凝冰沥青路面抗滑性能衰减规律研究

杨川文，朱云升，黄鑫，王开凤

(武汉理工大学 交通学院, 湖北 武汉 430063)*

凝冰沥青路面抗滑性能衰减规律研究

杨川文，朱云升，黄鑫，王开凤

(武汉理工大学 交通学院, 湖北 武汉 430063)*

利用自行改制的车辙试验仪，通过室内模拟法，从不同路面类型、不同轮压等条件着手，研究路面的抗滑性能随轮载作用次数的增加而变化的规律，研究结果表明：虽然各项试验项目和指标都存在差异，但是抗滑性能衰变过程中的分布趋势大体一致，即在轮载作用初期，抗滑指标值迅速降低，随着轮载作用次数的进一步增加，各指标值又在一定程度上逐渐上升并最终趋于稳定.并且还通过建立合适的数学模型拟合出了凝冰条件下沥青路面抗滑性能衰变的内在规律性，反映出了各种因素对凝冰条件下沥青路面抗滑性能衰变规律的差异性.

抗滑性能；凝冰条件；沥青路面；衰减规律；数学模型

0 引言

常见的凝冰现象发生的原理是凝雪层(冬季地表高度大于3 000 m的空气层即为凝雪层，温度小于0℃)中形成的水滴、冰晶以及雪花进入到1～4℃的较暖气层(地表高度为1 500～3 000 m的空气层即为较暖气层，温度稍大于凝雪层)后变成液态水滴，当进入气温稍低于0℃的地表空气层后，这些液态水滴开始发生冻结并形成过冷水滴，过冷水滴接触到冰冷的物体表面时就会骤然形成凝冰层.这种现象常发生在我国的云贵川等高原山区的冬季，由于路面凝冰现象会大幅度的降低路面的抗滑性能，所以对道路运营及人民的生命财产安全带来严重的隐患[1-2].

本文采用自行改制的车辙试验仪，通过室内模拟法，研究路面的抗滑性能随轮载作用次数的增加而变化的规律，同时结合对凝冰状态路面抗滑性能的现场实测数据，研究凝冰条件下路面抗滑性能衰减的规律和变异性，这对解决我国西南等高原潮湿地区冬季道路行车安全问题，降低交通事故率，减少交通事故损失，具有重大的经济效益和社会意义.

1 试验设计

1.1 试验设备

采用车辙试验仪进行路面抗滑性能衰减规律的试验研究，通过试验轮在试件上做往复运动来模拟真实的车辆作用状况.由于试验需在凝冰条件下进行，所以为了更真实的反映实际情况，防止冰层过快融化，应使车辙仪箱内的温度在0℃左右.

自行研制改装的车辙试验仪主要由原有的碾压装置和新加的制冷系统两部分构成.其中新加的制冷系统是由冷凝器、压缩机和蒸发器等装置组成.轮压通过加减砝码来调节轮压的大小，从而模拟不同轮压荷载对凝冰路段路面抗滑性能的影响.

1.2 试验方案

1.2.1 试验条件

为了涵盖不同的路面构造深度，使试验更具有说服力，本试验决定采用AC-16、SMA-16和OGFC-16这三类不同构造深度的沥青路面.据贵州某地一年的气温资料显示[3]，及通过实地调查，凝冰路面凝冰厚度一般在1～2.5 mm，本次试验凝冰厚度取1.6 mm，洒水量为144 g.

1.2.2 试验步骤

(1)将饱水试件冷冻8 h(采用石蜡填满试膜间隙以防止水分流出).

(2)取出试件，测定其摆值及构造深度；测完后在试件表面撒定量的水冷冻形成凝冰层；最后，测定试件表面凝冰情况下的摆值.

(3)将路面结冰的试件置于负温的车辙仪箱内进行碾压，每隔0.5 h测定一次碾压后的摆值，并随时观察冰层的破碎情况.

2 试验结果分析

2.1 混合料配合比的设计

本次试验采用的改性沥青，集料以及矿粉通过试验验证均满足各项规范指标.根据国内外使用经验，通过相关的级配设计理论，采用S型级配曲线.根据规范[4]要求对AC-16、OGFC-16、SMA-16进行配合比设计，各级配曲线如图1所示.

图1 矿料级配曲线

通过试验最后计算得到AC-16、OGFC-16及SMA-16的最佳油石比分别是4.0%、3.6%、5.4%.

2.2 凝冰条件下沥青路面抗滑性能试验结果分析

2.2.1 初始摆值和构造深度结果分析

按相关规范对各三种级配路面进行摆值和构造深度的测定，其中试验采用BM2型摆式摩阻仪测定路面摆值，其测试结果如表1所示.

表1 沥青混合料结冰前后构造深度和摆值

从表1可以看出：在结冰前，这三种级配中，OGFC-16的抗滑性能最好，而SMA-16的抗滑性能又要优于AC-16；在凝冰条件下，初始构造深度大对路面的抗滑性能有一定的积极作用；同时有研究表明[5-6]，对于OGFC这种内部空隙率大的混合料试件，在少量洒水后由于水量的大量渗出，使得试件表面冰层基本忽略不计，摆值的减少量也很小.但是对于饱水的试件而言，即使洒水量较少，结冰后摆值减少量也比较大，说明饱水情况对凝冰路面的抗滑性能影响较大.

2.2.2 不同级配条件下抗滑性能衰减规律分析

本文对三种不同级配的沥青路面在凝冰条件下的抗滑性能进行试验研究，其结果如图2所示.

图2 各试件摆值变化曲线图

由结果可知，构造深度越大，抗滑效果越好.对三种级配衰减时段比较可以发现，SMA-16和OGFC-16的衰减过程延续时间相对较短，AC-16的衰减延续时间最长，说明构造深度大的路面在轮碾时的破冰效果相对较好，也说明凝冰时表现出的抗滑效果好.

2.2.3 不同轮压条件下抗滑性能衰减规律分析

本次试验选用AC-16混合料来进行试验，试验采用0.7、0.9、1.1和1.3MPa四种轮压情况，车轮行走作用次数为42 次/min，30 次/min测定一次摆值.由于车轮轮迹宽度限制，试验仅考虑摆值的衰减研究，结果如图3所示.

图3 AC-16摆值变化曲线图

由上图可知，在试验初期四种轮压下的试件测定的摆值相差很小，说明他们的抗滑性能基本相同；而在一定轮载作用次数范围内，轮压对凝冰条件下的路面抗滑性能影响较为明显，但当轮压超过一定值后，轮压的这种影响就不再明显，出现上述情况主要是因为轮压较大对路面冰层磨耗也较快，同时磨耗后路面出现一定积水，因此其抗滑性能相对较差，但又由于冰层的磨耗，部分集料或完全露出，其表层一定的构造深度起到排水作用，所以0.9 MPa下的路面抗滑性能最差.

3 抗滑性能衰变模型

凝冰条件下沥青路面抗滑性能的衰变过程有着一定的内在规律性，同时因为条件不同而存在差异性.本文通过数学模型来模拟其抗滑性能，以轮压和轮载作用次数因素为主要输入变量，摆值BPN与轮压P和轮载作用次数N的函数关系式可以表示为：BPN=f(P,N).

3.1 摆值BPN与荷载作用次数N之间的相关性分析

采用MATLAB软件进行相关数据拟合，利用cftool曲线拟合工具箱进行数据拟合，采用数据以0.7 MPa轮压时AC-16的试验数据为例，拟合曲线如图4所示.

图4 拟合曲线图

经过分析比较，选取式(1)中数学模型来进行拟合，模型如下：

(1)

由模拟结果和实验结果对比发现，模型(1)能较好的反映出摆值变化规律，因而可以在预估模型BPN=f(P,N)中引入变量a1·((T/2520)a2+a3)·exp(a4·T/2520+a5)+a6来模拟路面摆值BPN随轮载次数N的变化情况.不同条件下AC-16沥青路面摆值BPN随荷载作用次数N的变化规律拟合结果如表2所示.

表2 摆值BPN与轮载作用次数N拟合结果表

3.2 摆值BPN与轮压P之间的相关性分析

本文采用二次多项式来模拟路面摆值BPN随轮压P的变化，即：BPN=a1×P2+a2×P+a3，相关性分析结果如表3所示.

表3 AC-16相关性分析表

3.3 预估模型BPN=f(N,P)

考虑到荷载作用次数N和轮压P的不同对路面摆值BPN的影响程度也有所不同，因此在预估模型中引入P×N，以反映轮压对于不同荷载作用次数的不同影响程度.综上可知，路面摆值BPN随轮压P以及荷载作用次数N等变化的预估模型如下所示：

N/2520+a5)+a6P2+a7P

(2)

式中,BPN为摆值；N为轮载作用次数；P为轮压，以MPa计；α1～α9为待定的回归系数.

通过MATLAB拟合，得到拟合相关系数0.88，说明预估模型能较好的反映出摆值随不同轮压以及不同荷载作用次数的变化.最终拟合公式如下所示：

BPN=-99.565·((N/2520)1.193+1.049)·

exp(-0.505·N/2520-1.425)+

15.324P2-35.071P-0.90P·

N+69.90

(3)

为了进一步检验预估模型的精度，对试件实测值和模拟值进行对比分析，实测值和预测值的对比分析，结果如图5所示.从图中可知，数据点均匀且集中的分布在y=x轴两侧，说明实测值与预测值显示出较好的一致性，预估模型具有较高的预测精度.

图5 试件实测摆值和预测值对比图

建立的预估模型具有广泛的适用性，仅通过预估模型就可以反映出实际路面摆值随轮压、轴载作用次数的不同而变化的规律，做到及早了解路面的抗滑性能，为应急准备的各个方面预先做出详细的安排，降低交通事故率，减少各项资源的浪费.

4 结论

本文利用自行改制的车辙试验仪，在室内模拟条件下对不同路面类型的混合料进行了抗滑性能的测试，研究不同轮压与不同轮压作用次数等条件对抗滑性能的影响，得出的主要结论如下：

(1) 在凝冰厚度相同的情况下，路面构造深度越大，其抗滑性能越好；但构造深度对路面抗滑性能的影响只能在冰层厚度一定范围内才有效;

(2) 轮压较小时路面在经过碾压后表现出的抗滑性能较好；随着轮压的增加碾压后的路面抗滑能力减小，但轮压超过最不利轮压后，其经过碾压后表现出的抗滑能力又有所提高;

(3) 凝冰条件下沥青路面在轮载作用初期，摆值随着轮载作用次数的增加迅速降低，随着轮载作用次数的进一步增加，摆值又呈现出逐渐上升的状态，最终上升速率减缓并趋于稳定;

(4) 凝冰条件下沥青路面抗滑性能衰变的规律性可以通过合适的数学模型进行模拟，提出的模型拟合度较高，能很好的反映出抗滑性能变化的趋势;

(5) 建立摆值BPN随轮压P以及荷载作用时间T等变化的预估模型，可以及早了解路面的抗滑性能，为应急准备的各个方面预先做出详细的安排.

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Research on Skid Resistance Performance Attenuation of Iced Asphalt Pavement

YANG Chuanwen, ZHU Yunsheng, HUANG Xin, WANG Kaifeng

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Through self-improved rutting test instrument for indoor simulation experiments to explore the influence of the pavement types, and different thickness of ice and wheel pressure for the anti-sliding on the ice asphalt pavement performance, the variation rule of anti-sliding performance with the increasing number of wheel load was studied. The study shows that although there are differences in the test items and index, the trend of anti-slide performance in the distribution is broadly consistent. At the beginning of the wheel loads, the skid resistance value is decreased rapidly. With a further increase in the loading times, each value in a certain extent is increased gradually and finally tends to be stable. At the same time, fitting the regularity of anti-slide performance in icing conditions through establishing the appropriate model, the various factors on anti-slide of asphalt pavement and the differences of the performance decay law are reflected.

anti-sliding performance; icing condition; asphalt pavement；attenuation law；mathematical model

1673- 9590(2017)02- 0083- 05

2016-05-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51408446)

杨川文(1992-)，男，硕士研究生； 朱云升(1974-)，男，副教授，博士，主要从事路面病害处置的研究

A

E- mail:ycw251116844@qq.com.