高速公路瀝青路面抗滑性能研究

林愛(ài)萍

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007)

1 前言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)于交通運(yùn)輸?shù)男枨笠膊粩嘣龃螅?019 年我國(guó)高速公路的總里程已達(dá)到14.3 萬(wàn)公里高居世界第一位,大部分為瀝青路面。 瀝青路面作為一種柔性路面，能夠提供舒適的行車條件，具有快捷、安全且施工周期短、養(yǎng)護(hù)維修便捷等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

瀝青道路的抗滑性能主要是指：車輛在正常行駛情況下不發(fā)生側(cè)滑失控， 在停車制動(dòng)時(shí)路面能提供足夠的摩擦力。 瀝青路面的抗滑性能與道路行車的安全緊密相關(guān)。道路的性能是保障車輛安全行駛的首要因素，日益頻發(fā)的高速公路交通事故，因其嚴(yán)重的后果，導(dǎo)致了國(guó)家經(jīng)濟(jì)的損失，國(guó)民的人身安全也收到嚴(yán)重的威脅，同時(shí)也阻礙了我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展。 部分事故是由于高速公路路面未能為車輛輪胎提供足夠的摩擦作用力， 導(dǎo)致車輛失控引發(fā)側(cè)滑、側(cè)翻[1]-[4]。

本文從瀝青路面-輪胎摩擦機(jī)理出發(fā)探究路面與輪胎的受力行為，分析橫向力系數(shù)、擺值、摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度等抗滑性能指標(biāo)的相關(guān)性，研究不同標(biāo)號(hào)瀝青材料、混合料級(jí)配、油石比及集料品質(zhì)對(duì)路面的抗滑性能的影響，最后提出了提高瀝青路面的抗滑性能的措施， 可為我國(guó)高速公路抗滑針對(duì)性養(yǎng)護(hù)工作決策提供參考依據(jù)。

2 瀝青路面抗滑機(jī)理及指標(biāo)

2.1 瀝青路面抗滑性能研究機(jī)理

經(jīng)過(guò)英、美、法等發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)资甑难芯?，目前?guó)際上認(rèn)為影響瀝青路面的抗滑性能的因素主要包括橡膠輪胎與瀝青路面之間的分子相互作用， 包括了黏附力和滯后力。

正常行駛狀態(tài)下， 車輛行駛安全性主要取決于輪胎與路面間的附著特性， 附著作用的最基本要素是胎面橡膠與粗糙路面之間的摩擦因數(shù)， 該摩擦因數(shù)由于運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)的不同分為滾動(dòng)摩擦因數(shù)和滑動(dòng)摩擦因數(shù)。 車輛行駛過(guò)程的安全問(wèn)題一般出現(xiàn)在制動(dòng)過(guò)程， 輪胎與路面間的摩擦因數(shù)的大小受眾多的條件情況影響[5]。 輪胎－路面之間的摩擦作用包括： ①輪胎與路面間范德華力作用；②輪胎與路面間的黏附力；③胎面橡膠的彈性變形；④路面上小尺寸微凸體的微切削作用[6]-[7]。 摩擦力分力示意圖見圖1。

圖1 摩擦分力示意圖

圖中各符號(hào)含義：

Fa為黏附摩擦力； Fh為黏滯摩擦力；Fe為微切削作用產(chǎn)生的摩擦力；S 為輪胎與路面的接觸面積；σs為路面材料的屈服極限。

關(guān)于路面與橡膠輪胎之間摩擦在輪胎-路面附著機(jī)理方面，1962 年Kummer 等[8]就開展了相關(guān)研究，提出橡膠與路面的摩擦力主要來(lái)源于黏附力和滯后力。實(shí)際上，輪胎-路面接觸時(shí)由于胎面花紋塊和路面紋理的存在，導(dǎo)致胎面橡膠并未與路面完全接觸；同時(shí)，由于車輛荷載并不是均勻分布在接觸區(qū)域內(nèi)， 并且車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸面積發(fā)生變化， 最大摩擦因數(shù)可能在接觸區(qū)域的任何部分發(fā)生。 輪胎-路面接觸區(qū)域分為黏著域ln和滑動(dòng)域lb。 輪胎彈性滑轉(zhuǎn)示意見圖2，圖中：Fxn為在黏著域產(chǎn)生的靜摩擦力；Fxb為在滑動(dòng)域產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力；X 為輪胎接地印跡的長(zhǎng)度方向；fX為輪胎接地印跡的寬度方向。 此時(shí)，地面作用在輪胎上的力Rx小于整個(gè)輪胎滑動(dòng)時(shí)的摩擦力，即為Rx＜φxPz=fxn+fxb， 其中，Pz為輪胎上作用的法向荷載，φx為路面附著系數(shù)。

圖2 輪胎彈性滑轉(zhuǎn)示意圖

2.2 路面抗滑指標(biāo)

各個(gè)國(guó)家在應(yīng)用不同測(cè)試儀器得到了瀝青路面的實(shí)際數(shù)據(jù)，采用不同的抗滑性能指標(biāo)。以英國(guó)為代表的歐洲國(guó)家將橫向力系數(shù)作為瀝青路面的抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。澳大利亞則是采用橫向力系數(shù)和構(gòu)造深度評(píng)價(jià)路面抗滑性能。美國(guó)大多數(shù)地區(qū)采用車速、動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度的復(fù)合指標(biāo)法[9]。

我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范采用橫向力系數(shù)SFC 和構(gòu)造深度TD 評(píng)價(jià)路面抗滑性能。 橫向力系數(shù)SFC 能體現(xiàn)車輛發(fā)生側(cè)滑的概率，而且能夠不間斷的得出其數(shù)值，構(gòu)造深度一方面增加了路表的粗糙程度， 另一方面車輛在潮濕路面行駛時(shí)，構(gòu)造深度可排除道路表面積水，增加車輛行駛的安全性[10]。 利用動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀DFT 一次測(cè)試就可獲得摩擦系數(shù)隨速度變化的曲線， 摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)的速度采樣間隔為0.1km/h， 可靠的測(cè)試速度區(qū)間為0km/h～80km/h。 然而目前基于DFT 的路面抗滑性能評(píng)價(jià)，仍以某一速度對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)作為指標(biāo)(常以60km/h 對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)DFT60 為指標(biāo))。目前國(guó)內(nèi)外較為廣泛使用抗滑指標(biāo)見表1。

表1 國(guó)內(nèi)外常見抗滑指標(biāo)

2.3 路面抗滑指標(biāo)相關(guān)性分析

為研究橫向力系數(shù)SFC、擺值BPN、摩擦系數(shù)DFT、構(gòu)造深度TD 各指標(biāo)的相關(guān)性， 本文選取湄渝高速公路某標(biāo)段工程抗滑性能指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)， 分析各個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性，詳見表2。

選取測(cè)點(diǎn)輪跡帶處擺值BPN20 與橫向力系數(shù)SFC，分析二者的相關(guān)性，如圖3 所示。

上述分析結(jié)果可以得出，構(gòu)造深度TD 與80km/h 下摩擦系數(shù)DFT 不相關(guān)。

表2 各指標(biāo)系數(shù)的相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)小于0.3 不相關(guān)，0.3-0.5 弱相關(guān)，0.5-0.8中度相關(guān)，大于0.8 高度相關(guān)。

通過(guò)對(duì)抗滑指標(biāo)相關(guān)性分析，得出以下結(jié)論：

(1)橫向力系數(shù)SFC 與擺值BPN20、動(dòng)摩擦系數(shù)DFT存在很強(qiáng)的相關(guān)性，與構(gòu)造深度TD 無(wú)明顯關(guān)系。 橫向力系數(shù)SFC 表征了車輛側(cè)滑的危險(xiǎn)，檢測(cè)較為方便，在國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)道路抗滑性能中應(yīng)用廣泛。 本文的研究結(jié)果也能間接反映橫向力系數(shù)SFC 能從多角度評(píng)價(jià)道路的抗滑性能。

(2)構(gòu)造深度TD 與橫向力系數(shù)SFC 與擺值BPN20、動(dòng)摩擦系數(shù)DFT 不存在相關(guān)性。 主要由于構(gòu)造深度TD主要反映道路表面粗糙程度以及孔隙的平均深度及構(gòu)造的宏觀性能。

圖3 各指標(biāo)系數(shù)的相關(guān)性圖

(3)動(dòng)摩擦系數(shù)DFT 與橫向力系數(shù)SFC 以及擺值BPN20高度相關(guān)。 動(dòng)摩擦系數(shù)DFT 考慮了車速對(duì)于摩擦系數(shù)的影響，在日本作為評(píng)價(jià)道路抗滑能力的標(biāo)準(zhǔn)，在復(fù)合指標(biāo)評(píng)價(jià)中同樣有著重要的作用。

(4)擺值BPN20 與橫向力系數(shù)SFC 有著顯著的相關(guān)性，與動(dòng)摩擦系數(shù)DFT 高度相關(guān)，與構(gòu)造深度TD 不存在相關(guān)性。

3 路面抗滑影響因素分析

3.1 瀝青影響因素分析

路表混合料在高頻次的交通荷載及超載作用下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)瀝青老化的現(xiàn)象，通過(guò)路面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，表觀抗滑指標(biāo)較差的路段，路面瀝青同時(shí)存在顯著老化。根據(jù)道路工程所在地的溫度氣候條件及降雨情況選擇合理的瀝青標(biāo)號(hào)，在低溫寒冷地區(qū)選擇較高的瀝青標(biāo)號(hào)，反之高溫炎熱地帶選用低標(biāo)號(hào)瀝青[11]。 并且，需要嚴(yán)格控制瀝青用量，瀝青用量過(guò)大容易出現(xiàn)泛油、 夏季瀝青膨脹能將集料擠開，出現(xiàn)這些情況都能降低瀝青路面的宏觀、微觀構(gòu)造，從而降低瀝青路面的抗滑性能。

3.2 油石比影響因素分析

在瀝青路面施工中， 膠結(jié)料瀝青與集料的用量比值被稱為油石比， 油石比的數(shù)值通過(guò)試驗(yàn)以及施工經(jīng)驗(yàn)確定。 當(dāng)膠結(jié)料較少時(shí)，瀝青不足導(dǎo)致集料剝落，在一定程度上影響瀝青路用性能，對(duì)車輛行駛的穩(wěn)定性造成影響。當(dāng)表層的瀝青膠結(jié)料適當(dāng)時(shí)， 對(duì)抗滑性能及其耐久性有一定提高。當(dāng)膠結(jié)料過(guò)多時(shí)，瀝青會(huì)在礦料間形成一層潤(rùn)滑層，使礦料推移，影響混合料強(qiáng)度，同時(shí)過(guò)高的油石比會(huì)降低輪胎與路面的附著系數(shù)。

3.3 集料品質(zhì)影響分析

集料對(duì)于瀝青混合料的路用性能占有著主導(dǎo)作用，通常情況下，集料的質(zhì)量占混合料總質(zhì)量的80%以上，粗集料作為骨架，承擔(dān)著路面荷載，同時(shí)，裸露在表面的粗集料是路面的構(gòu)造深度重要來(lái)源， 對(duì)瀝青路面的抗滑能力有著重要影響， 而集料的磨光值是瀝青路面微觀構(gòu)造的重要參數(shù)， 在車輛行進(jìn)的過(guò)程中瀝青路面的表面粗糙程度是控制汽車制動(dòng)的首要的條件， 當(dāng)路面磨光值小于35 時(shí)，道路交通事故率顯著上升，當(dāng)路面磨光值大于42時(shí)則事故發(fā)生的情況較少[12]。

3.4 污染物影響因素分析

在車輛行駛過(guò)程中，砂子、水泥、機(jī)油等污染物撒落是不可避免的，極大的影響了路面的抗滑性能[13]。

由于砂粒的存在， 砂粒在輪胎與路面表層之間形成一個(gè)滾動(dòng)介質(zhì)，導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。當(dāng)路面的表層構(gòu)造已經(jīng)被水泥、機(jī)油填充時(shí)，橡膠塊和路面之間已經(jīng)沒(méi)有路面表層構(gòu)造形成的粗糙的紋理， 導(dǎo)致BPN 擺值顯著降低；路面水膜對(duì)路面抗滑能力有衰減性影響， 隨水膜厚度增加，抗滑性能逐漸減弱，但當(dāng)水膜厚度達(dá)到一定值，抗滑性能會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，抗滑性能也基本會(huì)保持不變。

4 瀝青路面抗滑措施

為保證路面結(jié)構(gòu)具有足夠的抗滑性能， 可分別從結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)、原材料選取、施工工藝與養(yǎng)護(hù)技術(shù)等方面展開預(yù)防措施。

4.1 選用合理的表層混合料

常用的抗滑表層及特點(diǎn)見表3。

表3 常見防滑層及特點(diǎn)

4.2 機(jī)械施工及養(yǎng)護(hù)措施

保證路面工程施工質(zhì)量直接決定著路面抗滑性能的好壞。 在道路工程基層在建設(shè)時(shí)，應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)要求：將混合料的最大公稱粒徑控制在26.5mm 之間， 且將混合料中孔隙率在14%～19%之間，在此情況下，進(jìn)入瀝青混合料基層內(nèi)的水分能夠順利排出， 確保了基層的干燥性。 在路面鋪設(shè)時(shí)可以加入少量拌石用以提高路面粗糙度，瀝青碾壓完成后，可嵌入石屑使其形成一層防滑封面層，以此提高道路防滑性能。

路面使用過(guò)程中的養(yǎng)護(hù)也同樣至關(guān)重要。 在路面出現(xiàn)小損傷的情況下，可以采取以下措施養(yǎng)護(hù)：將損壞的路面結(jié)構(gòu)層采用機(jī)械銑刨后，清理干凈，按路面工藝進(jìn)行修補(bǔ)。 在路面出現(xiàn)大裂縫的情況下，檢測(cè)路面裂縫的深度、寬度進(jìn)行，并從裂縫深處開始進(jìn)行填補(bǔ)，將灌縫膠等材料填充到整個(gè)裂縫內(nèi)，使路面重新連接為整體，保證路面的整體性。

4.3 合理選擇瀝青材料及礦質(zhì)骨料

在修建新的高速公路瀝青路面時(shí)， 根據(jù)工程所在地的氣候條件及降雨情況選擇相應(yīng)標(biāo)號(hào)的瀝青。 瀝青的油石比是保證瀝青路面抗滑性能的另一重要因素。 通過(guò)在設(shè)計(jì)和施工中嚴(yán)格規(guī)定并控制油石比， 確保瀝青的用量既能涂覆集料的表面，將其粘住，而又不致溢出，在瀝青混凝土表面形成光面。

在瀝青路面施工中， 需采用堅(jiān)硬棱角性好的礦質(zhì)骨料，提高路面的耐磨性，使路面能夠在車輛制動(dòng)時(shí)提供足夠的摩擦力。 使用開式級(jí)配，并對(duì)細(xì)料用量合理控制，提升表面構(gòu)造，保證潮濕路面下行車的安全性。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)抗滑指標(biāo)相關(guān)性分析得出：橫向力系數(shù)SFC 與擺值BPN20、 動(dòng)摩擦系數(shù)DFT 存在很強(qiáng)的相關(guān)性；構(gòu)造深度TD 與擺值BPN20、動(dòng)摩擦系數(shù)DFT 不存在相關(guān)性。

(2)集料級(jí)配對(duì)抗滑性能影響從宏觀方面體現(xiàn)，優(yōu)良的集料級(jí)配可以提供更好的宏觀結(jié)構(gòu)、合理的構(gòu)造深度，有助于路面和輪胎間的嵌擠效果， 可以提供更大的摩擦力，提高路面的抗滑性能。因此施工單位在施工前應(yīng)將配比試驗(yàn)送有資質(zhì)單位進(jìn)行，獲得最佳級(jí)配，保證路面的最佳抗滑性能。

(3)砂子、水泥、水、機(jī)油等路面污染物對(duì)路面抗滑性能影響顯著，機(jī)油、砂子對(duì)路面抗滑性能影響程度高于水及水泥對(duì)路面抗滑性能的影響。 因此在日常養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，養(yǎng)護(hù)單位應(yīng)及時(shí)清理路面污染。 另一方面，路政部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)運(yùn)砂車輛、運(yùn)土車輛的監(jiān)督管理，嚴(yán)禁飄灑雜物。