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高等级公路沥青混凝土路面抗滑性能分析及检测技术研究作者：董伯春1 概述随着高等级公路的发展，沥青砼路面得到越来越广泛的应用，其抗滑性能也受到日益重视，因为这一指标与行车安全和舒适程度紧密相关。众所周知，汽车的运行是动力克服轮胎与路面摩擦力的结果。路面摩擦力即抗滑性因此成为评价高速公路路面的一个重要指标。目前高速公路使用沥青混凝土路面月来越多，沥青混凝土路面的抗滑性能随着材料的性质、级配及施工工艺等不同而不同，变化幅度要比水泥砼大得多。因此，沥青砼路面抗滑性能的好坏及其持久性有很大差异。路面抗滑表层的早期破坏，对道路行驶质量和路面抗滑性能影响巨大。从路面安全角度考虑，进行道路路面抗滑性能技术分析、实行有效的防滑技术措施以及对路面抗滑性能进行定期检测具有重要的现实意义。2 沥青路面抗滑摩擦力的力学分析 克服车辆轮胎与路面光滑接触产生的不安全因素，是靠路面之间的摩擦力来实现的，摩擦力为轮胎压力与摩擦力系数相乘（F=Gf）。轮胎与路面之间的摩擦是一个十分复杂的过程。轮胎与路面之间的滑溜阻力由剪切抗力、滞后摩阻力和橡胶凝聚力的摩阻力等三种力构成。影响轮胎和路面间有效摩擦的因素除轮胎外主要是路表面粗糙度和受污染状况。清除污染是路面养护方面的问题，从工程观点来看路面摩擦力取决于其粗糙度，粗是指路面要具有宏观构造，即水平方向尺寸为0.550mm、竖直方向尺寸为0.21.0mm；糙的含义是涩而不滑，即路面要具有水平方向尺寸为00.5mm、竖直方向尺寸为00.2mm的微观构造。微观构造决定了路面的基本摩擦力，即给定车速下摩擦力的总体水平；宏观构造则决定了路面摩擦力随车速而衰减的幅度，因此从某种意义上讲是决定了高车速下的摩擦力。摩擦力随车速衰减到极端时发生水漂，轮胎与路面的附着系数为零。宏观构造的作用机理是为轮胎/路面界面上的积水提供渲泄空间，增大轮胎与路面的接触面积，以便让路面微观构造充分发挥作用。3 影响沥青路面抗滑性能的因素分析 路面抗滑性能受多种因素的影响，其中主要有沥青混合料组成特性、混合料组成、施工工艺、路面潮湿程度、温度变化、自然环境、交通荷载及滑溜污染等。3.1 混合料组成 路表面的纹理构造是由混合料决定的，因而混合料的组成必然影响路面的抗滑性能。其中，最主要的是集料的表面性能和结合料的性能及其组成。3.1.1 粗集料（碎砾石） 路面经过一定时间内交通和大气的综合作用，路表被结合料包裹的集料表面就裸露出来，其中大部分是粗集料。有良好抗滑性能的粗集料应具备：粗糙的表面、尖锐的棱角及抗磨光性。石料的抗磨光性通常由磨光值来反映，磨光值高的石料能长时间保持其粗糙的微观构造，保持路面有较大的湿抗滑力。另外，还必须要求石料有满足要求的磨耗值和压碎值指标，以保证长期受轮胎的摩擦、冲击、碾压等综合作用，路面石料不至于磨损太大、压碎太多。此外，还需注意集料的视密度，在JTJ032-94公路沥青路面施工技术规范中规定高速公路、一级路不小于2.5t/m3，从理论上分析集料的视密度与磨耗植和压碎值没有直接的对应关系。但是，在实际工作中发现，如果集料的视密度偏低，集料内部空隙率大，在沥青混合料拌合的过程中按规范的操作时间不能解决空隙内部空气加热问题，将拌和料运送到现场后，混合料内部热空气与外部产生对流，再压实混合料时不但石料碎裂快，而且压实度很难达到要求。3.1.2 细集料（砂等） 砂对沥青路面抗滑性能的影响主要表现在粗集料尚被沥青包裹的路面的使用的初期，这时，磨阻力主要由砂提供。砂的棱角的尖锐程度决定了它的抗滑性能。增加轧制砂的用量不仅能提高路面初期抗滑性能，也能提高沥青路面长期抗滑性能。沥青的品质和用量是影响沥青路面抗滑性能的又一个主要因素，沥青的稠度、油石比大小等决定着沥青混合料的整体特性。3.2 施工工艺 沥青混凝土的拌和、摊铺、碾压、成型等决定着路面构造的形成。因此，在沥青路面施工过程中，应严格按工艺规程操作，先做实验段确定混合料的施工配比、拌和、摊铺、碾压温度、虚铺厚度、压路机选型及碾压次数等参数。尤其应注意拌和时间和温度，如果拌和不充分，沥青与集料的裹附不充分，不但压实度度难以达到控制要求，而且在通车使用后容易造成粒料松散、渗水，形成路面病害。3.3温度变化 通过对河北省内各条高速公路定期观测发现，路面根据季节变化，抗滑性能有着一定的规律，即摩擦系数冬高夏低，春秋居中，摩擦系数的最低值出现在6月7月。一般来说，温度每升高10度，路面摩擦系数SFC值降低46。3.4路面潮湿程度 公路交通事故中，雨天发生的事故所占比率很高，一般达到40%50%，这些都是因为雨水在路表面积聚，形成水膜，使路面抗滑能力大幅度下降，事故率上升。车轮在有水膜的路面上行驶时，轮胎将轮胎与水膜接触区的水从轮胎前、左、右三个方向挤出，车速越高、路面越光，轮胎与水膜接触区的水越来不及排出，轮胎与路面石料不能充分接触，导致摩擦系数降低越多。3.5 交通荷载 交通荷载对路面抗滑性能的影响主要有两个方面：一是磨光作用，使微观构造衰减，糙面变光；二是磨耗作用，使宏观构造衰减，粗面变细。一般来说新建路面的抗滑能力都满足要求，正是由于交通荷载的这种磨光和磨耗作用才使得路面越来越滑。3.6 滑溜性污染 滑溜性污染指粘土等污染物被带上路面致使路面抗滑性能大幅度降低而影响行车安全。污染源主要有：泥土（尤其是粘性土）、油类滴漏、橡胶粉末积聚和工业粉尘（如粉煤灰、煤粉等）。4. 路面抗滑性能的检测路面摩擦力既可用摩擦系数直接测出，也可以通过测定路面微观和宏观构造的大小作出间接评价。路面抗滑性能的间接测量方法有微观构造的测定和宏观构造的测定两大类方法，其中宏观构造的测定方法又分为铺砂法、涂脂法、立体照相分析法、激光测量法和流出计法。路面抗滑性能的直接测量方法有制动力系数测量、横向力系数测量、刹车法测试、摆式仪法等。在这里对直接测量摩擦系数的高效、自动化检测技术和方法作一详细论述。4.1 摩擦系数测试原理 从物理学概念中可知，若在水平面上，摩擦系数是两物体作相对运动时，介面的水平反力与垂直力之比所得的无量纲系数。在物理学及工程上就常用此法测定各种物体间表面的摩擦系数。 为了测得该摩擦系数，公路工作者采用了许多方法。4.1.1制动距离法 其方法是，先把路面湿润，用一已知质量的汽车以一定的速度在该段道路上制动，量测汽车轮胎的拖痕距离，用公式：来换算出路面摩擦系数K。（S 制动距离；V 行车速度；K轮胎与路面的摩擦系数） 4.1.2能量损失法 能量损失法的典型代表即为摆式仪法。摆式仪是动力冲击型仪器，它是根据摆的位能损失等于它装于摆臂末端橡胶片滑过路面时，克服路面摩擦所做的功这一基本原理制做的，测试值叫做BPN。但该方法效率低、人为影响因素大、影响公路交通，特别在高速公路上，安全性差，不能满足高速公路检测的高效、自动、安全的要求。4.1.3 横向力系数法 为了检测路面摩擦系数，藉助机械方法在推动车轮转动的同时，又给其施以附加阻力使车轮在路面滚动时产生一定的滑溜（即轮胎与路面发生滑动摩擦），通过检测及车轮前进的水平阻力和轮的垂直重力即得路面摩擦系数，因摩擦阻力方向是道路的纵向，所测数值是路面纵向摩擦系数，但在道路行车状态时，由于路拱或横坡的存在，汽车在刹车时又因各车轮的制动阻力不可能绝对相等，汽车在路面就常有横向侧滑的倾向，为了所测的摩擦系数更符合汽车在路面行驶时的工作状况，应取车轮产生侧向滑动时产生的横向阻力来测定路面摩擦系数，其原理如图1所示。检测装置装在卡车中部外缘，配有重力块的测试轮被斜向安置，与车行方向成20的夹角，测试时测试轮除跟随卡车行车转动外，同时与被测路面产生斜侧向滑动摩擦，装在该轮轴轴向上与游动臂相连的传感器测出斜侧向力（即摩擦阻力），该力既表征了纵向摩擦阻力又能反映出横力系数。4.2 我国抗滑测试技术 我国抗滑测试技术起步比较晚，普通采用传统的摆式仪法，为适应我国公路建设发展的需要。“八五”期间由交通部组织，公路所牵头联合攻关，研制成功了我们自己的“路面横向力系数测试车”。路面横向力系数测定设备的基本构成分成装载车部分、测量机构、供水系统、数据采集处理系统及附属部分。各个部分协调一致，有机配合完成采集路面抗滑性能数据的功能。所有机构装置均附置于装载车上，并让其以一定的速度移动来完成测量。测量机构的功能是把两个载有恒定配重的测量轮置于装载车前后轴间并成一个固定夹角位置上，能过控制部分自由地升降，当测量轮下降到测量位置时，测量轮与地面接触并自由转动，把产生的横向力传递至拉力传感器上供数据采集系统处理。供水系统的功能是湿润测试轮前一定宽度的路面成一条纵向湿润带，模拟最不利条件测得路面的横向力系数。数据采集处理系统的功能是把各个传感器取得的信号加以处理并显示、记录、保留下来，供分析应用。 世界上测试摩擦系数的方法有多种，我国采用横向力系数检测车（SCRIM）测试横向力的方法检测摩擦系数，出于以下几方面的考虑：充分体现了高效检测设备的优势，其检测效率远比其它几种方式要高得多。这样对于路网的检测评价是十分有利的。横向力系数检测车能在正常的交通流中测得真实、有效的摩擦系数数据，一方面操作人员及设备是安全的，另一方面是采集的动态摩擦系数值更能真实反映路面的实际抗滑能力。路面抗滑不单是解决纵向摩擦系数的问题，有时车辆侧滑引起的交通事故也占相当大的比例。所以抗滑测量结果应能全面反映路面的抗滑能力。横向力系数检测车的测量结果既有纵向分量又有横向分量，符合路面抗滑性能的实际情况。由于路面横向力系数测定仪(SCRIM)性能优越，1978年十六届世界道路会议推荐在全世界使用该仪器，故该种仪器在全世界的拥有量最多，因此，一些国际公路干线路网的抗滑性能评价标准都是以SCRIM测得的数据SFC值做为评定标准的。我国尽管在这方面起步较晚，但起点可以较高，利用最新技术迎头赶上，这样就和世界公路同行有了一个统一的评定标准，也有利于今后的国际技术交流。 按设计规范要求，高等级公路的抗滑测试是在交工试通车以后的第一个夏季应不小于54SFC值。5.提高路面抗滑性能的主要途径5.1 采用改良的密级配沥青混凝土面层材料 由于密级配沥青混凝土具有较好的的稳定性和耐磨性，目前许多国家仍认为它是较好抗滑沥青面层材料。日本、法国对密级配沥青混凝土的级配要求十分严格，其中碎石含量（大于2mm或2.5mm）都达50%以上，最多者达75%，即属于多碎石沥青混合料结构。要求石料形状近于正方体且带棱角。沥青质量务必满足路用要求，且用量适当。 5.2 开级配沥青抗滑面层 开级配沥青摩擦层，要求铺设在坚固的不透水的底面层上。一般厚度为1.52.5cm，其结构特点是空隙率高。5.3 在热压式地沥青和浇注地沥青结构层上压入预拌碎石在摊铺机摊平和预压过的表面上，用石屑车撒布机均匀撒布热拌的石屑嵌入表面。使用短级配石屑，其最大颗粒尺寸一般为最小尺寸的1.11.6倍。石屑规格有14mm和20mm两种，用量一般为7.512.0kg/m2，用石屑重量1.50.3%的沥青量预拌。另外，压实温度和压实工艺以及沥青的稠度对石屑压入程度，以及表面粗糙纹理的形成都有明显的影响。石料压入过多则达不到要求的粗糙度，压入不充分则剥落。石料压入油层的深度，可控制在石料高度的0.50.65，其目的是使轮胎与石料颗粒接触，而不与缝间的沥青接触。热压地沥青和浇注地沥青由于沥青稠度高，密实度高，不易因透水透气而老化。因此，具有较好的稳定性，使用寿命较长。此外，在细粒式沥青混凝土混合料上，压入预拌抗滑石屑的尝试已取得较好效果。5.4 抗滑沥青表面处治层采用沥青表面处治层来增强路面粗糙度，是增强路面抗滑性能的有效方法之一。其技术关键是正确选用材料。一是选用高硬度的石料，如石英质