瀝青路面表面特性對(duì)行車安全的影響

黎卿 康聞

隨著高速公路的快速建設(shè),道路交通量的迅速增長(zhǎng),其發(fā)生交通事故的幾率和損失也越來(lái)越大,我國(guó)近10年道路交通事故致死人數(shù)越來(lái)越多,已經(jīng)引起廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員的關(guān)注[1]。高速公路交通事故產(chǎn)生的原因主要有人、車、道路、交通環(huán)境、交通管理等幾個(gè)方面。其中道路方面的原因,特別是在氣候環(huán)境惡劣的情況下,路面與輪胎之間的抗滑性能不足引起的交通事故已經(jīng)引起了交通管理工作者的重視[2]。本文通過對(duì)瀝青路面摩擦產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析,結(jié)合路面的抗滑性能,對(duì)路面的微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹,并針對(duì)雨天路面積水的厚度對(duì)路面摩擦性能的影響,提出了改善路面抗滑性能的措施。

1 輪胎與瀝青路面摩擦力產(chǎn)生的機(jī)理

1)輪胎與路面間的分子引力作用。輪胎與路面間的分子引力作用實(shí)踐表明,當(dāng)兩個(gè)物體表面之間相距非常近時(shí),其間的分子引力作用是相當(dāng)可觀的,這種分子引力就構(gòu)成了輪胎與路面間摩擦力的一部分。顯然,這種摩擦力除與輪胎和路面材料的性質(zhì)有關(guān)外,還主要取決于輪胎和路面間實(shí)際接觸面積的大小,它受路面狀態(tài),如污染、水膜、灰塵及濕度等影響較大。2)輪胎與路面間的粘著作用。輪胎與路面間的粘著作用試驗(yàn)表明,和金屬間的粘著類似,輪胎與路面間也會(huì)發(fā)生粘著作用。對(duì)輪胎進(jìn)行磨損試驗(yàn)后,可在輪胎表面找到粘著在其上的路面磨粒。同樣,在路面上也可發(fā)現(xiàn)粘著在其上的橡膠磨粒。3)胎面橡膠的變形滯后能量損失。胎面橡膠的彈性變形與金屬材料不同,橡膠是一種彈性非常好的材料。在路面較大微凸體及胎面花紋等的作用下,胎面橡膠會(huì)反復(fù)產(chǎn)生較大的彈性變形,不同胎面花紋的輪胎在縱向或橫向載荷作用下將產(chǎn)生完全不同的變形情況,因此它們產(chǎn)生縱向或橫向摩擦力的能力也完全不同,這充分說(shuō)明了橡膠彈性變形對(duì)輪胎與路面間摩擦力產(chǎn)生的作用。這種摩擦力主要取決于胎面花紋和路面上較大尺寸微凸體的性能等。4)路面上小尺寸微凸體的微切削作用。路面上小尺寸微凸體的微切削作用在載荷作用下,路面上較小尺寸的微凸體會(huì)在胎面的局部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。當(dāng)胎面上所產(chǎn)生的局部應(yīng)力超過了其斷裂強(qiáng)度時(shí),在切向力的作用下,路面上尺寸較小的微凸體就會(huì)對(duì)胎面形成微切削作用。這種微切削作用和一般金屬摩擦學(xué)中的犁溝作用非常類似,微切削過程中產(chǎn)生的阻力就是輪胎與路面間摩擦力的一部分。許多輪胎摩擦表面的掃描電鏡照片都證明了輪胎與路面間微切削作用的存在。由微切削作用產(chǎn)生的摩擦力除與輪胎及路面的材料性能有關(guān)外,它主要取決于路面上較小尺寸微凸體的大小、分布情況及鋒利性等。

2 影響瀝青路面抗滑性能的因素

2.1 石料的性質(zhì)

道路表面的紋理構(gòu)造是由混合料構(gòu)成的,因而混合料的組成必然影響路面的抗滑性能。其中,最主要的是石料的物理性能。石料的磨光值是評(píng)價(jià)路面微觀構(gòu)造水平的指標(biāo),它反映石料抵抗被磨光能力的大小,磨光值大的石料在輪胎的長(zhǎng)期作用下,能長(zhǎng)時(shí)間保持其粗糙微觀的構(gòu)造,保持路面有較大濕抗滑力。石料的磨耗值是評(píng)價(jià)石料抵抗摩擦、撞擊和剪切等綜合作用的性能指標(biāo)。石料的壓碎值是評(píng)價(jià)石料抵抗壓碎性能的指標(biāo)。路面石料長(zhǎng)期受輪胎的摩擦、沖擊和碾壓等綜合作用,要維持較高水平的抗滑能力,要求石料在輪胎作用下不至于磨損太大,壓碎太多。因此,JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范要求高速公路瀝青面層石料壓碎值不大于26%,磨耗值不大于28%。

2.2 瀝青結(jié)合料

瀝青的品質(zhì)對(duì)路面抗滑也有一定影響。就瀝青種類而言,煤瀝青路面摩擦系數(shù)較高,石油瀝青次之。路面混合料中如果瀝青的粘度太低,就會(huì)容易自由流動(dòng)而形成光面,危及交通安全;瀝青的含蠟量太高,則其溫度敏感性較強(qiáng),夏季容易泛油,冬季容易開裂,并且與骨料的粘結(jié)力差,骨料容易松動(dòng)脫落。

選用瀝青種類和標(biāo)號(hào)一定要結(jié)合工程所在地的氣候溫度狀況。對(duì)于一定級(jí)配的礦料組成,總有與之對(duì)應(yīng)的最佳瀝青用量。當(dāng)實(shí)際用量過大時(shí),被結(jié)構(gòu)瀝青包裹的礦料之間的自由瀝青量增多,顆粒間粘附性差,較易產(chǎn)生相對(duì)滑移,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,尤其在高溫季節(jié)車輪荷載的作用下容易產(chǎn)生車轍、壅包等變形破壞,使得高速行車的剎車制動(dòng)效率相對(duì)降低,慣性增大,車輛不易控制,事故危險(xiǎn)性增加;同時(shí)由于車輪荷載的壓密作用,造成多余的自由瀝青被擠出到路面表層,一方面造成混合料空隙率的減少,降低了路面的宏觀構(gòu)造深度,另一方面瀝青膜將原先裸露的集料包裹起來(lái),集料表面的凹槽被填平,間接降低了路面的微觀構(gòu)造特性,使得路面的摩擦系數(shù)降低,這些都對(duì)路面的抗滑性能造成不利影響。過小的瀝青用量雖然不會(huì)減少路面的宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造,但容易由于集料之間粘結(jié)力差而形成松散、剝落等病害,路面的表面狀況和耐久性差,不能滿足行車舒適性的要求。

2.3 礦料形狀和級(jí)配的影響

實(shí)踐證明,在修建高等級(jí)瀝青抗滑表層時(shí),集料應(yīng)要求堅(jiān)硬、有棱角,形狀近似立方體;同時(shí),粗、細(xì)集料及填料之間應(yīng)依據(jù)一定的理論進(jìn)行組合搭配,采用適量的瀝青作為結(jié)合料,并以滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求為控制手段,才能生產(chǎn)出使用性能優(yōu)良的瀝青混合料。

傳統(tǒng)的連續(xù)型密級(jí)配瀝青混凝土(如AC)屬于一種密實(shí)—懸浮結(jié)構(gòu),空隙率小,表面光滑,因此路面紋理較細(xì),構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)均較小。而嵌壓式結(jié)構(gòu)是一種把抗滑表層和泌水層結(jié)合起來(lái)的一種特殊的結(jié)構(gòu),即在砂粒式瀝青混凝土上嵌入5 mm～10 mm抗滑性能良好的碎石,這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是宏觀構(gòu)造好,耐久性也較好,因抗滑石料僅用于嵌壓,所需數(shù)量少,在缺乏抗滑石料的地區(qū)不失為一種比較經(jīng)濟(jì)的抗滑表層類型[5]。

近幾年發(fā)展起來(lái)的開級(jí)配瀝青混凝土路面(如OGFC)屬于一種骨架—空隙結(jié)構(gòu),強(qiáng)度較高的集料之間通過相互嵌擠作用形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)骨架,并借助于粘結(jié)性能良好的結(jié)合料而形成整體,這種結(jié)構(gòu)空隙率大,可以消除或減薄水膜厚度,減少高速行車出現(xiàn)“水漂”的機(jī)會(huì),同時(shí)粗糙的表面具有較大的宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造,因此抗滑性能較好;目前還有一種斷級(jí)配密實(shí)型瀝青混凝土(如SMA等),這類瀝青混合料屬于骨架—密實(shí)結(jié)構(gòu),空隙率并不是太大(一般小于5%),但由于對(duì)石料的要求較高,并且集料之間相互接觸而形成骨架結(jié)構(gòu),宏觀構(gòu)造較大,因此路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好(尤其是高溫性能),抗滑水平處于一個(gè)比較高的層次。

3 基于抗滑性能的安全行車保障措施

3.1 瀝青路面建設(shè)時(shí)期的措施

在建設(shè)初期,首先應(yīng)該選擇適宜的瀝青標(biāo)號(hào)并控制好瀝青用量;其次是注意采用堅(jiān)硬耐磨、有棱角的礦料,選用適宜的礦料級(jí)配并控制細(xì)料的用量。高速公路上由于行駛速度高,車輛慣性大,需更加重視路面的抗滑性能,推薦采用AK,SAC,SMA等骨架結(jié)構(gòu),注意控制好油石比,防止因“泛油”而降低路面的抗滑性能。同時(shí)注意防止下層瀝青用量過多,以免多余瀝青泛上表層影響抗滑能力。

3.2 瀝青路面的養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)部門要定期對(duì)瀝青路面的抗滑性能進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)路面抗滑性不足時(shí),要分析具體原因及時(shí)做出相應(yīng)的處理,確保行車安全。因路面污染引起的路面抗滑性能不足,應(yīng)采用合理的方法對(duì)路面污染物進(jìn)行清理。因路面磨損、環(huán)境腐蝕等因素造成的抗滑性能不足,若路面未出現(xiàn)嚴(yán)重破損且面層厚度足夠的情況下,可采取路面打毛等手段恢復(fù)路面抗滑性能,路面厚度不足時(shí)可采用加鋪抗滑表層的方法進(jìn)行恢復(fù)。若路面出現(xiàn)嚴(yán)重破損,應(yīng)及時(shí)向有關(guān)部門報(bào)告,并申請(qǐng)重建。

3.3 交通管理方面的措施

交通管理部門應(yīng)考慮瀝青路面抗滑性能,根據(jù)季節(jié)和路面狀況,制定不同最高行駛速度限制值。在不同季節(jié)和路面情況下最高行駛速度限制值保持不變,在夏季或路面潮濕、積水、冰雪等路面低抗滑性能條件下,容易引發(fā)因抗滑性能不足引起的交通事故。針對(duì)特大暴雨或是冰雪災(zāi)害的情況下,道路管理者可以采取關(guān)閉道路的措施或是對(duì)路面采取適當(dāng)?shù)拇胧┖箝_放交通。通過采取正確的措施,保障行車的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

路面抗滑性能是實(shí)現(xiàn)高速公路安全、舒適、高速行駛的關(guān)鍵技術(shù)問題之一,道路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)者應(yīng)給予足夠的重視。應(yīng)探索出一些更好的結(jié)構(gòu)類型和材料,以提高路面抗滑能力,保障道路的行車安全。

[1] Kuttesch J S.Quantifying the relationship between skid resistance and wet weather accidents for virginia data[D].America:The Virginia State University,2004.

[2] A.Benedetto.A decision support system for the safety of airport runways:the case of heavy rainstorms[J].Transportation Research Part A,2002(36):665-682.

[3] 謝友柏.摩擦學(xué)的三個(gè)公理[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(3):161-166.

[4] 彭旭東,謝友柏,郭孔輝.輪胎摩擦學(xué)的研究與發(fā)展[J].中國(guó)機(jī)械工程,1999,10(2):219-224.

[5] 賈永新.高速公路瀝青路面抗滑性能影響因素分析[J].北方交通,2009(4):52-58.