沥青路面整体模量对路面抗滑性能影响研究

吴国雄，高 超，肖 彬

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆建筑工程职业学院 交通与市政工程系，重庆 400039；3.重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

沥青路面整体模量对路面抗滑性能影响研究

吴国雄1,2，高 超1，肖 彬3

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆建筑工程职业学院 交通与市政工程系，重庆 400039；3.重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

抗滑性能是沥青路面质量控制的主要指标。为了分析沥青路面整体抗压回弹模量对抗滑性能的影响，基于一种新型路面摩擦因数测定仪，分别对柔性基层、半柔性基层、半刚性基层3种沥青路面进行了滚动摩擦和滑动摩擦试验，分析了路面结构整体模量、上部荷载、试验轮转速对路面摩擦因数的影响，在此基础上提出将沥青路面整体模量控制在1 300 MPa内以满足抗滑需求。

道路工程；沥青路面；路面整体结构模量；滚动磨阻因数；滑动磨阻因数；抗滑性能

沥青路面的抗滑性能与行车安全关系密切。现有文献主要从路面材料、矿料级配、混合料配合比及路面抗滑构造深度研究影响路面抗滑性能的因素[1-2]，少有谈及路面整体变形能力对路面抗滑的影响。笔者基于一种新型路面摩擦因数测定仪研究路面整体结构模量与路面摩阻力的关系。

1 试验路面结构层设计

1)面层采用5 cm厚AC-16沥青混合料。

2)基层分别为级配碎石柔性基层、乳化沥青水泥稳定碎石半柔性基层、水泥稳定碎石半刚性基层，厚度均为5 cm。

3)底基层材料为级配碎石，厚度5 cm。

1.1 抗压回弹模量试验

采用单轴无侧限静态压缩七级加载试验测定AC-16沥青混凝土面层、水泥稳定碎石和乳化沥青水泥稳定碎石基层抗压回弹模量分别为1 043.41,1 592.83，2 149.61 MPa，采用强度仪法测量级配碎石抗压回弹模量为329.28 MPa。

1.2 路面整体结构模量的换算

运用弹性层状体系理论算出3种路面结构整体抗压回弹模量。各结构层和整体结构抗压回弹模量如表1。

表1 3种类型路面各层及整体结构模量

Table 1 Every pavement and holistic elastic modulus of the 3 types

of pavement MPa

2 试验参数选取

考虑试验仪器尺寸及试件成型条件，对3种基层的路面结构均成型300 mm×300 mm×150 mm车辙板试件，试验温度18 ℃，试验轮直径15 cm，转速分别为3.25,9.92,16.58 r/s,试验轮接地面积4.2 cm2。

3 路面滚动摩阻力试验

针对模量、上部荷载及试验轮转速3个影响因子，设计三因素三水平的正交试验，测量路面滚动摩擦因数，正交试验因素和水平如表2，路面滚动摩擦因数测量结果如表3。

表2 滚动摩擦因数正交试验

表3 滚动摩擦因数测量结果

3.1 路面整体结构模量对滚动摩擦因数影响分析

以路面整体结构模量为横坐标，滚动摩擦因数为纵坐标作折线图，如图1。

图1 路面整体结构模量与滚动摩擦因数关系Fig.1 Relationship between holistic elastic modulus and rolling friction coefficient of pavement

由图1可知，上部荷载250 N，试验轮转速为较低的3.25和9.92 r/s时，滚动摩擦因数随路面整体结构模量增大而逐步减小；当试验轮转速为较大的16.58 r/s时，随着路面整体结构模量增加，滚动摩擦因数则呈现先减小后增大的趋势。上部荷载为500和750 N时，在3种试验轮转速下，滚动摩擦因数皆随路面整体结构模量增大而减小。

当路面整体结构模量由605.26 MPa升为1 163.69 MPa，上部荷载250 N时，随速度提升，滚动摩擦因数分别下降了0.034，0.050，0.061，以路面整体结构模量较低的摩擦因数为基准，分别下降了8.71%,14.20%,19.24%；上部荷载750 N时，随速度提升，滚动摩擦因数分别下降了0.052,0.077,0.103，以路面整体结构模量较低的摩擦因数为基准，分别下降了12.35%,20.05%,29.01%。说明当试验轮转速增大时，滚动摩擦因数随路面整体结构模量增大而减小的趋势愈加明显。

3.2 速度对滚动摩擦因数的影响

以试验轮转速为横坐标，滚动摩擦因数为纵坐标作普通折线图，如图2。

图2 速度与滚动摩擦因数关系Fig.2 Relationship between speed and rolling friction coefficient

由图2可知，在不同上部荷载作用下，滚动摩擦因数均随试验轮转速升高而减小。试验轮转速由3.25 r/s提高到16.58 r/s时，随着整体结构模量增大，滚动摩擦因数-试验轮转数曲线斜率变小，说明当路面整体结构模量增大时，滚动摩擦因数随试验轮转速增大而减小的趋势愈加明显。

3.3 上部荷载对滚动摩擦因数的影响

以上部荷载为横坐标，滚动摩擦因数为纵坐标作普通折线图，如图3。

图3 上部荷载与滚动摩擦系数关系Fig.3 Relationship between upper load and rolling friction coefficient

由图3可知，试验轮转速为3.25和9.92 r/s时，滚动摩擦因数均随上部荷载增加而增大。上部荷载由250 N增大到750 N，试验轮转速为3.25 r/s时，滚动摩擦因数随路面整体结构模量增大分别上升了0.074,0.056,0.039，以上部荷载较低的摩擦因数为基准，分别上升了21.33%,16.67%,11.82%；在试验轮转速的9.92 r/s时滚动摩擦因数分别上升了0.078,0.040,0.012，以上部荷载较低的摩擦因数为基准，分别上升了25.49%,13.51%,4.07%。说明当路面整体结构模量增大时，滚动摩擦因数随上部荷载增加而增大的趋势减弱。

试验轮转速为16.58 r/s，路面整体结构模量为605.26和992.88 MPa时，滚动摩擦因数随上部荷载增加而增大；路面整体结构模量为1 163.69 MPa时，随着上部荷载的增加，滚动摩擦因数则呈现先增大后减小的趋势。

4 路面滑动摩阻力试验

试验温度、各结构层厚度及试件尺寸与滚动摩擦相同。考虑试验设备的限制，选取200,300,400 N作为滑动状态下上部荷载因素变量，正交试验如表4。路面滑动摩擦因数测量结果如表5。

表4 滑动摩擦因数正交试验

表5 滑动摩擦因数

4.1 路面整体结构模量对滑动摩擦因数的影响

以路面整体结构模量为横坐标，滑动摩擦因数为纵坐标作折线图，如图4。

图4 整体结构模量与滑动摩擦因数关系Fig.4 Relationship between holistic elastic modulus and sliding friction coefficient

由图4可知，上部荷载为200 N，试验轮转速为3.25,9.92 r/s时，滑动摩擦因数随路面整体结构模量增大逐步减小；而试验轮转速为较大的16.58 r/s时，随着路面整体结构模量的增加，滑动摩擦因数呈先减小后增大的趋势。

在上部荷载为300和400 N时，3种试验轮转速下，滑动摩擦因数皆随路面整体结构模量增大而减小。路面整体结构模量由605.26 MPa升为1 163.69 MPa，上部荷载为300 N时，滑动摩擦因数分别下降了0.111,0.127,0.140，以路面整体结构模量较低的摩擦因数为基准，分别下降了8.97%,10.69%,12.23%；上部荷载为400 N时滑动摩擦因数分别下降了0.109,0.141,0.181，以路面整体结构模量较低的摩擦因数为基准，分别下降了8.51%,11.54%,15.31%。说明当试验轮转速增大时，滑动摩擦因数随路面整体结构模量增大而减小的趋势愈加明显。

4.2 速度对滑动摩擦因数的影响

以试验轮转速为横坐标，滑动摩擦因数为纵坐标作普通折线图，如图5。

图5 速度与滑动摩擦因数关系Fig.5 Relationship between speed and sliding friction coefficient

由图5可知，3种上部荷载作用于不同路面整体模量路面时，滑动摩擦因数均随试验轮转速升高而减小。试验轮转速由3.25 r/s提高到16.58 r/s，随路面整体模量增大，上部荷载为200 N时，滑动摩擦因数分别下降了0.050,0.098，0.077，以试验轮转速最高时的摩擦因数为基准，分别下降了4.62%，9.18%，7.30%；上部荷载为300 N时，滑动摩擦因数分别下降了0.092，0.105，0.121，以试验轮转速最高的摩擦因数为基准，分别下降了7.43%，8.94%，10.75%；上部荷载为400 N时，滑动摩擦因数分别下降了0.099，0.125，0.171，以试验轮转速最高的摩擦因数为基准，分别下降了7.73%，10.20%，14.59%。说明当路面整体结构模量增大时，滑动摩擦因数随试验轮转速增大而减小的趋势愈加明显。

4.3 上部荷载对滑动摩擦因数的影响

以上部荷载为横坐标，滑动摩擦因数为纵坐标作普通折线图，如图6。

图6 上部荷载与滑动摩擦因数关系Fig.6 Relationship between upper load and sliding friction coefficient

由图6可知，试验轮转速为3.25和9.92 r/s时，滑动摩擦因数与上部荷载呈正相关趋势。上部荷载由250 N增大到750 N，随着路面整体结构模量增大，试验轮转速为3.25 r/s时，滑动摩擦因数分别上升了0.199,0.157,0.117，以上部荷载较低的摩擦因数为基准，分别上升了18.39%,14.70%,11.09%；试验轮转速为9.92 r/s时，滑动摩擦因数分别上升了0.165,0.112,0.052，以上部荷载较低的摩擦系数为基准，分别上升了15.63%,10.73%,5.06%。说明当路面整体结构模量增大时，滑动摩擦因数随上部荷载增加而增大的趋势减弱。

在试验轮转速为16.58 r/s，路面整体结构模量为605.264和992.883 MPa时，滑动摩擦因数与上部荷载正相关。当路面整体结构模量为1 163.686 MPa时，随着上部荷载增加，滑动摩擦因数先增大后减小。

5 机理分析及抗滑指标提出

经典的摩擦理论认为物体表面之间的摩擦是分子力和机械齿合共同作用的结果。路面与轮胎接触面间的分子引力、黏着作用及路面凸出颗粒对轮胎的微切削作用在不同程度影响路面与轮胎之间的摩擦效果[3]。轮胎与路面的摩擦性能受荷载，实际接触面积，滑移速率等的共同影响[4-5]。

在一定的上部荷载和试验轮转速下，随着路面结构整体模量增大，路面与轮胎接触面产生的变形减小，轮胎与路面的实际接触面积变小，分子引力与黏着作用以及小尺寸微凸体对轮胎的微切削作用减弱，所以摩擦因数随路面模量增大而减小。

由路面材料的应力-应变关系曲线[6]可知,随着荷载增加，路面结构应变增幅减小，荷载增加引起的路面变形量减小导致轮胎与路面的实际接触面积减小，且整体结构模量越大，这种现象越明显。所以路面整体结构模量增大时，摩擦因数随荷载增大而增大的趋势减弱。

当试验轮转速很低时，路面微凸体有足够的时间产生塑性变形使黏结点增大，也有充分的时间在表面膜破裂以后形成牢固的黏结点，从而发生界面黏着，所以摩擦因数较大。路面模量增大后，路面微凸体塑性变形减小，在速度增大的双重影响下，滑动摩擦因数减小的趋势更加明显。

由上述分析可知，沥青路面整体结构模量过高，不利于轮胎与沥青路面充分接触，因此对沥青路面抗滑不利。考虑BZZ-100 kN，轮胎接地压强0.7 MPa，滑动摩擦因数大于0.41[7-8]。对图4(b)进行回归分析可推算出要满足行车速度60 km/h和标准轴载下路面滑动摩擦因数大于0.41的要求，路面整体模量应控制在1 300 MPa以内。路面弯沉是沥青路面竣工验收评价路面质量的重要指标，实际工程中为了验收合格往往采用高模量路面[9]。建议限制路面整体结构模量的范围来控制沥青路面的变形，使路面与轮胎之间的实际接触面积能够满足路面抗滑的需要。

6 结 语

采用新型路面摩擦因数测定仪，通过对不同整体抗压回弹模量的沥青路面进行滚动摩擦及滑动摩擦试验，分析了路面整体变形能力对路面抗滑性能的影响。发现一般情况下沥青路面整体模量越高，路面滚动、滑动摩擦因数越小，且上部荷载增加引起的摩擦因数增幅减小，试验轮转速增大引起的摩擦因数降低的趋势更加明显；但当上部荷载较小行车速度较大时，随着路面整体模量增大，沥青路面摩擦因数先减小后增大。

鉴于在实际工程中通常提高路面整体结构模量来减小路面变形，从而增强路面耐久性能，而过高的路面模量不利于路面抗滑。建议在高等级沥青路面设计中将路面整体模量限制在1 300 MPa以内，使沥青路面拥有足够的变形，以满足路面抗滑性能的要求。

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(责任编辑 谭绪凯)

Influence of Asphalt Pavement Holistic Elastic Modulus on Anti-sliding Performance of Pavement

WU Guoxiong1,2，GAO Chao1，XIAO Bin3

(1.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China； 2.Department of Transportation and Municipal Engineering, Chongqing Vocational College of Architectural Engineering, Chongqing 400039, P.R.China；3.Chongqing Municipal Design and Research Institute, Chongqing 400020, P.R.China)

Anti-sliding performance is the main factor of the asphalt pavement quality control. In order to analyze the influence of asphalt pavement holistic elastic modulus on anti-sliding performance, the rolling friction and sliding friction tests were carried out respectively on three types of pavements as semi-flexible pavement, semi-rigid pavement and flexible pavement by use of a new type of road friction coefficient measuring instrument, thus the effects of different holistic elastic modulus, upper loads, rotate speed of the test wheel on the pavement friction coefficient were analyzed. On the basis of the above, it is proposed that to control asphalt pavement holistic elastic modulus within 1 300 MPa can meet the requirement of anti-sliding.

highway engineering; asphalt pavement; holistic elastic modulus of pavement; rolling resistance coefficient; sliding friction coefficient; anti-sliding performance

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.06

2016-06-15；

2016-12-26

重庆市教委科学技术研究项目(KJ1500508)；2014年度重庆市高校优秀成果转化资助项目(KJZH14104)

吴国雄(1966—)，男，湖北崇阳人，教授，博士,主要从事路面结构分析与破坏机理方面的研究。E-mail:wgx_ph.d@163.com。

高 超(1991—)，男，重庆人，硕士，主要从事路面破坏机理方面的研究。E-mail:1592310693@qq.com。

U416.22

A

1674-0696(2017)02- 032- 06