摘  要：通过对沥青路面防滑性能衰变机理的分析，研制开发了小型设备——加速磨耗仪，建立了加速磨耗的试验方法。并应用该试验方法对防滑磨耗层用沥青混合料防滑性能衰变规律、影响因素作了初步研究。
关键词：加速磨耗仪 加速磨耗方法 防滑性能衰变规律

通过对半刚性基层沥青路面的长期研究和工程应用，在高等级公路半刚性基层沥青路面结构形式和设计理论、方法方面已取得了较大的进展。随着对交通舒适、安全要求的提高，对沥青路面表面特性的研究逐渐成为今后的主要任务，如道路的防滑、车辙、降噪等。特别是随着车速的提高，路面防滑性能已经越来越受到重视。刚开放交通时，只要施工正常，路面防滑性能一般都能满足行车要求，关键在于交通和环境因素作用下的衰变速率。早期室外研究［1］［2］表明，要比较路面是否具有足够的防滑能力，一般需要1年～2年运行时间，路面防滑性能趋于稳定时才能作出正确判断。材料组成设计时，专门为此修建试验路显然不经济。因此，研究指出，应当建立一种室内试验方法，对沥青混合料长期防滑性能进行评价，用于指导材料组成设计。本文研制开发了加速磨耗仪，提出了室内加速磨耗试验方法。对使用不同粗集料的AK－13A混合料进行的加速磨耗试验表明，该方法能够给出沥青混合料防滑性能衰变规律，为评价沥青混合料防滑性能提供了依据，可用于沥青混合料的组成设计。

1　现有防滑试验方法综述与加速磨耗仪的研制
1.1 国内外防滑阻力试验方法
按照得到的评价指标———路面摩阻系数或路表微观、宏观构造，沥青路面防滑能力测量方法可分为两大类，直接测量法和间接测量法。
1.1.1　直接测量法
即通过仪器直接测定轮胎橡胶与路面之间摩阻系数的方法。主要有如下两大类：（1）便携式测量仪法。包括手提式摆式仪法、手推式双轮拖刮制动仪等等。这类方法的优点是仪器使用方便；可测量特殊路段，如城市交叉口、弯道处的摩阻系数。缺点是只能提供局部点和低速范围内摩阻系数；且测量效率低。（2）实物轮胎测量法。包括制动牵引法、纵横向滑移测定法等等。这类方法的优点是效率高；能够在不干扰交通的情况下,连续、快速、安全地进行测试。缺点在于不适用城市交叉口、弯道等特殊路段。
1.1.2　间接测量法
即通过相应的仪器测定路面表面宏观或微观构造的方法来评定道路的防滑能力。主要有如下几种：（1）微观构造测定法。包括立体摄影法、电子显微镜扫描法等等。（2）宏观构造测定法。包括铺砂法、激光构造仪法等等。不管是直接测量法还是间接测量法，其最初目的都是为了现场测试。由于摆式仪法和铺砂法所需要的仪器简单、工作面小，国内也利用其对设计混合料的防滑能力作了一些室内研究。但这两种方法不能进行加速性能试验，无法评价设计混合料的长期防滑性能。

1.2　加速磨耗仪的研制
1.2.1　轮胎——路面相互作用机理
轮胎——路面的相互作用体现在两个方面：轮胎对路表微观、宏观构造的磨光、磨耗作用；一定的路面表面纹理、行驶状态下，轮胎会受到路面给予的摩阻力。微观构造是路面集料表面水平方向0～0．5mm，垂直方向0～0．2mm的微小构造。它对100％的车速范围都是需要的。宏观构造指的是水平方向0．5mm～50mm，垂直方向0．2mm～10mm的较粗构造。它控制湿防滑能力随车速提高而下降的比率，对于中、高车速，是必要的。随着行车作用的增加，轮胎不断摩擦路面上凸起的集料，使之棱角磨平，表面磨光。相应地路表微观构造、宏观构造逐渐衰变。轮胎和路表都是凹凸不平的，且两者都呈现一定的塑性。粘着摩擦理论从微观角度出发，认为摩擦力是由摩擦界面间的粘着和“犁沟”共同作用的结果。当路表纹理被磨平、磨光后，轮胎、路面间的“犁沟”作用大大减小。路面干燥状态下，轮胎同路面保持良好接触，粘着力就足以使车辆不发生滑溜。如果路面是潮湿的，轮胎、路面间出现薄层水膜，进一步降低了“犁沟”力和粘着力，车辆制动时后轮就易发生侧向滑移，导致交通事故。轮胎受到的摩摩阻力还和其行驶状态有关。正常行驶时，轮胎受到滚动摩阻力。驱动或半制动时，轮胎处于部分滑转或滑移状态，受到滚动和滑动摩阻力。即使在完全制动条件下，轮胎受到的滑动摩阻力也随着滑移速度不同而不同。A．R．Savkoor进行得橡胶块同混合料摩擦试验表明［3］，在10cm?s左右的滑动速度下橡胶的摩擦系数最大。
1.2.2　加速磨耗仪的原理与总体设计
所研制的加速磨耗仪应尽可能地模拟轮胎－路面实际相互作用机理，以得到符合实际的防滑性能衰变规律。从试验机理和试验条件上，室内环道试验同实际情况最相似。加速磨耗仪实际上是一个微型环道试验。如图1所示，成型沥青混合料试件拼接成圆环，固定在圆形试验台上。试验台下接大功率电动机，可以不同速度（0～80km?h）转动。从动的轮胎以一定的负载加在沥青混合料环道上。竖、横向传感器可分别测量轮胎的负载和转动、制动状态下轮胎受到的摩阻力。

2　加速磨耗试验方法
2.1　试件成型
应从如下两个方面考虑试件成型方法的选取：（1）沥青混凝土的空隙率是影响其防滑性能的一个重要因素。方法应能控制成型试件的空隙率和表面纹理特征。（2）加速磨耗试验对拼接起来的沥青混凝土圆环形板的平顺要求较高。成型的试件应表面平整，接缝平顺。本设计采用静压法成型试件。对目标空隙率是通过装料数量和压实高度来控制的。设计密度Ddes按下式计算：
Ddex＝[（100－Va）/（100－Vmar）]Dmar （1）
式中：　Dmar———实测的混合料标准击实马歇尔密度，g/cm3；
Vmar———实测的标准击实马歇尔试件空隙率，％；
Va———目标空隙率，％。
装料的重量mspe为：
mspe＝Ddes×Vspe （2）
式中　Vspe———加速磨耗试件的控制体积，cm3；
Ddes———设计密度，g/cm3。
2.2　加速磨耗试验
（1）将试件置于加速磨耗仪试验台上拼接、用垫片精确调平、固定。
（2）检校所需施加的荷载（约为1．5kN），使试验轮接地压强符合0．7MPa±0．05MPa。
（3）旋转加载曲柄，先试加200N～400N，然后接通电动机电源，调节变速器，使试验台逐渐均匀加速到中等速度20km?h～30km?h。再逐渐加载，同时调节变速器，使试验台达到要求速度。
（4）在试件磨耗过程中，每隔1h～2h测定一次试件表面的构造深度TD和摆值BPN，并观察混合料表面状况的变化情况。

3　试验仪与试验方法的应用
3.1　试验结果
大量研究表明，沥青混合料的防滑性能主要与所使用的粗集料有关。本试验使用了三种粗集料：辉绿岩、砂岩和石灰岩。技术指标列于表1。在轮压0．7MPa、15℃条件下对使用三种粗集料的AK－13A混合料和轮压0．7MPa、30℃条件下对使用砂岩的AK－13A作了加速磨耗试验。混合料空隙率控制在4％。每隔一定作用次数测定试件构造深度和摆值（取8块试件的平均值）。

3.2　同室外实测数据的对比分析
3.2.1　衰变一般规律
从上述4图中可以看出，无论使用何种粗集料、高温还是低温，本次试验结果和室外实测大致相似，即沥青混合料的摆值和构造深度在行车作用的前期阶段衰变较快，然后逐渐趋于稳定。但是，室内和室外衰变规律是否相同，从而可以在两者之间建立相关关系呢？为了说明这一问题，本文提出了衰变相对百分比梯度和衰变落差的概念，建立了防滑性能衰变的一般方程。影响路面防滑能力的因素很多，包括交通、环境、混合料级配等等。无法对应于这些影响因素，在衰变方程中一一建立参数。从路面要保持长期的高防滑能力出发，考虑关键在于两点：路面表面纹理衰变的速率和衰变的终值。它们是各种因素综合作用的体现。路面表面纹理衰变的速率不是定值，随行车作用次数增加而减小，为防滑性能衰变方程的建立带来一定困难。笔者提出一个理论上的假设，在一定的环境、材料条件下，路面表面相对纹理衰变速率同路面表面相对纹理的比值是定值。定义为衰变相对百分比梯度，可用下式表示：
bTD（BPN）＝[d｛TD＊（BPN＊）｝/d（N）]/[TD＊（BPN＊）] （3）
式中　d｛TD＊（BPN＊）｝/d（N）———路面表面相对宏观构造（微观构造）衰变速率。
如图6所示，这里的表面相对纹理TD＊（BPN＊）包含了衰变落差的概念，定义如下：
TD＊（BPN＊）＝TD（BPN）－TDl（BPNl） （4）
式中　TD（BPN）———使用期间路面的表面纹理，mm；
TDl（BPNl）———路面表面纹理不再下降时的稳定终值，mm。
防滑性能衰变一般方程可由公式（3）推导得出：
TD＊（BPN＊）＝aTD（BPN）e－bTD（BPN）N （5）
式中　TD＊（BPN＊）、bTD（BPN）、N含义同上；
aTD（BPN）———最大可衰变落差，
aTD（BPN）＝TD0（BPN0）－TDl（BPNl），mm/BPN；
BPN0———如图6所示，路面刚开放交通时的初始摆值，BPN；
BPNl———含义同上。
利用建立的防滑性能一般方程，计算并回归了图2、图3、图4、图5中不同混合料的参数aTD（BN）、bTD（BPN），汇总于表2。从表2中可以看，大部分混合料回归方程的相关系数都在0．9以上。这充分表明，本文提出的理论假设是正确的，即沥青路面防滑性能的衰变服从本文建立的一般方程。aTD（BPN）、bTD（BPN）克服了以往回归方程经验参数的缺陷，具有明确的物理意义；可在室内aTD（BPN）、bTD（BPN）和室外aTD（BPN）、TD（BPN）之间建立相关关系，大大减小了修正工作量；利用修正的衰变方程，不但可以对沥青混合料最终防滑性能进行评价，而且可以预估不同使用期时的路面防滑性能情况。
3.2.2　加速磨耗次数
同室外实测相比（一般行车200000次达到稳定值），由于室内连续不间断地磨耗作用，加之缺少了室外环境中的干湿循环、高低温循环对混合料表面纹理的“糙化”恢复作用，本试验中混合料防滑性能在行车130000～200000次就趋于稳定。

3.3　试验结果分析
3.3.1　混合料表面沥青膜重新分布的影响
测量中发现，各种混合料构造深度初期减小量都差不多，并不随集料性质、混合料构造深度初始值不同而有明显不同。目估观察，行车作用推挤混合料上凸起集料表面沥青，使其填充到试件表面凹陷处，是混合料初期表面构造深度迅速减小的主要原因。对于摆值，随着行车作用次数的增加，混合料BPN值会增大，在图3上表现为短暂阶段的反向上升。这一点和参考文献［2］得出的规律一致，只不过由于它的测量时间间隔大，在图4中表现为减缓而已。目估观察，这是试件表面沥青膜已被磨去，并被进一步压密，单位面积内颗粒凸出增多的结果。沥青膜重新分布这个阶段时间跨度很小，15℃试验条件下，大致在4500次左右。以上表明，针对提高沥青混合料防滑性能而言，室内组成设计时应减少沥青用量。
3.3.2　粗集料种类的影响
表面沥青膜磨去后，粗集料对混合料表面构造的影响开始显现出来。由图2和图3，15℃时，石灰岩磨耗值（24）最大，因此石灰岩混合料的构造深度下降最快，稳定终值（0．3mm）也最小。辉绿岩磨耗值（17）大于砂岩（15．1），因此辉绿岩混合料的构造深度下降速率较砂岩混合料大。但是辉绿岩混合料构造深度终值大于砂岩混合料，这也许和粗集料的形状和棱角等因素有关。石灰岩磨耗值（24）最大，磨光值（36）最小，相应地石灰岩混合料的摆值下降速率大，终值小。辉绿岩磨耗值（17）大于砂岩（15），辉绿岩混合料的摆值下降速率较砂岩混合料大。两种岩石的磨光值（辉绿岩45，砂岩47）相差不大，所以两者摆值的终值也差不多。
由此可见，石灰岩易磨耗、磨光。即使使用石灰岩混合料的防滑表层初期防滑性能很好，也会在行车作用下迅速降低到不能满足要求的程度。
3.3.3　温度的影响
混合料防滑性能的衰变与行车作用下沥青混合料压密、细料和沥青上泛有关。由于本试验混合料空隙率控制在4％，15℃低温下，这一作用并不明显。但在试验温度30℃下，这一作用对混合料防滑性能衰变的贡献率明显增大。由图2、图3可以看出，30℃时砂岩混合料表面构造、摆值以达稳定期的作用次数为49500次左右，比15℃时提前了30000次。实际上，到达49500次时，试件表面已出现明显车辙，辙槽内布满沥青胶砂。刮开胶砂，发现集料表面磨光磨耗程度并不显著。

4　结论
4.1　采用本文设计的加速磨耗试验仪及方法
集料、温度的影响，用于指导混合料组成设计，又能够得到防滑性能衰变方程，预估沥青路面的长期防滑性能，无疑具有广阔的应用前景。

4.2　沥青路面防滑表层防滑性能的衰变服从本文提出的一般方程
方程中的两个主要参数，衰变相对百分比梯度和最大可衰变落差具有明确的物理意义，是室内、室外建立相关关系的理论基础。

4.3　行车作用下沥青膜的重新分布是路表纹理构造最初衰变的主要原因

4.4　防滑表层用粗集料宜选用磨光值大、磨耗值小的石料

4.5　温度通过控制混合料细料、沥青上泛和车辙出现的快慢程度而对混合料防滑性能的衰变起作用