沥青路面抗滑性能发展规律及技术需求分析

孙雪伟 金光来 高培伟 臧国帅

(1.南京航空航天大学民航学院 南京 211100； 2.中路交科科技股份有限公司 南京 211800；3.江苏中路工程技术研究院有限公司 南京 211800)

截至2020年底，江苏省高速公路通车里程达到4 917 km，其中近80%的通车年限超过10年，近43%的通车年限超过15年。在交通荷载、环境因素的反复作用下，路面的抗滑性能下降明显，近年来，更呈现出衰减严重的现象，影响了行车安全性[1-3]。周兴林等[4]研究沥青路面抗滑性能与沥青混合料体积指标的关联，发现随着沥青混合料空隙率和矿料间隙率的增加及有效沥青饱和度和粗集料骨架间隙率的降低，沥青混合料的抗滑性能增大。刘军[5]介绍了沥青路面的细构造和粗构造尺寸及材料要求，分析了影响沥青路面抗滑性能的主要因素和抗滑表层早期破坏的原因，并提出了相应的防治措施。黄晓明等[6]对比分析了现有沥青路面与橡胶轮胎的接触力学模型，探讨了设计、施工及运营阶段中的不确定性因素，归纳了现有沥青路面抗滑性能评价指标及衰变模型，最后论述了沥青路面抗滑性能的发展方向。倪敬松[7]分析影响路面抗滑性能的各种因素，提出了路面抗滑性能评价的模型函数和预测模型。曹平等[8]分析了沥青路面形貌对抗滑性能的影响，发现沥青路面宏观构造凸出体的高度和密度，微观构造微凸体的高度、密度和尖锐度对沥青路面抗滑性能具有明显影响。路面抗滑性能直接影响了路面的服务质量，分析研究沥青路面抗滑性能的发展规律及技术需求，对提升高速公路的服务质量有重要意义。

1 抗滑性能现状

1.1 总体状况

JTG 5210-2018 《公路技术状况评定标准》[9]规定采用沥青路面抗滑性能指数(SRI)表示路面抗滑性能，由横向力系数SFC计算得到。江苏省典型高速公路沥青路面SFC全线平均值计算结果见图1。由图1可见，在选取的18条典型高速中，SFC值总体状况评级为良(40

图1 2018年江苏省典型高速SFC总平均值

1.2 分布统计

统计江苏省典型高速公路的抗滑不足(SFC<40)路段占比，结果见图2。

图2 2018年江苏省典型高速公SFC<40的段落占比

由图2可知，有8条高速存在抗滑不足路段，其中宁扬高速抗滑不足路段占比高达14.47%，其他高速占比均小于2%。

统计典型江苏省高速公路的抗滑非优路段(SFC<48)占比，结果见图3。

图3 江苏省典型高速非优路段占比

由图3可知，非优路段占比>50%的有2条高速：宁扬和沿江高速；非优路段占比在30%～50%之间的有4条高速：沪宁、通启、淮徐和宁洛高速。

2 抗滑性能发展规律

2.1 典型高速抗滑性能发展规律

江苏省典型高速公路抗滑性能发展规律，见图4、图5。

图4 宁沪高速抗滑性能发展规律(第四车道)

图5 宁扬高速抗滑性能发展规律(第二车道)

以宁沪和宁杨高速公路为例说明，由于宁沪高速2006年进行了改扩建，统计从2007年开始。由图4可知，宁沪高速第四车道横向力系数在通车2～11年处于总体下降趋势，在2018年(通车第12年)进行了专项养护，抗滑性能有所恢复。由图5可知，宁扬高速2012年建成通车，通车6年来，其抗滑性能急剧下降，SFC由70衰减至45。

2.2 抗滑性能总体发展规律

基于江苏省高速公路抗滑性能长期监测数据，考虑不同区域、不同通车年限、不同路面材料、不同车道的影响，分析江苏省高速公路抗滑性能的发展规律。

2.2.1衰变模型

路面性能衰变模型就是反映路面建成通车或采取各种养护措施后，使用性能随时间或轴载作用次数变化规律的表达式。同济大学孙立军教授建立的衰变模型[10]式(1)形式简单，模型参数可解释、具有明确的物理含义，得到了广泛应用。

(1)

式中：PPI为能够反映路面使用性能的指数(如PCI，RQI等)；PPI0为初始使用性能指数；y为路龄；α、β为模型参数。

其中参数α的数学含义可以认为是路面使用性能指数PPI衰减到初始值PPI0的63.2%时的路面使用年数。所以参数α的大小反映了路面使用寿命的长短，因此，将它命名为使用寿命因子。β则反映了曲线的形状。当β由小变大时，衰变曲线将由凹变凸或呈反S形，所以将β称为路面衰变的模式因子。

根据江苏省高速公路性能的变化规律，一般到达路面使用期末时各项使用性能均未衰减到初始值PPI0的63.2%，因此根据江苏省高速的使用特点，引入基于使用期末性能的调整系数λ，将上述预测方程进行修正，如式(2)。

(2)

式中：λ为基于使用期末性能的调整系数，对于抗滑性能，可取1.609 4，即当达到设计年限15年时使用性能衰变至初始值的80%。

2.2.2模型标定

2018年江苏省典型高速公路抗滑性能随通车时间的发展规律变化汇总见图6。

图6 各高速最外侧行车道横向力系数随通车时间的变化

由图6可知，通车前10年，抗滑性能持续下降，江苏省高速公路SFC值平均值每年下降约1.35；通车10年后，抗滑性能保持稳定，这与后期养护有关。

采用上述模型对江苏省高速公路检测数据进行回归分析，江苏省典型高速公路抗滑衰变模型结果见图7。

图7 抗滑衰变模型分析

根据经验，模型形状因子β值初值选取为0.9。由图7可见，沥青路面结构行为方程可以用于描述江苏省高速公路抗滑性能总体衰变规律其计算方法见式(3)，其形状因子β值通过回归分析确定为0.244。

(3)

式中：β值越小，则使用性能衰变越慢，因此表明江苏省高速公路抗滑性能衰变较慢，这可能是及时养护的原因。

沥青路面结构行为方程含有α、β2个模型参数，具有明确物理含义，对不同地区均具有较好适应性，对其他地区有推广或借鉴作用。

3 抗滑处治技术后评估

一般情况下，沥青路面抗滑不足处治技术包括：就地热再生、薄层罩面(ECA-10、U-PAVE10)、封层类(微表处、抗滑碎石封层)、机械类(抛丸)。

3.1 基于历年检测数据的抗滑处治技术后评估

江苏高速公路路面管理系统收集了江苏高速公路路面性能历年的检测数据，基于此数据进行抗滑处治技术后评估。本文采用提升率和服务寿命TSL指标进行评估。提升率是指抗滑处治措施处治前后的抗滑性能提升百分比；服务寿命(treatment service life，TSL)是指处治措施失效时间，即处治后多长时间衰减至处治前抗滑SFC值。

以汾灌高速就地热再生处治路段为例，处治前后SFC随时间变化情况见图8。

图8 2013年处治路段横向力系数随时间变化

由图8可知，就地热再生提升率为21.8%；当使用3年后，提升率衰减为0，表明处治措施已经失效，因此就地热再生的TSL约为3年。

汇总不同处治措施的提升率见图9。

图9 不同处治措施的提升率对比

由图9可见，精细抗滑碎石封层和抛丸的提升率均大于40%，这2种措施为专门针对抗滑进行处治的措施，而其他措施的提升率约为15%。

汇总不同处治措施的服务寿命对比图见图10。

图10 不同处治措施的服务寿命对比

由图10可见，U-PAVE10薄层罩面的服务寿命为3年以上，上限待定，这是因为其具有优良高温性能(动稳定度>8 000次/mm)，很难出现泛油现象，可长久保持路表抗滑性能；精细抗滑碎石封层的服务寿命约为3～4年，其它措施服务寿命为2～3年。

3.2 基于现场调研指标的抗滑处治技术后评估

现场调研指标包括构造深度(T0961-2008)、摩擦摆值(T0964-2008)、渗水系数(T0971-2008)、噪声(车内噪声)，本文通过现场调研指标对抗滑处治技术进行后评估。

3.2.1构造深度

不同处治措施的构造深度测试结果见图11。

图11 不同处治措施的构造深度对比

由图11可知，抛丸路段将路面的沥青膜打落，造成骨料表面微观纹理粗糙，使得其构造深度最大，但这会显著影响路面的抗裂性能和抗水损坏性能；对于汾灌高速就地热再生处治路段，随着使用年限从3年增加至5年，构造深度有所下降。

构造深度排序为：抛丸>抗滑碎石封层(拉毛)>就地热再生>ARSMA-13>高强SMA-13≈高强ECA-10>U-PAVE10>ECA-10。

3.2.2摆值

不同处治措施的摆值测试结果见图12。

图12 不同处治措施的摆值对比

由图12可知，宁杭高速高强SMA-13摆值最小，与现场外观一致，集料磨损、光滑。摆值排序为：ARSMA-13>抗滑碎石封层≈U-PAVE10>就地热再生≈ECA-10≈抛丸>高强SMA-13。

3.2.3噪声

选取宁杭高速排水型路面、SMA-13、U-PAVE10等路段进行不同车速下的噪声测试，结果见13。由图13可知，随着车速的提高，车内噪声也随之提高；U-PAVE10车内噪声较排水路面或SMA-13噪声降低5～7 dB，表明具有一定降噪效果。

图13 不同罩面的噪声对比

精细抗滑碎石封层在沿海高速进行了应用，对其噪声状况进行持续跟踪观测，噪声变化规律见图14。

图14 精细抗滑碎石封层噪声变化规律

由图14可知，经过车辆荷载的压密，处治7周后噪声状况已降低至处治前水平。

3.3 基于耐久性的抗滑处治技术后评估

拉拔试验又称附着力试验可用于评价不同抗滑处治材料与原路面的黏附力，表征抗滑处治材料的耐久性。本文采用拉拔试验结果绝对值对各种抗滑处治技术进行后评估。

不同处治措施的黏附力对比试验结果见图15。

图15 不同处治措施的黏附力对比

由图15可知，U-PAVE10沥青胶浆黏结性能突出，黏附力最大；精细抗滑碎石封层针对黏结问题进行了加强处治；ECA-10存在跑料和麻面现象，黏附力较弱。抗滑耐久性排序：U-PAVE10>就地热再生≈高强SMA-13≈精细抗滑碎石封层>高强ECA-10>ECA-10。

4 抗滑技术需求分析

抗滑处治措施的需求一般包含性价比、耐久性、施工性能、保护原路面、环保5个方面[11]。

基于抗滑需求的5个方面，采用雷达图对不同抗滑处治措施综合评估，综合评估标准为越靠近中心则越差。不同抗滑处治措施综合评估雷达图见图16。

图16 不同抗滑处治措施综合评估雷达图

1) 性价比。全寿命周期内抗滑处治年平均花费排序为精细抗滑碎石封层

2) 耐久性。使用寿命排序为U-PAVE10薄层罩面>新型抗滑封层>就地热再生>ECA-10薄层罩面>微表处。

3) 施工性能。封层类措施的乳化沥青撒布难以控制，就地热再生需要大型施工设备，施工过程控制要求较高，且会出现加热温度过高导致沥青老化问题，引起路用性能降低；而薄层罩面类措施的施工质量较易控制。

4) 保护原路面。薄层罩面类的施工厚度为2.5 cm，微表处的施工厚度为1 cm，抗滑碎石封层的施工厚度为0.5 cm，而就地热再生技术提升了上面层性能，一定程度上起到保护原路面的作用。因此，可以排序为薄层罩面类≈就地热再生>微表处>封层类。

5) 环保。封层类为冷拌冷铺，薄层罩面类为热拌热铺，就地热再生虽然对混合料进行回收利用，但需对路面进行加热，仍会消耗大量能源。因此，排序为封层类>就地热再生>薄层罩面。

综上所述，高性能薄层罩面类和精细抗滑碎石封层类的综合评估效果较好。然而，这2种处治措施仍不能完全满足当前高速公路对抗滑技术的需求，亟需开发新型抗滑处治技术，实现快速、耐久、经济、环保。

5 结语

1) 江苏省高速公路抗滑状况总体尚好，但是大部分高速公路的SFC全线平均值处于49～52，接近优良分界线。

2) 通车前10年，抗滑性能逐年下降，SFC全线平均值每年下降约1.35，下降百分比约2%，通车10年后，抗滑性能由于养护而趋于稳定。

3) 沥青路面结构行为方程可用于表征江苏省抗滑性能发展规律，形状因子β值为0.244，表明江苏高速抗滑性能总体衰变较慢。

4) 从性价比、耐久性、施工性能、保护原路面、环保等5个方面综合评估了不同抗滑处治措施，排序为U-PAVE10>精细抗滑碎石封层>就地热再生> ECA-10>微表处，表明U-PAVE10和精细抗滑碎石封层综合评估效果较好。