近年来，由于抗滑性能衰减过快的问题，广东省高速公路磨耗层的类型经历了两次变化，但目前该问题依然存在。起初，多数高速公路采用改进型AC沥青路面GAC-13作为磨耗层的结构层，但经过5~6 a运营，发现其抗滑性能衰减速度过快，无法满足行车安全需求。经过道路工作者研究发现，级配变粗后可提升抗滑性能，于是GAC-16成为高速公路磨耗层的首选类型，但同样是经过5~6 a运营后，发现其抗滑性能依然衰减过快，仍无法满足行车安全需求^[1]。针对抗滑性能衰减的问题，道路工作者开始尝试采用SMA-13路面作为磨耗层，但由于SMA-13路面初始抗滑性能指标无法满足设计标准要求，导致应用过程中遇到了较大困难^[2-3]。由于SMA-13与GAC-16路面抗滑性能无法满足应用需求，道路工作者开始研究如何提升SMA-13与GAC-16路面初始抗滑性能与抗滑耐久性能^[4-6]。因此，本研究针对广东省高速公路应用频率最高的SMA-13与GAC-16路面进行抗滑性能衰变规律研究，形成关键控制指标，在施工过程中提高SMA-13路面的初期抗滑性能与GAC-16路面的抗滑耐久性能。

车辆的启动、制动、转弯等行驶能力皆来源于道路与车辆轮胎之间的摩擦作用。从橡胶的黏弹特性出发，摩擦发生过程中的黏着分量和滞后分量间的复杂作用是摩擦力产生的基础。轮胎与路面表面凸起接触时形成黏着分量，主要与路面的微观构造有关。橡胶轮胎产生变形的能量耗散所引起的摩擦力即为滞后分量，主要与路面的宏观构造有关^[7-8]。马健萍等^[9]利用加速加载设备研究了级配与油石比指标对SMA-13路面抗滑性能的影响；Kumar等^[10]、李晓华等^[11]利用激光纹理设备研究了施工温度对于SMA-13路面初始抗滑性能的影响；职雨风等^[12]通过对国内外SMA的调研及完工阶段的SMA摩擦系数变化分析研究，提出了针对SMA-13路面初始抗滑性能不足的3种解决对策——修订现行规范、提前采用机制砂磨除沥青膜及分阶段测定、独立评定；许新权等^[13]利用现场加速加载设备研究辉绿岩机制砂的GAC-16路面长期抗滑性能，提出了表征路面长期抗滑性能指标；王端宜等^[14]、Chen等^[15]利用搓揉试验开展了不同搓揉时间的沥青路面抗滑测试，提出应力集中分布率与抗滑性能衰减率表征沥青混合料的抗滑性能。上述研究人员对SMA-13与GAC-16路面抗滑性能开展了相关研究，但未深入分析SMA-13初期抗滑性能不满足要求以及GAC-16抗滑性能衰减过快的根本原因，并且没有形成基于抗滑性能的施工过程关键控制指标。

路面抗滑性能评价指标主要有摆式摩擦系数、构造深度与横向力系数^[16-17]。摆式摩擦系数通过摆式仪测试，基于能量法测试橡胶块在路面摩擦的损耗，表征低速行车下的路面摩擦系数^{[10, 18-19]}。构造深度能表征路面整体宏观构造且检测操作简易，可实现快速检测^[20-21]。横向力系数测试车可模拟车辆行驶状态，测试高速下的路面摩擦系数值并可实现快速、大面积的检验，与实际汽车行驶条件相近。在交工验收与养护定检阶段，沥青路面抗滑性能主要通过横向力系数进行交验。

沥青路面交工验收过程中抗滑性能主要通过横向力系数指标表征。本研究利用现场横向力系数检测以及基于室内搓揉试验的周期性指标检测分析了SMA-13与GAC-16路面抗滑机理差异，建立搓揉试验与真实车辆荷载作用的关系，提出提高抗滑性能的关键指标，具体研究思路见图 1。

图 1 研究思路 Fig. 1 Study idea

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由于横向力系数检测工作必须依托现场实体工程，本研究选取交通量与地理环境相近的新博高速、龙连高速作为研究对象。新博高速公路磨耗层为SMA-13路面，其交通量为5 856辆/d(大客车与货车)，龙连高速公路磨耗层为GAC-16路面，其交通量为6 189辆/d(大客车与货车)。针对不同类型沥青路面开展横向力系数检测，通过周期性检测开展路面初期抗滑性能指标比对分析以及运营期抗滑性能指标衰减情况分析，研究不同沥青路面类型的抗滑性能衰减行为。采用搓揉设备，针对不同沥青路面类型的试件开展搓揉试验并定期开展压力胶片试验、构造深度检测与摩擦系数检测，获取不同搓揉时间的路面有效接触面积、压力峰值、构造深度与摩擦系数指标，研究不同路面类型抗滑衰减机理，提出基于抗滑性能的施工改进措施。

搓揉设备是在标准车辙试验仪基础上进行了改造，采用花纹橡胶轮胎对试件施加竖向碾压作用与切向磨耗作用，使试件可整体接受磨耗作用。搓揉试验横向移动速度为10 cm/min，试件采用标准车辙试件。压力胶片试验采用Prescale压力胶片测量轮胎与路面作用时的接触面积和应力分布状况，胶片由2个聚酯片基组成，一张胶片上涂有一层微型色囊发色剂，另一张胶片上涂有显色剂^[22-23]。使用时将2张胶片的涂层面对面放置，当有荷载施加在重叠的胶片上时，带有发色剂的胶片上的微型色囊发生破损，发色剂被挤压出来与下层胶片的显色涂层接触并发生化学反应，形成红色斑点。通过专有设备进行胶片扫描即可获取轮胎与路面的接触面积和应力分布数据。

沥青混合料中采用辉绿岩碎石和PG76-22等级的SBS改性沥青，具体检测指标见表 1和2。为建立室内试验与现场检测的比对基础，沥青混合料级配采用现场检测横向力系数的新博、龙连高速公路生产级配(见表 3)。

针对新博高速公路SMA-13与龙连高速公路GAC-16路面开展横向力系数指标检测，其中SMA-13与GAC-16路面各检测5个路段，检测时间分别为通车0，3，6，9，12，24个月，获取不同沥青路面在不同时间的横向力系数指标。按照现场检测的沥青路面生产级配，制成不同类型沥青混合料车辙试件开展搓揉试验。试验温度控制在(25±0.5) ℃，试验轮胎荷载为0.7 MPa，试验环境为潮湿漫水状态。针对不同类型试件分别开展8 h搓揉试验，其中每种沥青混合料采用3块试件检测，获取检测结果。搓揉时间为0，2，4，6，8 h时开展压力胶片试验、铺砂构造试验与摆式摩擦试验，分别检测试件表面有效接触面积、压力峰值、构造深度与摩擦系数指标。

SMA-13与GAC-16路面横向力系数初始检测指标结果见图 2和表 4，可知GAC-16路面初期抗滑性能整体高于SMA-13路面，其中SMA-13路面横向力系数平均值为49.8，GAC-16路面横向力系数平均值为70.8，GAC-16路面横向力系数较SMA-13路面高42%。

图 2 不同路面结构横向力系数 Fig. 2 Sideway force coefficients of different pavement structures

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承受车辆荷载作用后，周期性横向力系数检测结果如图 3所示，可知SMA-13与GAC-16路面在承受车辆荷载作用后均存在横向力系数指标提高的现象，原因主要是裹附石料表面的沥青胶浆在车轮荷载作用下磨损，集料界面显现，进而增大了抗滑性能。SMA-13路面横向力系数上升期共9个月，增长率为49%，GAC-16横向力系数上升期共3个月，增长率为13%。SMA-13路面在沥青胶浆磨损后抗滑性能得到了极大提升，而GAC-16路面则提升幅度较小。在承受车辆荷载9个月时，SMA-13路面的横向力系数高于GAC-16路面。在此之后，SMA-13路面横向力系数进入下降区间，下降速率为0.6/月，而GAC-16路面横向力系数下降速率为1.2/月，其下降速率是SMA-13路面下降速率的2倍。在承受车辆荷载24个月时，SMA-13路面横向力系数为56.6，而GAC-16路面横向力系数为47，表明SMA-13路面较GAC-16路面具有更好的抗滑耐久性能。

图 3 不同沥青路面横向力系数变化情况 Fig. 3 Variation of sideway force coefficient of different asphalt pavement

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压力胶片检测结果见图 4和图 5。由图 4可知，GAC-16接触应力集中现象更为明显，呈现区域化的锥形分布，而SMA-13仅局部区域存在接触应力锥形分布，大部分接触应力为点状分布。由图 5(a)可知，SMA-13与GAC-16初始轮胎接触面积相近，但经过2 h搓揉后，SMA-13的有效接触面积大于GAC-16，经过4 h搓揉后，GAC-16的有效接触面积大于SAM-13。由图 5(b)可知，GAC-16初始应力峰值大于SMA-13，但经过搓揉后，GAC-16应力峰值迅速下降且低于SMA-13的应力峰值。

图 4 初始应力分布 Fig. 4 Initial stress distribution

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图 5 有效接触面积和接触应力峰值 Fig. 5 Effective contact area and peak contact stress

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构造深度和摆式摩擦系数检测结果见图 6。由图 6(a)可知，GAC-16初始构造深度大于SMA-13，但在搓揉作用下GAC-16构造深度迅速下降，而SMA-13构造深度下降速度逐渐变小，在搓揉6 h后，SMA-13构造深度超过GAC-16构造深度。由图 6(b)可知，SMA-13初始摩擦系数小于GAC-16，经过2 h搓揉后，SMA-13摩擦系数高于GAC-16，该现象与现场横向力系数检测结果一致。

图 6 构造深度和摩擦系数变化 Fig. 6 Variation of structural depths and friction coefficients

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现场横向力系数检测结果与室内试件摆式摩擦系数检测结果表明，SMA-13路面初始抗滑性能高于GAC-16路面。结合有效接触面积与应力峰值变化情况，GAC-16与SMA-13路面初始有效接触面积相近，但GAC-16路面初始应力峰值大于SMA-13，表明GAC-16路面集料尖锐程度大于SMA-13，与轮胎形成较好的咬合作用，因此具有较高的抗滑性能。

另一方面，石料表面裹附物中不仅含有沥青，还含有大量可通过0.075 mm筛孔的填料，集料表面裹附物实为沥青与填料的混合物——沥青胶浆。为了有效评价两者的界面差异，本研究提出沥青胶浆膜厚度指标，利用《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)油膜厚度计算公式，将通过0.075 mm筛孔的填料计为胶浆，计算其胶浆膜厚度，见式(1)~(2)，计算结果如表 5所示。

(1)

(2)

式中，SA为集料比表面积；P_i为集料各粒径的质量通过百分率；FA_i为各筛孔对应集料的表面积系数，按规范取值；DA为胶浆膜厚度；P_be为有效沥青含量；ρ_b为沥青25 ℃时相对密度。

由表 5可知，SMA-13沥青混合料胶浆膜厚度为25.4 μm，GAC-16沥青混合料胶浆膜厚度为20.8 μm，两者差值为4.6 μm，即SMA-13沥青混合料胶浆膜厚度较GAC-16沥青混合料大22%。

图 7可更加直观地体现两者石料表面沥青胶浆膜厚度差异，由于胶浆膜厚度分布不均匀，GAC-16混合料胶浆膜厚度较薄，路面表面可清晰分辨石料的棱角，在胶轮隔离剂作用下部分石料直接裸露。而SMA-13混合料胶浆膜厚度较厚，石料棱角已经被完全覆盖，在钢轮的碾压下，SMA-13表面的胶浆呈平整的光面状态。此时，汽车轮胎与路面的接触实质上是轮胎与沥青胶浆膜的接触，而沥青胶浆在轮胎接触滑移过程中极易形成滑动。因此，SMA-13路面早期抗滑性能偏弱，甚至无法满足常规沥青路面设计指标要求。当SMA-13路面沥青胶浆磨损后，其抗滑性能将迅速提升。

图 7 不同沥青路面表面状况 Fig. 7 Different asphalt pavement surface conditions

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在车辆荷载作用下，SMA-13路面抗滑性能先提升后下降，从抗滑耐久性角度考虑，SMA-13路面较GAC-16路面具备更好的抗滑性能。由图 5~6可知，以SMA-13摩擦系数指标下降趋势为基准，比较有效接触面积、应力峰值与构造深度变化趋势，发现SMA-13摩擦系数与应力峰值具备相似的下降趋势。

将SMA-13摩擦系数与应力峰值进行线性拟合分析，发现其具有良好的线性关系，见图 8与式(3)，拟合系数可达0.83。根据拟合结果可知，SMA-13路面抗滑耐久性主要由表面集料与轮胎的咬合作用形成，即以黏着分量为主。当应力峰值指标下降后，SMA-13抗滑性能将衰减，其抗滑耐久性与有效接触面积、构造深度相关性不大。因此，在进行SMA-13路面施工时，应尽量提高集料的棱角性与表面粗糙度，提高应力峰值指标。混合料设计方面应避免追求过高的构造深度，以保证密实为主。

(3)

(4)

图 8 摩擦系数拟合结果 Fig. 8 Fitting results of friction coefficient

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式中，BPN_S为SMA-13摩擦系数；F为应力峰值；BPN_G为GAC-16摩擦系数；MTD为构造深度。

由图 5~6可知，以GAC-16路面摩擦系数下降趋势为基准，比较有效接触面积、应力峰值与构造深度变化趋势，发现GAC-16摩擦系数与构造深度指标具备相似的下降趋势。将GAC-16摩擦系数与构造深度进行线性拟合分析，发现其具有良好的线性关系，见图 8与式(4)，拟合系数可达0.93。根据拟合结果可知，GAC-16路面抗滑耐久性主要由表面构造深度形成，即以滞后分量为主。当构造深度指标下降后，GAC-16抗滑性能将衰减，其抗滑性能与有效接触面积、应力峰值相关性不大。因此，在进行GAC-16路面施工时，应尽量提高表面构造深度指标。

比对分析图 3与图 6(b)可知，SMA-13摩擦系数与横向力系数衰减趋势一致，横向力系数在9个月的车轮荷载作用下达到峰值并进入衰减区间。在搓揉2 h后，摩擦系数达到峰值并进入衰减区间，因此可以假设搓揉试验2 h近似9个月的车轮荷载作用。分析原因主要是搓揉试验加载轮速度较慢，对表面集料存在加速推移作用，车辆载作用往往是以较高的速度进行加载，其推移作用相对较小。因此，短时间的搓揉作用可近似为长时间的高速车辆荷载作用。

由图 3与图 6(b)可知，GAC-16路面横向力系数在3个月的行车荷载作用下达到峰值，并进入衰减区间，而搓揉试验以2 h为间隔进行摩擦系数检测，故无法在摩擦系数的检测中体现峰值。SMA-13横向力系数超过GAC-16横向力系数至少需要承受12个月的车辆荷载。在搓揉2 h后，SMA-13摩擦系数已高于GAC-16，因此，搓揉试验加载2 h可近似为高速车辆荷载作用12个月，甚至更久。结合SMA-13摩擦系数分析结果，搓揉试验加载8 h可近似为高速车辆荷载作用36~48个月。根据搓揉试验结果可知，SMA-13摩擦系数与GAC-16摩擦系数在后期基本保持相同的衰减的速度，但由于SMA-13具备更高的摩擦系数值，SMA-13与GAC-16摩擦系数始终保持稳定的抗滑性能差值。因此，SMA-13路面横向力系数在车辆荷载作用下始终高于GAC-16路面，并且两者差值相对较稳定。

通过现场横向力系数检测与室内搓揉试验，分析SMA-13与GAC-16路面抗滑性能衰变规律，得到结论如下：

(1) 由于SMA-13路面集料裹附较厚沥青胶浆，导致其初始抗滑性能不如GAC-16路面。

(2) SMA-13与GAC-16路面在承受车辆荷载作用后，集料表面胶浆附着物磨损，抗滑性能得到提高，其中SMA-13路面横向力系数提高幅度可达49%，GAC-16路面横向力系数提高幅度相对较小。

(3) SMA-13路面抗滑耐久性主要由表面集料与轮胎的咬合作用形成，施工过程中通过增加反击破碎比例，减少集料整形比例，提高集料的棱角性与表面粗糙度。GAC-16路面抗滑耐久性主要由表面构造深度形成，施工过程中应将级配曲线调为粗型，同时在碾压过程中降低胶轮碾压温度，尽量提高表面构造深度指标。

(4) SMA-13路面横向力系数在车辆荷载作用下将始终高于GAC-16路面，并且两者差值相对较稳定。SMA-13及GAC-16路面的公称最大粒径、级配、沥青用量等均存在明显差异，所展现的抗滑性能衰变规律也存在明显差异，不同阶段的抗滑性能不具有直接比较的基础。此外，研究结论仅基于所选取的两个研究对象，对其他项目的适用性需具体分析。