件，也为路面抗滑性能的衰减规律的研究提供便利。

1.1 工作原理

笔者研发的加速磨光试验装置实质是一个小型的直道磨耗磨光试验，采用橡胶板对沥青混合料试件进行往返摩擦模拟车辆轮胎对路面的摩擦作用。调节升降摇把使配重下降直至与沥青混合料试件自由接触，实现对试件施加荷载。启动电机，带动驱动连杆以设定的速度做圆周运动，实现橡胶板对试件的往返摩擦。在试验过程中，红外信号采集装置收集计数、温度、转速等信号并反馈到控制系统，将信息显示在控制界面上。待试验达到规定的时间，加速磨光试验装置自动停止。卸载并保存试验数据，连同试模一起取出试件，采用摆式仪和铺砂法测定试件的摩擦系数BPN和构造深度TD。

1.2 主要构造特性

加速磨光试验装置的主要组成构件包括驱动系统、加载系统、温控系统、软件控制系统等部分，如图1。

图1 加速磨光试验装置构造示意

2 原材料技术指标及级配设计

2.1 原材料物理力学指标

2.1.1 SBSI-D改性沥青

本试验采用SBSI-D沥青，其主要技术指标如表1。

表1 沥青主要技术指标

2.1.2 集 料

试验采用的集料为石灰岩(LA，LB)和玄武岩(Ba)，根据JTG E 42—2005《公路工程集料试验规程》测试了其主要技术指标，试验结果见表2。

表2 集料主要技术指标

2.2 混合料级配曲线

目前高速公路沥青路面抗滑表层多采用AC型和SMA型结构类型，笔者以AC-13为研究对象，分别对石灰岩(LA，LB) 和玄武岩(Ba)拟定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3种级配，其中级配Ⅲ最粗，级配Ⅱ次之，级配Ⅰ最细，见表3。

表3 级配组成设计

(续表3)

级配通过下列筛孔/mm质量百分率/%1613．29．54．752．361．180．60．30．150．075玄武岩Ba⁃Ⅲ10095．681．350．427．217．312．38．87．15．4上限100100856850382820158下限100906838241510754

3 沥青混合料加速磨光试验及评价

3.1 室内加速磨光试验

按设计级配成型沥青混合料试件，采用笔者研发的加速磨光试验装置，进行加速磨光试验，试验温度为20 ℃。每块试件的初始摆式摩擦系数值和构造深度测得后，每间隔1 h测量一次，10 h后结束测试。试验结果如图2。

图2 BPN及TD曲线

由图2可知，在级配相当的条件下，玄武岩Ba的沥青混合料抗滑性能最好，石灰岩LA次之，石灰岩LB最差。主要原因是不同种类的岩石的矿物化学组成的差异，使得石料的物理力学特性不同，同时集料表面的微观纹理水平也不同。石灰岩主要矿物成份为方解石，而方解石的强度较低，受力容易被磨损；而玄武岩集料表面多呈条带状，具有较高的棱角性和纹理水平，矿物成分主要为斜长石、辉石和玻璃质，还有附生矿物赤铁矿，因此耐磨性和强度都比较高。这说明物理力学特性较好的集料，其沥青混合料的抗滑性能也更优。

对同类石料的3种级配而言，级配Ⅰ细集料较多，更容易填充密实；级配Ⅱ次之；级配Ⅲ粗集料较多，空隙率会更大，更容易形成骨架空隙结构。从理论上分析，混合料的空隙越大，表面构造越深，路面对轮胎的附着力越强，因此能获得更大的摩擦力。试验结果表明，级配Ⅲ的抗滑性能最好，级配Ⅱ次之，级配Ⅰ最差。说明粗级配有利于提高沥青混合料的抗滑性能。

3种石料不同级配沥青混合料的BPN和TD的衰减均经历了一个先急后缓，最终基本趋于稳定的过程。抗滑指标在前2 h衰减速度较快，之后基本维持在某一水平上。在标准试验条件下，BPN和TD大约需2 h能够达到稳定值。并且级配粗细程度相近的条件下，玄武岩沥青混合料的BPN和TD均大于石灰岩的。

根据王利利[3]及黄云涌等[10]对实体工程的跟踪调查，路面摩擦系数在开始运营的1～2 年衰减速度较快，最终基本稳定在某一水平上。因此，利用加速磨光试验装置测试的沥青混合料抗滑性能衰减规律与路面实际情况是基本一致的。

图3为根据文中加速磨光试验数据计算得到BPN，TD的衰减率曲线。由图3可以看出，前1～2 hBPN和TD的衰减率基本为15%～25%，随后衰减率的增长比较缓慢。整个试验过程中，BPN衰减率波动性较小，TD衰减率的波动性较大。

图3 BPN 及TD衰减率散点

3.2BPN和TD的回归分析

目前沥青混合料抗滑性能研究的拟合方程包括黄云涌等[10]提出的指数公式y=AeBx和对数公式y=Aln(x)+B，以及杨众等[8]提出的考虑了抗滑性能初值的指数公式，笔者采用文献[8]的公式进行拟合回归，如式(1)：

Y=aebX+c

(1)

式中：X为试验时间；Y为任意时刻的构造深度或摆式摩擦系数；a为抗滑指标初值与终值之差；c为抗滑指标的终值；b为需要确定的参数。

采用MATLAB软件得到BPN和TD的拟合数据，如表4。

表4 BPN和TD的拟合数据统计

由表4可以看出，利用式(1)进行的回归拟合不仅解决了指数公式和对数公式存在的一些缺陷，而且拟合相关系数也比较高，BPN和TD的相关系数R≥ 0.95，说明所做的拟合曲线具有极高的相关性。

3.3 与其他室内抗滑试验相关性分析

为了验证文中加速磨光试验装置试验效果的可靠性，笔者将试验数据与长安大学加速磨耗仪[1]、重庆交通科研设计院小型加速加载试验机[11]和长沙交通学院直线式加载系统的试验数据[10]进行对比分析。

由于不同试验设备本身的运动方式、配重大小、运行速度等存在差异，因此摩擦系数从初始值到稳定值需要的试验时间、作用次数不尽相同。为了增加对比的准确性，以初始值和稳定值作为参考点，在相同的时间或作用次数间隔进行取值。加速磨光试验装置共进行了10 h的试验，大约2 h达到稳定值，BPN与TD分别有11个试验数据。

3.3.1 长安大学加速磨耗仪试验

根据文献[1]，BPN，TD达到稳定值约在7.5万次标准荷载左右，分别取0，3.5，7.5，11.5，15.0，17.5，20.0，23.0，25.0，27.8，32.8万次标准轴载对应的试验数据做分析，如表5[1]。

表5 董昭加速磨耗仪测量的BPN和TD数据

3.3.2 重庆交科院小型加速加载试验机

重庆交通科研设计院小型加速加载试验机大约试验运行2 h测量一次抗滑指标数据，文献[11]没有对构造深度TD进行测试，因此笔者仅分析BPN的相关性，如表6。

表6 招商重庆交科院小型加速加载试验机测量的BPN数据

3.3.3 长沙交通学院直线式加载系统

根据文献[10]，不同标准轴次条件下的抗滑指标值，摆式摩擦系数和构造深度达到稳定值约在300万次标准轴载左右，分别取0.01，165.10，296.90，381.50，564.00，625.80，739.90，793.50，952.90，1 086.60，1 138.30万次标准轴载对应的试验数据做分析，如表7。

表7 长沙交通学院直线式加载系统测量的BPN和TD数据

加速磨光试验装置以石灰岩LA-I级配沥青混合料的抗滑指标值为自变量数列X，分别与石灰岩LA、LB、玄武岩Ba以及长安大学加速磨耗仪，招商重庆交科院小型加速加载试验机和长沙交通学院直线式加载系统的各项混合料抗滑指标值进行回归分析，利用所求的相关系数R评价相关性，利用P值检验线性相关关系的显著性。计算结果见表8、表9。

表8 文中设备与其他抗滑设备试验BPN线性回归统计

表9 文中设备与其他抗滑设备试验TD线性回归统计

根据相关性的性质，当0.8<|R|<1时可判定变量之间具有较强的相关性。由表8、表9可知，加速磨光试验装置的BPN和TD测试值与其他设备的试验数据相关系数R>0.85。Rmax=0.996 5，Rmin=0.874 3，说明文中设备与其他设备的试验数据相关性非常好。

线性回归中预设显著性水平α=0.05，当P<α时说明因变量Y与自变量X之间存在显著性线性相关关系。上述分析中，Pmax=0.000 6<α，Pmin=0.000 0，说明所有回归均具有显著的线性相关性。

根据文献[1，10]，其他抗滑试验设备抗滑指标从初始值衰减到稳定值大约需耗时5～8 h，加速磨光装置则约耗时2 h，磨光效率较现有试验设备高。

尽管文中加速磨光试验装置的摩擦方式有别于其他试验设备，但试验数据之间具有良好的相关性，并且能够有效缩短试验时间，提高试验效率。

4 结 论

1)利用加速磨光试验装置测试的沥青混合料抗滑性能衰减规律与路面实际情况是基本一致的，BPN和TD的衰减均经历了一个先急后缓，最终基本趋于稳定的过程。玄武岩沥青混合料的抗滑性能优于石灰岩。

2)BPN和TD的衰减曲线与Y=aebX+c方程具有很好的拟合度，相关系数R≥0.95，对实际公路路面摩擦系数的预测有很好的指导意义。

3)加速磨光试验装置与其他抗滑试验设备的试验数据相关系数R>0.85，显著性水平Pmax≤0.05，具有显著的相关性，进一步论证了加速磨光试验装置的可靠性与准确性。

[1] 董昭.加速磨耗试验与沥青路面材料抗滑性能衰变规律研究[D].西安:长安大学,2011. Dong Zhao.Study on Accelerated Polishing Test and the Regularity of Skid Resistance Degradation of Asphalt Pavement Material [D].Xi’an:Chang’an University,2011.

[2] 赵战利.基于分形方法的沥青路面抗滑技术研究[D].西安:长安大学,2005. Zhao Zhanli.Research on Skid Resistance Technology of Asphalt Pavement Based on Fractal Method [D].Xi’an:Chang’an University,2005.

[3] 王利利.路面抗滑性能变化特性研究[D].北京:北京工业大学,2008. Wang Lili.Research on Variety Characteristic of Pavement Skid Resistance [D].Beijing:Beijing University of Technology,2008.

[4] Anderson D A,Henry J J.The selection of aggregates for skid resistant pavements [C]//Association of Asphalt Paving Technologists. Proceedings Technical Sessions,1987,Reno,Nevada,USA.Victoria:ARRB Group Limited,1979,48:587-610.

[5] NCAT.Pavement Test Track Research Findings (2000—2010) [R].Auburn,Alabama,USA:Auburn University,2011.

[6] Vollor T W,Hanson D I.Development of Laboratory Procedure for Measuring Friction of HMA Mixtures:Phase I [R].Auburn,Alabama,USA:Auburn University,2006.

[7] E660—1990 Standard Practice for Accelerated Polishing of Aggregates or Pavement Surfaces Using a Small-Wheel,Circular Track Polishing Machine [S].Philadelphia:ASTM,1990.

[8] 杨众,郭忠印,侯芸.沥青混凝土防滑磨耗层防滑性能加速试验方法的研究[J].华东公路,2002 (2) :50-53. Yang Zhong,Guo Zhongyin,Hou Yun.Study on skid resistance accelerated test methods of skid wear layer of asphalt concrete [J].East China Highway,2002 (2):50-53.

[9] 李天祥.沥青路面抗滑性能衰减试验研究[D].西安:长安大学,2009. Li Tianxiang.Study on the Simulative Test of Skid Resistance Degradation of Asphalt Pavement Surface [D].Xi’an:Chang’an University,2009.

[10] 黄云涌,邵腊庚,刘朝晖.沥青路面抗滑试验研究[J].公路交通科技,2002,19(3):5-8. Huang Yunyong,Shao Lagen,Liu Zhaohui.Laboratory test study on antiskid property of asphalt pavement [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2002,19(3):5-8.

[11] 孔令云.渝沙路沥青路面抗滑表层材料研究[R].重庆:重庆交通科研设计院,2008. Kong Lingyun.Study on Anti-Skid Surface Materials of Asphalt Pavement for Yusha Road [R].Chongqing:Chongqing Communications Research and Design Institute Co.Ltd.,2008.

Attenuation Regularity of Skid Resistance of Asphalt Mixture

Tan Wei1, 2, Xuan Wei’an3

(1. Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. China Merchants Chongqing Communications TechnologyResearch & Design Institute Co.,Ltd., Chongqing 400067, China; 3. Guangxi Transportation Research Institute,Nanning 530007, Guangxi, China)

An accelerated polishing test was used to carry out the skid resistance test for three kinds of stones: limestoneLA, limestoneLBand basaltBa. TheBPNandTDof specimen were measured at every 2 hours and the attenuation regularity of skid resistance of asphalt mixture was also analyzed; and then, a comparison analysis was carried out with the friction coefficient regularity of pavement. The correlation between test data of other anti-slide test equipments and the test data of accelerated polishing test devices were analyzed. The test results show that indoor accelerated polishing test is well consistent with the actual condition of pavement. The attenuation regularity ofBPNandTDbasically follows firstly sharp and then gentle, gradually tends to a steady level eventually. A significant correlation exists in test data of accelerated polishing test devices and other anti-slide test equipments.

road engineering; accelerated polishing test; regression analysis; attenuation regularity of skid resistance

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.10

2014-04-24；

2015-04-09

谭 巍(1980—)，男，山东聊城人，高级工程师，博士研究生，主要从事沥青及沥青混合料方面的研究。E-mail: tanwei@cmhk.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)06-053-05