高速公路瀝青路面抗滑性能研究

林愛萍

(福建船政交通職業學院，福州 350007)

1 前言

國民經濟發展的同時，對于交通運輸的需求也不斷增大，2019 年我國高速公路的總里程已達到14.3 萬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、養護維修便捷等優點，得到了廣泛的應用。

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生側滑失控， 在停車制動時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。道路的性能是保障車輛安全行駛的首要因素，日益頻發的高速公路交通事故，因其嚴重的后果，導致了國家經濟的損失，國民的人身安全也收到嚴重的威脅，同時也阻礙了我國交通運輸行業的發展。 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， 導致車輛失控引發側滑、側翻[1]-[4]。

本文從瀝青路面-輪胎摩擦機理出發探究路面與輪胎的受力行為，分析橫向力系數、擺值、摩擦系數、構造深度等抗滑性能指標的相關性，研究不同標號瀝青材料、混合料級配、油石比及集料品質對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， 可為我國高速公路抗滑針對性養護工作決策提供參考依據。

2 瀝青路面抗滑機理及指標

2.1 瀝青路面抗滑性能研究機理

經過英、美、法等發達國家幾十年的研究，目前國際上認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， 該摩擦因數由于運動和制動狀態的不同分為滾動摩擦因數和滑動摩擦因數。 車輛行駛過程的安全問題一般出現在制動過程， 輪胎與路面間的摩擦因數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

圖中各符號含義：

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

關于路面與橡膠輪胎之間摩擦在輪胎-路面附著機理方面，1962 年Kummer 等[8]就開展了相關研究，提出橡膠與路面的摩擦力主要來源于黏附力和滯后力。實際上，輪胎-路面接觸時由于胎面花紋塊和路面紋理的存在，導致胎面橡膠并未與路面完全接觸；同時，由于車輛荷載并不是均勻分布在接觸區域內， 并且車輛運動時接觸面積發生變化， 最大摩擦因數可能在接觸區域的任何部分發生。 輪胎-路面接觸區域分為黏著域ln和滑動域lb。 輪胎彈性滑轉示意見圖2，圖中：Fxn為在黏著域產生的靜摩擦力；Fxb為在滑動域產生的滑動摩擦力；X 為輪胎接地印跡的長度方向；fX為輪胎接地印跡的寬度方向。 此時，地面作用在輪胎上的力Rx小于整個輪胎滑動時的摩擦力，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。

圖2 輪胎彈性滑轉示意圖

2.2 路面抗滑指標

各個國家在應用不同測試儀器得到了瀝青路面的實際數據，采用不同的抗滑性能指標。以英國為代表的歐洲國家將橫向力系數作為瀝青路面的抗滑性能評價指標。澳大利亞則是采用橫向力系數和構造深度評價路面抗滑性能。美國大多數地區采用車速、動態摩擦系數和構造深度的復合指標法[9]。

我國現行設計規范采用橫向力系數SFC 和構造深度TD 評價路面抗滑性能。 橫向力系數SFC 能體現車輛發生側滑的概率，而且能夠不間斷的得出其數值，構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，構造深度可排除道路表面積水，增加車輛行駛的安全性[10]。 利用動態摩擦系數測試儀DFT 一次測試就可獲得摩擦系數隨速度變化的曲線， 摩擦系數對應的速度采樣間隔為0.1km/h， 可靠的測試速度區間為0km/h～80km/h。 然而目前基于DFT 的路面抗滑性能評價，仍以某一速度對應的摩擦系數作為指標(常以60km/h 對應的摩擦系數DFT60 為指標)。目前國內外較為廣泛使用抗滑指標見表1。

表1 國內外常見抗滑指標

2.3 路面抗滑指標相關性分析

為研究橫向力系數SFC、擺值BPN、摩擦系數DFT、構造深度TD 各指標的相關性， 本文選取湄渝高速公路某標段工程抗滑性能指標檢測數據， 分析各個指標的相關性，詳見表2。

選取測點輪跡帶處擺值BPN20 與橫向力系數SFC，分析二者的相關性，如圖3 所示。

上述分析結果可以得出，構造深度TD 與80km/h 下摩擦系數DFT 不相關。

表2 各指標系數的相關系數

相關系數小于0.3 不相關，0.3-0.5 弱相關，0.5-0.8中度相關，大于0.8 高度相關。

通過對抗滑指標相關性分析，得出以下結論：

(1)橫向力系數SFC 與擺值BPN20、動摩擦系數DFT存在很強的相關性，與構造深度TD 無明顯關系。 橫向力系數SFC 表征了車輛側滑的危險，檢測較為方便，在國內外評價道路抗滑性能中應用廣泛。 本文的研究結果也能間接反映橫向力系數SFC 能從多角度評價道路的抗滑性能。

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

圖3 各指標系數的相關性圖

(3)動摩擦系數DFT 與橫向力系數SFC 以及擺值BPN20高度相關。 動摩擦系數DFT 考慮了車速對于摩擦系數的影響，在日本作為評價道路抗滑能力的標準，在復合指標評價中同樣有著重要的作用。

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

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常會出現瀝青老化的現象，通過路面檢測發現，表觀抗滑指標較差的路段，路面瀝青同時存在顯著老化。根據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號，在低溫寒冷地區選擇較高的瀝青標號，反之高溫炎熱地帶選用低標號瀝青[11]。 并且，需要嚴格控制瀝青用量，瀝青用量過大容易出現泛油、 夏季瀝青膨脹能將集料擠開，出現這些情況都能降低瀝青路面的宏觀、微觀構造，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， 膠結料瀝青與集料的用量比值被稱為油石比， 油石比的數值通過試驗以及施工經驗確定。 當膠結料較少時，瀝青不足導致集料剝落，在一定程度上影響瀝青路用性能，對車輛行駛的穩定性造成影響。當表層的瀝青膠結料適當時， 對抗滑性能及其耐久性有一定提高。當膠結料過多時，瀝青會在礦料間形成一層潤滑層，使礦料推移，影響混合料強度，同時過高的油石比會降低輪胎與路面的附著系數。

3.3 集料品質影響分析

集料對于瀝青混合料的路用性能占有著主導作用，通常情況下，集料的質量占混合料總質量的80%以上，粗集料作為骨架，承擔著路面荷載，同時，裸露在表面的粗集料是路面的構造深度重要來源， 對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造的重要參數， 在車輛行進的過程中瀝青路面的表面粗糙程度是控制汽車制動的首要的條件， 當路面磨光值小于35 時，道路交通事故率顯著上升，當路面磨光值大于42時則事故發生的情況較少[12]。

3.4 污染物影響因素分析

在車輛行駛過程中，砂子、水泥、機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滾動介質，導致摩擦系數降低。當路面的表層構造已經被水泥、機油填充時，橡膠塊和路面之間已經沒有路面表層構造形成的粗糙的紋理， 導致BPN 擺值顯著降低；路面水膜對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，但當水膜厚度達到一定值，抗滑性能會達到穩定狀態，抗滑性能也基本會保持不變。

4 瀝青路面抗滑措施

為保證路面結構具有足夠的抗滑性能， 可分別從結構層設計、原材料選取、施工工藝與養護技術等方面展開預防措施。

4.1 選用合理的表層混合料

常用的抗滑表層及特點見表3。

表3 常見防滑層及特點

4.2 機械施工及養護措施

保證路面工程施工質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時，應符合以下標準要求：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，進入瀝青混合料基層內的水分能夠順利排出， 確保了基層的干燥性。 在路面鋪設時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。

路面使用過程中的養護也同樣至關重要。 在路面出現小損傷的情況下，可以采取以下措施養護：將損壞的路面結構層采用機械銑刨后，清理干凈，按路面工藝進行修補。 在路面出現大裂縫的情況下，檢測路面裂縫的深度、寬度進行，并從裂縫深處開始進行填補，將灌縫膠等材料填充到整個裂縫內，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骨料

在修建新的高速公路瀝青路面時， 根據工程所在地的氣候條件及降雨情況選擇相應標號的瀝青。 瀝青的油石比是保證瀝青路面抗滑性能的另一重要因素。 通過在設計和施工中嚴格規定并控制油石比， 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， 需采用堅硬棱角性好的礦質骨料，提高路面的耐磨性，使路面能夠在車輛制動時提供足夠的摩擦力。 使用開式級配，并對細料用量合理控制，提升表面構造，保證潮濕路面下行車的安全性。

5 結論

(1)通過對抗滑指標相關性分析得出：橫向力系數SFC 與擺值BPN20、 動摩擦系數DFT 存在很強的相關性；構造深度TD 與擺值BPN20、動摩擦系數DFT 不存在相關性。

(2)集料級配對抗滑性能影響從宏觀方面體現，優良的集料級配可以提供更好的宏觀結構、合理的構造深度，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將配比試驗送有資質單位進行，獲得最佳級配，保證路面的最佳抗滑性能。

(3)砂子、水泥、水、機油等路面污染物對路面抗滑性能影響顯著，機油、砂子對路面抗滑性能影響程度高于水及水泥對路面抗滑性能的影響。 因此在日常養護過程中，養護單位應及時清理路面污染。 另一方面，路政部門應加強對運砂車輛、運土車輛的監督管理，嚴禁飄灑雜物。