沥青路面抗滑性能研究现状

2018-11-20 15:43:38 中城华宇
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摘要:文中从沥青路面抗滑性能的定义出发,回顾近年来研究学者对沥青路面抗滑性能所做的研究工作,总结沥青路面抗滑性能的评价方法与指标,对沥青路面的抗滑性能进行机理分析,归纳沥青路面抗滑性能的影响因素,并阐述沥青路面抗滑性能的衰变规律,为沥青路面抗滑性能做进一步研究发展提供一个参考和依据。

 

关键词:沥青路面;抗滑性能;构造深度;影响因素;衰变规律

 

随着我国高速公路的迅猛发展,运输需求大幅增长,车流量逐年增加,同时随着现代汽车的行车速度不断得到提高,高速公路上汽车的实际行驶速度越来越快,导致交通事故频频发生。众所周知,目前新建高速公路基本都是选用沥青路面,而行车安全与沥青路面的抗滑性能息息相关,沥青路面抗滑性能的缺陷会导致车辆在路面上发生滑移或者紧急刹车制动距离过长而引起交通事故,如何选用合理的评价指标来表征路面的抗滑性能则显得尤为关键。目前,我国对沥青路面抗滑性能的评价体系还有待进一步的完善,有关公路建设部门也愈发重视对路面抗滑性能的研究。近年来,越来越多的研究学者对沥青路面抗滑性能进行了深入的研究,包括对路面抗滑性能评价方法与指标、抗滑机理、抗滑性能影响因素以及抗滑性能衰变规律的研究,致力于建立一个系统、客观、科学的评价体系来保证沥青路面的抗滑性能,最大程度提高车辆在沥青路面行驶的安全性。

 

车辆行驶的安全性受主观因素和客观因素影响。主观因素主要包括驾驶员个人因素,客观因素则包括车辆、路面、环境等,但路面的抗滑性能却直接、密切影响着行车安全。沥青路面抗滑性能不仅与铺设路面的集料种类、沥青种类、车辆因素等有关,还与环境因素息息相关。研究表明,雨天路表面横向力系数平均值比干燥路面减少46%,引起的交通事故概率将提高400%。总之,沥青路面抗滑性能与现代交通的安全性紧密联系,需要进一步完善当前国内沥青路面抗滑性能评价指标以及验收规范,进一步完善检测方法,提高检测设备的精确性和自动化,尽可能降低交通事故率,保证沥青路面在设计、施工、养护等环节都必须具有较高的抗滑性能。

 

沥青路面抗滑性能评价方法与指标

 

国内外研究概况在

 

早期公路的发展过程,对路面抗滑性能的探讨并未得到足够的重视。随着行车速度的提高,因路面抗滑性能的缺陷而引起的交通事故逐渐增加,人们才着手研究如何改善路面抗滑性能的问题。国内外学者对此开展了大量研究。1927年,英国就开始对路面抗滑进行研究,发现在潮湿路面上发生的交通事故与路面滑溜程度有关。1955年,英国顺利研发出摆式摩擦系数测定仪,并于1957年提出首个路面抗滑标准。1959年,美国弗吉尼亚州召开首届国际抗滑讨论会,本次会议在国际上开启了对路面抗滑性能研究的新篇章。1968年,以“潮湿状态下公路的抗滑性能与交通安全”为主题的国际研讨会在柏林技术大学举行,重点考虑了潮湿等外界因素对路面抗滑性能的影响。1977年,在美国俄亥俄州召开了第二届国际抗滑讨论会,通过这次会议,更加全面考虑了路表面各个特性对路面抗滑性能的影响,包括路面构造等。近年来,国际上对路面抗滑性能的研究投入了大量精力并取得了一定的成果。

 

我国在20世纪60年代开始对路面的抗滑性能进行研究,并于1980年自行研发出摆式摩擦系数测定仪。在“七五”期间确立了国家项目“高等级公路半刚性基层沥青路面结构设计和抗滑表层”,开始颁布国家高等级公路的抗滑标准。

 

路面抗滑性能的评价指标与方法

 

路面的抗滑性能是指,车辆轮胎受到制动时在路表面上出现打滑所承受的路面对它的摩擦阻力,可采用抗滑系数作为评价指标。根据我国《公路沥青路面设计规范》,采用横向力系数、动态摩擦系数、构造深度来表征路面的抗滑性能,对应的测试方法分别为横向力系数SFC60、动态摩擦系数DFT仪、铺砂法或激光法。通过横向力系数测试车在60km/h的速度下测得的横向力系数SFC60与通过铺砂法或激光法测得的构造深度TC作为评价高速公路和一级公路沥青路面抗滑性能的主要指标,也可用动态摩擦系数测试仪DFT或摆式摩擦系数测定仪测量横向力系数。二级公路可参照执行。

 

在实际工程中,大都采用摆式摩擦仪来测定摆值,采用摩擦系数测定车来测定横向力系数,以及用铺砂法或者激光构造深度仪测定法来测定沥青路面构造深度,以此来检验沥青路面抗滑性能是否满足规范要求。近年来,研究学者通过大量试验也提出了一些表征沥青路面抗滑性能的新指标,笔者对近年来的新老指标进行了梳理。

 

摆值。用摆式摩擦系数测定仪测定路面在潮湿条件下的摩擦系数表征值,要求每200m测一处,每个测点用5次测定读数的平均值代表测点的摆值,测定的读数除以100,即为路面的摩擦系数。摩擦系数可用来评价当车辆低速行驶时路面的抗滑特性,其值与矿料种类、形状、级配等因素有关。陈先华等引入迟滞分量和黏附分量来表征路面摩擦系数。两个分量均与行车速度有关,前者适用于评价低速干燥的沥青路面抗滑性能,后者适用于评价高速或者潮湿的沥青路面抗滑性能。

 

横向力系数。横向力系数,即横向力与竖向力的比值SFC。用横向力系数测试车在60km/h车速下测得横向力系数SFC60,要求在路面保持潮湿的状态下进行全线连续测定。

 

动态摩擦系数。动态摩擦系数,即动荷载作用下沥青路面表面的滑动摩擦力与正压力的比值。用动态摩擦系数测试仪在速度为60km/h时测得的摩擦系数作为标准测定值DFT60。

 

纵向摩擦系数。路面抗滑性能可以进一步细分为纵向抗滑性能与横向抗滑性能,并用横向摩擦系数和纵向摩擦系数分别作为其表征量。纵向摩擦系数决定着车辆的紧急制动距离,与行车安全紧密联系。邵春梅通过研究纵向摩擦系数和横向摩擦系数的关系,表明纵向摩擦系数也可以很好地用来评价路面抗滑性能。钟燕辉等用路面纵向摩擦系数检测车Griptester对路面纵向抗滑性能进行了试验研究,表明了纵向摩擦系数随行车速度或者水膜厚度的增加而减小的规律,且其下降的速率与路面的构造值有关。但由于纵向摩擦系数检测车必须在一定长度的路段才能测得数据,而实际工程如果在现场临时铺设试验路段来进行试验,必然造成材料的大量浪费,故俞方英等对通过试验获得的纵向摩擦系数值、构造深度值、摆值运用回归分析,建立了3者之间的联系。研究结果表明:纵向摩擦系数、摆值、构造深度值具有相关性很好的线性关系。

 

构造深度。路表面的构造深度,也称纹理深度,指一定面积的路表面凹凸不平的开口空隙的平均深度,是路面粗糙度的重要指标,用于评价路表面形貌的粗糙程度、排水性能及抗滑性能。在一定压实能基础上,构造深度与集料组成情况有良好的相关性,颗粒均匀分布的矿料可以增加路面的宏观构造深度。

 

沥青路面抗滑性能主要受路面表面构造影响,可分为宏观构造和微观构造。宏观构造是指路表面集料颗粒之间的构造纹理,可用铺砂法或激光构造深度仪测定法测定路面的宏观构造;微观构造主要指粗集料表面的微观纹理,与集料的磨光值有关。微观构造随磨光值的增大而增大。

 

沥青路面表面抗滑层同时拥有良好的宏观构造和微观构造,是沥青路面具备良好抗滑性能的基础。通过研究表明,路面纹理特征与路面抗滑性能具有密切的联系,与行车安全息息相关。研究学者通过试验表明,微观构造主要影响低速且干燥时的沥青路面抗滑性能,宏观构造主要影响高速或者路面潮湿时的沥青路面抗滑性能。

 

张舒等通过试验论证了沥青路面构造深度与空隙率呈良好的正相关关系。黄云勇等通过测定不同级配的沥青混合料在各自对应空隙率条件下车辙试件的构造深度值、摆值,探讨并分析了沥青路面抗滑性能与集料空隙率之间的关系及抗滑性能的影响因素,阐述了粗集料表面纹理决定微观构造与矿料级配和集料公称最大粒径决定宏观构造的观点。刘福明等通过借鉴美国Superpave沥青混合料体积设计法,从集料的种类选择上、集料的级配等方面作为切入点,得出了摩擦系数随矿料级配最大粒径的增大而增大的结论,但矿料级配最大粒径却不能明显改变构造深度。

 

杨军等从干燥路面和潮湿路面两个方面,提出构造深度对抗滑性能的影响机理。其中对干燥路面而言,路面宏观构造深度可以通过影响橡胶轮胎的弹性变形量从而产生弹性变形摩擦力,还包括橡胶胎面由于弹性变形滞后效应造成能量损耗;对潮湿路面而言,宏观构造深度有利于将路表积水有效排除。

 

附着系数。杨军等针对大多数研究只通过试验来分析沥青路面抗滑性能的现状,采用数值模拟的方法,通过建立车辆轮胎在潮湿路面上的高速行驶模型,引入包含静摩擦系数和动摩擦系数的附着系数作为抗滑指标,分析沥青路面在路面、车辆、环境综合作用下的抗滑性能。研究表明:附着系数随潮湿路面水膜厚度、行车速度或轮胎胎压的增加而减小,随轮胎荷载或构造深度的增加而增大,但过大的构造深度并不能显著地提高附着系数。

 

分形维数与粗糙度。沥青路面测得的摆值和构造深度,单独选用两者任一参数并不能完全表征沥青路面抗滑性能。由于沥青路面微观纹理本身精细且不规则的结构呈现出的某种形式的自相似性,许多研究学者纷纷引入分形理论来量化沥青路面微观纹理。张令刚等运用图像处理技术,将沥青路面表面的凹凸不平以灰度值的差异在灰度图上体现出来,通过建立一个结合了分形维数D、尺度系数C的粗糙度函数δ*来描述路表面形貌的粗糙程度和复杂的纹理构造。

 

冉茂平等则是在获取沥青路面三维微观形貌的前提下,使用改善后的立方体覆盖法,对沥青路面杂乱的三维曲面进行覆盖,从而计算路表微观构造的三维分形维数,优于之前大多数基于二维分形时对沥青路面微观纹理的分析计算,并提出分形维数D与摩擦系数F成正相关关系,而分形维数可以表征沥青路面的微观构造丰富程度。

 

童申家等通过建立路表纹理尺寸分布的半变异模型来描述沥青路面在纵向和横向的纹理分布特征,探讨路面纹理分形特征与沥青混合料材料本身分形结构的关系,对AC-13、AC-16的路面构造深度值、摆值和路面纹理分形维数进行拟合并作回归分析,量化了路面纹理分形维数对沥青路面抗滑性能的评价,验证了路面纹理分形维数D作为抗滑性能指标的科学性。

 

国际摩阻指数。车辆在制动过程中轮胎与路面的摩擦系数并非一个常数,而是与车辆滑移速度有关,因此不可用一个固定的摩擦系数去表征路面的抗滑性能。1992年,世界道路协会为将不同抗滑测试设备的测试结果统一到一个共同标准上,在比利时和西班牙进行了大规模的路面抗滑性能检测设备的对比与协调试验,论证了不同抗滑测试设备可以用不同的测试速度去测量路面摩擦系数。

 

国际摩阻指数IFI包括标准速度的摩阻数F60和速度常数Sp两个参数,前者表征路面的微观构造,其值越大,微观构造越好;后者表征路面的宏观构造,其值越大,宏观构造越好。国际摩阻指数目前已经被多数国家认可并采用。刘洪辉也结合现场测试的数据,得到标准摩阻数F60和SFC的计算结果相当接近的结论,从而验证了PIARC模型对于评价路面抗滑性能的合理性,并提出国际摩阻指数IFI在我国使用的可行性。

 

沥青路面抗滑机理分析

 

车辆能够前行离不开轮胎与路面的摩擦力和附着力。一方面,当车辆在驱动力作用下向前行驶时,若轮胎与路面的附着力很差,只会造成轮胎的打滑,车轮无法向前滚动;另一方面,当车辆处于紧急制动状态时,若轮胎与路面的附着性能存在缺陷,车辆的制动距离会随之大大增加,容易引起交通事故。因此,对沥青路面的抗滑机理进行分析,也即分析轮胎与沥青路面的摩擦机理,对评价沥青路面抗滑性能具有重要的意义。

 

摩擦学作为摩擦学的一个部分,主要研究轮胎与路面相对运动或存在相对运动趋势所发生在两者接触面上的摩擦、磨损和润滑。直到20世纪30年代后期,固体摩擦理论的提出,进一步合理解释了摩擦形成的机理。而轮胎所采用的橡胶材料是一种低弹性模量的黏弹性材料,由于该材料自身的内摩擦作用,使得轮胎受到的摩擦力与接触面积呈非线性关系,其摩擦特性具有特殊性,轮胎摩擦系数既可以在干燥路面上超过1.0、也可以在潮湿路面上低于0.4,在冰雪路面上甚至可以超过2.0、也可以接近于0.05。

 

轮胎与路面间的范德华力作用

 

大量的试验表明,当两物体表面距离非常靠近时,两者表面间产生不容忽视的分子引力,也称为范德华力,其对轮胎与路面的摩擦力具有一定贡献。显而易见,两物体表面间的范德华力大小与轮胎与路面的材料性质密切相关,因此两物体表面间摩擦力同样受制于轮胎与路面的材料性质。此外,轮胎与路面间的摩擦力还与两物体实际接触的面积以及诸如路面灰尘、污染、潮湿程度等有关。

 

轮胎与路面间的黏着作用

 

当轮胎与路面间紧密接触时,二者间会发生黏着作用。通过进行轮胎与路面的摩擦试验后,既可以在胎面发现路面材料微小颗粒,也可以在路表面观察到轮胎橡胶材料的微小颗粒,这也证明了黏着作用确实存在于轮胎与路面间。简单来说,轮胎与路面间存在的黏着作用就是轮胎橡胶材料分子与路面不断进行黏合、断裂,使橡胶材料分子产生伸展与收缩,进而造成能量损失的现象。而轮胎滚动时需要克服的因黏着作用产生的摩擦力,即切断轮胎与路面间的黏着点所需的力,称为摩擦力的黏着分量。王野平指出,上述摩擦力的黏着分量主要与轮胎-路面实际接触面积、轮胎和路面的材料性质、路面状态、正压力有关。

 

胎面橡胶的弹性变形

 

橡胶作为一种低弹性模量的黏弹性材料,具有相当好的弹性。由于较大的路面构造和较深的胎面花纹的影响,轮胎在与路面接触时会频频不断地发生较大弹性变形,同时又反复地恢复弹性变形。又由于黏弹滞后效应,恢复的弹性变形总小于产生的弹性变形,恢复弹性变形的力也总小于产生弹性变形的力。这种产生弹性和恢复弹性的力,两者的合力是构成摩擦力的一部分。而轮胎产生弹性变形所做的功与其恢复弹性变形所做的功的差值,可以理解为轮胎各组成部分间的相互摩擦以热能的形式传至大气中,这种损失称为迟滞损失。在相同荷载作用的前提下,不同胎面花纹的轮胎会产生不同的摩擦力,正是因为不同胎面花纹会引起轮胎不同的弹性变形,从而引起摩擦力的大小不同。这种摩擦力主要与胎面花纹类型、花纹深度以及路面构造深度有关。

 

路面上小尺寸微凸体的微切削作用轮胎在荷载作用

 

下与路面上的小尺寸微凸体相互接触,微凸体容易导致胎面在其局部位置出现应力集中现象。当较大的集中应力大于橡胶材料的断裂强度时,微凸体将对胎面局部产生微切削作用。这种作用类似于金属摩擦学中的犁沟作用。微凸体对胎面局部进行微切削时所受到胎面的阻力,也是属于轮胎与路面摩擦力的一部分。利用扫描电子显微镜,对诸多进行过摩擦试验的轮胎表面进行观察,也进一步证实了微凸体对轮胎胎面的微切削作用。研究发现,因路面微凸体的微切削作用而产生的摩擦力与路面和轮胎的材料性质,以及微凸体的密集程度、大小及分布规律有关。

 

沥青路面抗滑性能影响因素

 

影响沥青路面抗滑性能的因素多种多样,可以简单地归结为路面因素、车辆因素和环境因素。路面因素主要包括路表面层矿料的种类、级配、规格,以及沥青的性质和用量等;车辆因素主要包括行车速度、车辆轮胎花纹、轮胎与路面接触面积,轮胎胎压等;环境因素主要包括雨季使路表面长期处于潮湿状态,以及诸如酸雨或风砂带来的路面污染。研究表明,新建沥青路面在行车荷载等外力作用以及周围环境等影响下造成的路表磨损、磨光以及集料空隙率的迅速减小,将导致路面抗滑性能随使用时间的增长而衰减。这是路面、车辆、周围环境等因素的综合作用结果。

 

路面因素

 

矿料级配的影响。沥青混凝土是一种由具有一定级配的粗集料、细集料、填充料与沥青材料,以一定比例组成的黏弹性复合材料,合理的矿料级配可以保证集料颗粒间的咬合力和内摩阻力,在保证沥青路面具有一定强度的同时,使沥青路面在车辆荷载作用下可以保持原有的空隙率。由于沥青路面构造深度与空隙率呈良好的正相关关系,从而保证沥青路面原有的宏观构造深度。较好的宏观构造可以提高车辆高速行驶或者路面潮湿时的沥青路面抗滑性能,确保沥青路面的抗滑性能不随车辆荷载的不断作用而下降。

 

张宜洛等通过试验分析对比OGFC、SMA、AK-16A的抗滑性能,并得出OGFC的抗滑性能最好,SMA次之,但OGFC的耐疲劳性能差,AK-16型沥青混合料各项性能表现也较为一般。柳和气等指出,SMA作为一种间断级配沥青混合料,其本身具有较好的高温抗车辙性、水稳定性、耐久性以及较好的构造深度,故推荐采用SMA路面。刘红兵等也对沥青路面抗滑性能进行试验研究并得出间断级配的沥青路面抗滑性能优于连续级配。早期的沥青路面抗滑层混合料通常采用AK型或AC-16,其良好的抗滑性能在一定程度上也得到了验证。但实际工程中,施工工艺难以保证具有一定厚度的磨耗层的均匀性,容易发生离析的现象,局部可能下沉。所以近年来AC-13C型沥青混合料逐步得到应用,也较好解决了沥青路面早期水损害的问题,但抗滑性能的衰减却很快。故李智等基于CAVF法和间断级配设计理论设计出一种新型级配———断级配AC-13,较好克服了AC-13C型沥青混合料的缺点,并用搓揉试验机以及激光构造测试仪验证了该级配类型的合理性和适用性。章佩佳等则通过对连续级配AC-13C、间断分配SMA-13和改进型级配GAC-13C等3种级配类型在室内进行加速加载试验,得出了SMA-13的抗滑性能衰减速率最小,经过100万次轴载作用后的构造深度最大,经过100~200万次轴载趋于稳定的摆值也最大,这表明SMA-13具有很好的抗滑性能。

 

集料种类、规格的影响。宏观构造主要指路表面集料颗粒之间的构造纹理,微观构造主要指粗集料表面的微观纹理。沥青路面表面抗滑层同时拥有良好的宏观构造和微观构造,是沥青路面良好抗滑性能的基础。集料的种类关系着粗集料表面微观纹理,主要影响低速时的沥青路面抗滑性能,而集料的规格影响着路面的宏观构造深度,主要影响高速或者路面潮湿时的沥青路面抗滑性能。

 

柳和气等通过对沥青路面抗滑技术的研究,提出矿料规格影响路面的宏观构造深度的观点,并指出砂岩、玄武岩、安山岩、花岗岩等优质石料具有较好的抗滑性、抗磨耗性以及抗冲击性。

 

沥青的性质及用量的影响。沥青作为一种有机胶凝材料,具有黏结性、隔热性,以及防水、防渗等性能。其在沥青混合料中主要与细集料、矿粉形成胶结料,从而促进集料间的黏结,保证沥青混合料的强度稳定性。这对沥青路面的抗滑性能有着重要的影响。

 

王永平等总结认为,沥青的种类、用量以及沥青针入度等因素对路面抗滑性能有一定的影响。随着沥青用量的增加,抗滑性能逐渐降低,较大的沥青针入度会使沥青路面在夏季高温时产生泛油现象。泛油的结果是自由沥青对路面粗集料表面微观纹理的填充,从而降低了路面的微观构造深度,影响路面抗滑性能。

 

车辆因素

 

行车速度的影响。路面的抗滑性能与行车速度关系密切。在车速较低且路面干燥时,路面微观构造对沥青路面抗滑性能起到了关键作用;而当车速较高时或者路面潮湿时,路面宏观构造对沥青路面抗滑性能的贡献率更高。当车辆静止在干燥路面上时,轮胎的变形部分与沥青路面凹凸不平部分的贴合最完全,表现为摩擦力的最大化。显然行车速度提高的同时,这种贴合面积会有小量的减少,路面对轮胎的摩擦力就随之有小幅度的下降。杨军等通过数值模拟量化分析了不同行车速度对轮胎与路面间附着系数的影响,得出附着系数随行车速度的增加而缓慢下降并最终趋于稳定的结论,并进一步分析了潮湿路面不同水膜厚度对附着系数的影响程度。其通过FLUENT软件计算水膜对轮胎的动水压力影响后认为,行车速度越高,动水压力越大,轮胎受到动水压力而逐渐被抬升,减少了轮胎与路面的接触面积,从而减小轮胎与路面间的附着力,解释了潮湿路面上附着系数随车速的增加而迅速下降的原因。

 

轮胎的影响(1)轮胎类型的影响。当前应用最广泛的轮胎类型有斜交线轮胎、子午线轮胎、带束斜交线轮胎3种。由于轮胎各自结构的差异,轮胎在滚动时受到路面的摩擦力也不尽相同。斜交线轮胎和子午线轮胎最基本的差别在于胎体帘线排列方向的区别,前者胎体通常为具有多层挂胶帘线且斜线交叉排列的帘布层结构,后者胎体则为并排缠绕帘布层结构。当子午线轮胎在滚动时,轮胎本身具有较大的刚度而使其在滚动过程中引起的弹性形变相对较小,从而受到的滚动阻力也较小。且子午线轮胎滚动时与路面不会产生揩拭运动,与路面可产生较大的有效摩擦力。而当斜交线轮胎滚动时,由于其自身结构的特点而产生挠曲变形,并产生较大的弹性形变,加之橡胶具有弹性滞后的特点,会使轮胎受到较大的滚动阻力,同时轮胎与路面会产生一种揩拭运动,进而减少轮胎与路面间的有效摩擦力。带束斜交线轮胎作为斜交线轮胎向子午线轮胎过渡的中间产物,其帘线排列类似于子午线轮胎,生产方式又类似于斜交线轮胎,轮胎摩擦特性介于子午线轮胎和斜交线轮胎之间。

 

(2)轮胎花纹的影响。轮胎花纹与轮胎的抓地力、抗滑水特性以及行驶稳定性密切相关。轮胎花纹的影响包括花纹种类、深度和密度系数。胎面花纹可分为横向花纹、纵向花纹、块状花纹3类。横向花纹因其横向连续而纵向除中间部分以外均是间断的特点,具有较好的纵向抗滑性能;纵向花纹因其纵向连续而横向间断的特点,具有较好的横向抗滑性能;块状花纹其横向与竖向抗滑能力相差无几,适用于雪地、沙地以及一些软路面。试验表明,轮胎花纹深度也影响着沥青路面的抗滑性能。轮胎花纹深度越大,滚动时将引起更大的弹性变形,又由于橡胶自身弹性滞后的特性从而形成更大的滚动摩擦阻力;若花纹深度太浅,则不利于轮胎在潮湿路面上滚动时的排水过程,容易发生滑水现象。由于花纹密度系数越大,轮胎与路面的接触面积也越大,故轮胎与路面的附着能力也随之增大。但对于固定的花纹深度,一味增加花纹密度系数将导致轮胎贮水、排水能力下降,从而影响抗滑性能。

 

(3)轮胎胎压、磨损以及材料的影响。众所周知,胎压较低,轮胎在滚动过程中与路面的接触面积会较大,从而提高轮胎与路面的摩擦力。但同时低胎压的轮胎在滚动过程中会产生较大的弹性变形,由于橡胶弹性滞后的特性会造成轮胎受到较大的滚动阻力。而胎压越高,滚动阻力越小,抗滑能力也随之减小。

 

胎面磨损会降低胎面花纹的排水和贮水能力,从而使抗滑性能下降。此外,胎面磨损还会通过增加切向刚度来改变轮胎与路面的摩擦力方向,从而降低有效摩擦力。

 

研究学者还针对胎面材料对轮胎与路面摩擦力的影响做了大量试验。彭旭东等总结出,渗油橡胶和天然橡胶制造的轮胎胎面在冰雪路面上的抗滑性能要优于丁苯橡胶胎面,并且在制造胎面时适当添加一些化合物,如在天然橡胶胎面添加硅酸盐,可改善胎面对路面的抓地力。

 

环境因素

 

雨季时,由于潮湿路表面覆盖一层有一定厚度的水膜,水膜的存在一定程度上降低了轮胎与路面间的附着系数,当汽车行驶在潮湿路面上,容易发生滑移,交通安全得不到保障。水膜厚度越大,附着系数越小,抗滑性能越差,需要有一定的构造深度及时地将路面积水排除。杨建等通过ABAQUS建立轮胎滑水分析模型,分析轮胎发生的滑水现象:当汽车行驶在潮湿路面甚至是积水路面上轮胎花纹沟内的积水无法及时排出时,轮胎受到逐渐增加的向上的动水压力而使其与路面的附着力逐渐减小,直到动水压力大到等于轮胎荷载时,轮胎即发生滑水。

 

酸雨对沥青路面抗滑性能也有一定的影响。周兴林等采用周期浸泡法与喷淋法,以石灰岩沥青混合料为对象,对其进行泡酸试验与室内抗滑试验,量化了酸雨环境对沥青路面抗滑性能的影响程度,得出沥青混合料抗滑水平在酸环境下可下降5%~10%的结论。

 

路面污染在一定程度上也影响着路面抗滑性能。路面周边的砂土受风吹动会落在路表面上,尤其在雨天,砂土受潮容易形成一层润滑膜,从而降低路面的摩擦系数。若汽车在高速公路上发生柴油泄露,过往的车辆会迅速将柴油污渍拓宽延长,形成更大的污染面积。研究表明,柴油具有强腐蚀性、较快的渗透速度,容易导致坑槽病害,同时造成沥青路面抗滑性能的下降。

 

沥青路面抗滑性能与温度变化也有关。夏季时路表部分沥青软化,在车辆荷载作用下,部分沥青会填充粗集料表面的微观构造,导致抗滑性能的下降。冬季时沥青硬度最大,受这方面影响最小,抗滑性能较好。

 

沥青路面抗滑性能衰变规律

 

近年来,由于我国高等级公路上行驶的汽车超重超载现象日趋严重,而高等级公路多采用沥青混凝土路面,因此造成沥青路面表面层的抗滑性能衰减速度很快,严重影响沥青路面的抗滑性能,大大降低了行车安全性。大量研究表明,沥青路面的初期抗滑性能都较高,但其抗滑性能在通车一到两年内下降速度很快,之后会缓慢下降直至趋于一个稳定水平。谭巍通过室内加速磨光试验得出,路面抗滑指标摆值与构造深度随着轮载作用次数增加呈现先急后缓并最终趋于稳定值的衰减规律。张智慧等通过对实际路段抗滑指标的跟踪检测,得到了同样的沥青路面抗滑性能衰变规律。我们知道,一旦在路面使用年限内抗滑指标衰减终值无法满足汽车安全行驶的要求时,极易造成交通事故。评价沥青路面抗滑性能衰变规律主要考虑衰变速率以及衰变稳定值。为了使沥青路面能够在设计使用年限内长期保持一定的抗滑性能,或减缓抗滑性能的衰变速率,使其在使用年限内的衰变终值仍然可以维持在规范要求之内,研究学者对此进行了大量的研究。

 

沥青路面抗滑性能衰变模型的构建

 

(1)摩擦系数模型。通过研究沥青路面摩擦系数与轮载应力、行车速度的关系。

 

从摩擦系数模型可以看出,沥青路面摩擦系数随着行车速度V和轮载应力P的增加而下降。该模型也反映了,沥青路面使用初期由于构造深度值h减少较快,而引起沥青路面摩擦系数在初期迅速减小的衰减规律。

 

(2)Asymptotic模型。杨荣尚等和孙洪利均通过对不同级配类型的沥青混合料抗滑性能的衰减曲线的拟合,提出抗滑指标值y随轴载次数x的衰变模型。

 

从模型中可以看出抗滑指标初值为A+C;当轴载次数趋于无穷大时,抗滑指标为C;B则代表着衰变值从抗滑指标初值衰变到终值的速度。

 

(3)经验公式。黄云涌通过大型直道足尺试验,研究SAC-13、AC-13Ⅰ和SMA-16沥青路面构造深度和摆值与不同轮载作用次数的关系,并进行拟合与回归分析,以研究沥青路面抗滑指标随轮载作用次数的衰变规律,并提出对数公式与指数公式。

 

经过拟合分析,发现轮载作用次数不超过700万次时,可使用对数公式模拟抗滑指标的衰变规律;当轮载作用次数超过700万次时,可使用指数公式模拟抗滑指标的衰变规律。但该经验公式只适用于模拟沥青路面在使用一段时间后,已经得到初步压密的路面抗滑指标变化规律。因为黄云涌等认为,沥青路面初期的抗滑性能衰减与沥青路面初期得到较大的压密有关,与施工质量有关。

 

沥青路面抗滑性能的衰变机理

 

沥青混合料是一种由沥青、不同粒径的集料以及矿粉等组成的复合材料。陈先华等根据长期对沥青路面的观测结果及室内加速磨光试验结果的研究表明,沥青路面磨损过程在宏观上表现为集料表面沥青胶泥的磨蚀过程与集料的磨损和磨光过程两个阶段。新建沥青路面通车后,由于集料表面覆盖一层厚度为10~200um的沥青胶泥膜,在使用初期路面的摩擦系数主要由沥青膜提供。经过半年~2年的磨蚀后,集料表面的沥青胶泥膜被逐渐磨蚀掉,从而使集料裸露,转由集料的微观纹理提供摩擦系数。该摩擦系数大于沥青胶泥所提供的摩擦系数,故新建道路在通车一年左右摩擦系数会有一个短暂的提升。而当集料表面的微观纹理开始提供摩擦系数后,就过渡到集料的磨损和磨光阶段,表现为路面摩擦系数的衰减。

 

孙洪利总结认为,沥青路面抗滑性能前期快速衰减的原因主要是压密和迁移变形,后期的稳定衰减则是以磨光和磨损作用为主。压密和迁移变形过程针对的是宏观构造深度变化的过程。压密过程实际上增加了密实度,减小了空隙率,使沥青路面宏观构造深度迅速减小,从而引起抗滑性能的快速下降;迁移则是路面在达到最紧密状态但总体还没达到稳定平衡时,矿料颗粒在轮载作用下发生迁移直至达到稳定平衡状态,结果也是空隙率的减小导致路面抗滑性能的下降。磨光和磨损作用则是针对微观构造变化的过程。集料的磨光过程是指粗集料表面微观纹理尤其是凸起部分逐渐被磨平的过程,粗集料表面硬度较低的矿物晶粒发生裂解而被移除,可用磨光值表征集料表面粗糙度。磨损作用是集料表面棱角在磨耗过程中逐渐被磨掉的过程。王永平等认为,集料表面较好的棱角可以提高沥青路面的抗滑性能。周兴林等则通过研究发现,集料棱角处在重载反复作用下容易产生应力集中而导致棱角处的沥青膜开裂并脱落,裸露的集料棱角随轮载作用次数的增加而逐渐被磨耗,从而造成沥青路面抗滑性能的衰变。

 

研究学者通过试验表明,微观构造主要影响低速且干燥时的沥青路面抗滑性能,宏观构造主要影响高速或者路面潮湿时的沥青路面抗滑性能。由于新建沥青路面在使用初期其摩擦系数会有短暂的增加,而宏观构造深度是迅速衰减的,因此前期路面的抗滑性能对于低速且干燥的路面而言是有短暂提高的,而对于高速或者潮湿的沥青路面其抗滑性能则是迅速降低。后期宏观构造深度衰减速度逐渐减慢,而集料表面的微观纹理也逐渐被磨耗,从而造成后期沥青路面抗滑性能的整体缓慢下降,直至趋于一个稳定的衰变终值。

 

沥青路面抗滑性能衰变的影响因素

 

(1)集料。磨耗值和压碎值反映了集料抗剪切能力和抗磨损能力,选择具有较好磨耗值和压碎值的集料显然可以保证沥青路面抗滑性能的耐久性,降低抗滑性能的衰变速率,并提高抗滑性能的衰变终值。孙洪利通过采用沥青混合料加速加载试验机来模拟轮载对石灰岩、玄武岩、安山岩3种不同粗集料类型的沥青路面的作用,测得并比较同一级配下3种沥青路面摆值和构造深度随轮载作用次数增加的衰减规律,表明:虽然3类粗集料对应的沥青路面的抗滑性能在初期是相差不大的,但随着轮载作用次数的增加,石灰岩由于磨耗值较大,其构造深度与磨光值衰减速率最快,较快达到稳定状态,其衰减终值也是最小的;3种不同集料的沥青路面抗滑性能衰减特性最优的是玄武岩,其次是安山岩,最后才是石灰岩。

 

李智等利用散射法-激光微观构造仪,运用分形理论的盒子计算法,对花岗岩、辉绿岩、石灰岩的微观构造进行定量分析,表明花岗岩和石灰岩的耐磨光性能和分形维数有较大的差别:通过电镜观察到花岗岩表面呈鱼鳞状的微观构造经过磨损后是呈粒状脱落的,这会重新生成表面的微观构造,因此花岗岩在磨损过程中可以长期保持一定的粗糙度;而石灰岩相对光滑的表面在磨损后是呈层状脱落,微观构造进一步被削减,分形维数也逐渐降低。因此,二者的磨损机理的差别导致了沥青路面抗滑性能衰变规律的不同。

 

(2)沥青。沥青用量过多、沥青针入度过大或者沥青含蜡量过高时,路面沥青覆盖层容易受高温影响,尤其在夏季,会产生泛油现象,路面微观构造逐渐被自由沥青所填平。微观构造迅速减少,必然会引起沥青路面抗滑性能的快速衰减。

 

(3)级配。恰当的级配可以保证沥青混合料具有适当且稳定的空隙率,从而提供较好而且稳定的宏观构造。张宜洛等通过试验分析对比OGFC、SMA、AK-16A的抗滑性能,并得出OGFC的抗滑性能最好,但其耐疲劳性能较差。胡曙光等也肯定了开级配磨耗层OGFC沥青混合料优良的抗滑性能,但其较大的空隙率降低了其路用性能,并通过试验指出:为保障混合料的动稳定度,配制OGFC沥青混合料的空隙率不应超过20%,并且可以通过掺加适量的聚合物纤维来提高沥青混合料的耐久性能。孙洪利则研究了玄武岩沥青路面骨架空隙结构OGFC-13、骨架密实结构SMA-13、多级嵌挤型结构SJ-13以及悬浮密实型结构DAC-13等4种典型的级配结构对沥青路面抗滑性能衰变规律的影响,表明级配的类型与沥青混合料的构造深度直接相关,且其稳定性对沥青路面的抗滑性能衰变速度和衰变幅度有重大影响。刘福明也通过对不同级配沥青路面抗滑性能衰减规律的研究,发现接近骨架密实结构的级配由于石料之间嵌挤作用较强而使沥青混合料可以长期保持稳定的抗滑性能,其抗滑性能衰变速率较慢且衰变稳定值较高,从而表现出良好的抗滑性能。

 

(4)近年来沥青路面以花岗岩为材料的抗滑层多采用AC-13C型沥青混合料。由于其级配类型为密实悬浮型,并非骨架嵌挤型,无法提供足够的构造深度,抗滑性能衰变速度较快。鉴于此,李智等基于CAVF法和断级配设计理论自主设计出花岗岩断级配AC-13,通过搓揉试验模拟沥青路面的磨损过程,并借助激光构造测试仪对沥青路面抗滑层构造的衰减进行准确的测量,对比GCAC-13和AC-13C在试验中的摆值和构造深度的衰减速率以及最终的稳定值,得出GGAC-13作为断级配骨架结构具有较好的抗滑性能以及抗滑耐久性。

 

(5)公称最大粒径。孙洪利以玄武岩沥青路面对应级配类型SMA-13、SMA-16、DAC-13、DAC-16为研究对象,研究最大粒径对沥青路面抗滑性能衰变规律的影响。试验结果显示,公称最大粒径为16mm时,较同一级配类型的公称最大粒径为13mm的混合料具有更高的构造深度和摆值初值,随轮载作用次数的增加其抗滑衰变速率比较缓慢,同时具有更高的衰减终值。但鉴于对公称最大粒径的幅度设置偏小,其提高矿料公称最大粒径对沥青路面抗滑性能的提高是有帮助的结论还有待进一步的研究。

 

(6)环境因素。鉴于当前国内外在酸雨对沥青路面抗滑性能的影响上的研究较少,周兴林等通过配制不同pH值的酸雨溶液,采用周期浸泡法与喷淋法,以不同级配的石灰岩沥青混合料为研究对象,对其进行泡酸试验与室内抗滑试验,以此模拟酸雨对实际沥青路面抗滑性能的影响过程。试验表明:新建沥青路面初期的抗滑性能主要由路表面的沥青膜承担,当沥青膜被逐渐磨耗脱落后转由裸露的集料承担,而酸性环境会加速沥青膜的剥落速率;当抗滑性能由沥青膜承担过渡到沥青膜下的集料承担时,沥青路面的抗滑性能会有短暂的提高,因为裸露的集料初期的抗滑性能是优于沥青膜的;然而在酸雨作用下,加快了集料表面纹理的磨损过程,从而加快沥青路面抗滑性能的衰减速率的同时,也降低了抗滑性能的衰减终值。

 

曹晓峰等则以实际的受柴油污染的沥青混凝土路面作为研究对象,监测4个月内污染路段横向力系数的变化情况,并对现场进行取芯,通过马歇尔稳定度试验以及标准浸水飞散试验来评价柴油对沥青路面的高温稳定性和水稳定性的影响。试验表明:柴油污染不仅会较大幅度地降低沥青路面的高温稳定性和水稳定性,还对沥青路面的抗滑性能有一定的不良影响,经过4个月后测得的沥青路面抗滑性能已经无法满足规范要求。这也反映了柴油污染对沥青路面抗滑性能衰变速率以及衰变幅度的影响之大。

 

此外,温度也会影响沥青路面抗滑性能衰变规律。王勇等以室内试验成型的AC-13沥青混合料试件为研究对象,对其进行加速磨耗试验,加载对比温度分别为25℃和60℃时的抗滑性能衰变规律。试验结果表明:高温下沥青混合料由于具备更好的弹性变形能力,从而一定程度上可以吸收加速荷载所施加的能量,降低了路表面的磨损程度,使其抗滑性能的衰减程度小于常温下抗滑性能的衰减程度。

 

结语

 

作为关乎行车安全的沥青路面抗滑性能,在近年来得到愈发的关注与重视。研究学者纷纷对其进行试验研究、数值模拟,或是通过构建轮胎的模型来评价沥青路面在路面、车辆以及环境因素综合影响下的抗滑性能。

 

(1)用于评价沥青路面抗滑性能的指标有摆值、横向力系数、动态摩擦系数、纵向摩擦系数、构造深度、附着系数、分形维数与粗糙度、国际摩阻指数等。

 

(2)影响沥青路面抗滑性能的路面构造主要分为微观构造和宏观构造,前者主要影响低速且干燥的路面抗滑性能,后者主要影响高速或潮湿的路面抗滑性能。

 

(3)沥青路面抗滑性能受路面、车辆、环境的综合作用影响。

 

(4)通过总结对比研究学者对沥青路面抗滑性能尤其在级配选择上的研究后,笔者推荐沥青路面抗滑层采用间断级配SMA-13。其各项性能均表现出一定的优越性,但其施工较为复杂。

 

(5)当前部分单一的评价指标无法全面反映路面的表面形貌粗糙程度,也无法全面衡量抗滑性能的好坏。在今后的研究中,可以寻找容易检测的综合性指标去评价沥青路面抗滑性能。SMA、OGFC等间断级配沥青混合料有着二重的分形结构,其分析难度远远大于具有单重分形结构的连续级配混合料,在今后也可以构建更加复杂的模型对SMA、OGFC的抗滑性以及抗疲劳性等进行进一步的研究。

 

(6)沥青路面抗滑性能的衰变总体上呈现出先急后缓直到衰减至一个稳定值的变化规律,其衰变幅度、衰变速度以及衰变终值取决于集料种类、沥青种类、公称最大粒径与环境因素。

 

(7)以保证沥青路面抗滑性能指标在沥青路面设计使用年限内的衰减终值尚能满足规范要求为前提,在抗滑层的集料、级配、公称最大粒径以及沥青的选择上应充分结合当地的经济效益、人文和地理条件,如在部分干燥且环境对路面影响较少的路段,并不需要一味追求抗滑性能最优的方案,而忽略了经济效益。此外,如何保证施工的质量以及完善施工工艺,也是今后保证沥青路面抗滑性能的关键问题。