瀝青路面抗滑性能影響因素探討

傅學(xué)寬，遲旭，張娟娜，程輝

（1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司 ，浙江 杭州 310059；2.中路交科檢測技術(shù)有限公司 ，浙江 杭州 310059）

在對瀝青路面抗滑性的研究中，科研人員通常情況下主要從路面磨耗層的抗滑參數(shù)和上面層的抗滑效果兩個(gè)方面進(jìn)行考量，然而，在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，路面的抗滑性能和生產(chǎn)材料質(zhì)量、路面清潔度以及雨水天氣路面溫度等多種情況都有著直接的聯(lián)系，為了保證瀝青路面的抗滑管理水平，充分發(fā)揮其車輛行駛期間噪音小、施工建設(shè)周期短以及維修養(yǎng)護(hù)方便等諸多優(yōu)勢，應(yīng)嚴(yán)格按照交通運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，采取合理的管控措施，確保車輛行駛期間的安全性和穩(wěn)定性。

1 瀝青路面施工項(xiàng)目概述

本文以浙江省某個(gè)主線、文成樞紐匝道4cm厚SMA-13上面層+6cm厚Sup-20中面層+8cm厚Sup-25下面層+20cm厚水穩(wěn)基層+34cm厚水穩(wěn)底基層瀝青路面為主要研究對象，該條線路的主線收費(fèi)廣場采用28cm厚砼面層，互通收費(fèi)廣場采用26cm厚砼面層；挖方段路面增加15cm厚級配碎石，施工作業(yè)人員在對施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地勘察之后，采購了符合國家建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)型號為42.5的普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥，通過規(guī)范的施工操作建設(shè)后，建設(shè)路面結(jié)構(gòu)可以達(dá)到行車要求；與此同時(shí)，經(jīng)過管理人員不斷調(diào)整，此次施工建設(shè)采用改性瀝青，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到SBS改性瀝青I-D型標(biāo)準(zhǔn)，改性瀝青的基質(zhì)瀝青及下面層瀝青均采用A級70號道路石油瀝青，施工建設(shè)路段基本完工，經(jīng)過質(zhì)檢有關(guān)部門核驗(yàn)審批，在三個(gè)月養(yǎng)護(hù)處理完畢后，方可投產(chǎn)使用。

2 瀝青路面抗滑性能的變化機(jī)理研究

2.1 輪胎與瀝青路面間接觸機(jī)理研究

據(jù)有關(guān)資料顯示，瀝青路面結(jié)構(gòu)一旦和形行駛的車輛輪胎進(jìn)行摩擦接觸時(shí)，可以將輪胎假設(shè)為一個(gè)彈性物體，路面視為一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)，兩者經(jīng)過一定的沖擊碰撞之后，接觸面致使輪胎形變假定為輪胎變形，車胎變形導(dǎo)致和路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生摩擦效果。其中，路面構(gòu)造結(jié)構(gòu)尖峰高度和壓實(shí)密度、輪胎的型號大小以及主要材質(zhì)都是影響摩擦力大小的主要影響因素。車輛在長期使用的情況下，路面的構(gòu)造紋理相繼減少，路面會變得光滑平坦，在車胎減少一定的摩擦效果后，路面抗滑性會隨之降低。如圖1所示，為具體的輪胎與路面接觸圖。一旦路面結(jié)構(gòu)受到雨雪天氣的干擾，在車輛行駛速度、路表結(jié)構(gòu)以及水膜厚度等諸多條件共同影響下，會產(chǎn)生不同的行車效果。首先，下沉區(qū)(Sinkage Zone）即區(qū)域A，路面結(jié)構(gòu)和車輛輪胎沒有接觸時(shí)，水膜上部會一直存置于輪胎，在靜水壓力的影響下，水膜厚度會隨著負(fù)荷壓力增加而相繼減少，因?yàn)樗?nèi)部會含有一些紋理結(jié)構(gòu)，一旦路面和輪胎沒有正面接觸，就不會形成太多摩擦力；過渡區(qū)（Transition Zone）即區(qū)域B，它主要是在A區(qū)和C區(qū)之間，此時(shí)，集料的突出部分會刺破水膜的外部結(jié)構(gòu)，輪胎和路表形成摩擦后對集料頂端圍觀原理造成影響；牽引區(qū)（Tractvie Zone）即區(qū)域C，形成此區(qū)域時(shí)，接觸界面的水分已經(jīng)基本不存在，路表結(jié)構(gòu)和車輛輪胎完全接觸。

圖1 輪胎與路面接觸形式圖

簡單來講，路面結(jié)構(gòu)的排水能力、降雨大小、輪胎與路面接觸面積胎內(nèi)氣壓以及車輛行駛速度等諸多因素有著直接聯(lián)系，例如，車速的增加會使得路面和輪胎接觸時(shí)間減少，進(jìn)而充分彰顯水分的潤滑效果，在車速從55km/h提升至105km/h時(shí)，牽引區(qū)的將減少33%～73%，這就也導(dǎo)致路面摩擦力下降；如果區(qū)域C的面積為0時(shí)，車輛在行駛期間非常有可能出現(xiàn)飄滑狀態(tài)，這時(shí)水膜層、輪胎都不會和路表結(jié)構(gòu)有直接接觸，在水分不能形成剪切力時(shí)，摩擦系數(shù)僅僅為0.05，最后嚴(yán)重時(shí)引起交通安全事故，可見輪胎表面紋理對路面抗滑性起著巨大作用。

2.2 路面抗滑性能的評價(jià)方法研究

車輛行駛方向和整體速度在受到路面抗滑性能的同時(shí)，還應(yīng)緊密聯(lián)系短制動(dòng)距離等相關(guān)條件。在輪胎和路面結(jié)構(gòu)處于靜態(tài)的動(dòng)態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的相關(guān)阻滯力可以簡單地稱為路面抗滑性能，摩擦系數(shù)越大，由此產(chǎn)生的抗滑力越高。

在實(shí)際的生活中，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)M或者行車測試可以獲取一定的路面摩擦系數(shù)，可以采用橫向力系數(shù)測試和擺式摩擦設(shè)備來采集相關(guān)信息，其中，利用擺時(shí)的勢能損失確保和擺臂末端橡膠片路面時(shí)摩擦產(chǎn)生的力度系數(shù)相同，相關(guān)數(shù)據(jù)信息可以用105倍摩擦系數(shù)來代表，用BPN或者SVR來表示，此種摩擦系數(shù)獲取方式在各類環(huán)境下普遍通用，其以操作流程簡單等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，但是也存在許多不足。例如，此種方式要耗費(fèi)一定的人力資源，不能在短時(shí)間內(nèi)獲取大量信息；而橫向力系數(shù)測試與其有所不同，它主要是在對行車方向和測試輪角度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)試后，在實(shí)際行車期間和測試輪形成橫向摩擦阻力，測試輪和摩擦數(shù)值施加在路面的豎向壓載之比稱為橫向力系數(shù)。通過一定的管控措施后，就可以對路面抗滑性進(jìn)行及時(shí)測量。

其次，對路面摩擦系數(shù)進(jìn)行快速測量后，還需要對路表紋理幾何特點(diǎn)作出路面抗滑性能的綜合性分析，從而確定紋理特點(diǎn)和摩擦系數(shù)存在相關(guān)聯(lián)系。通常情況下，路面不平整結(jié)構(gòu)的幾何模型簡稱為路表紋理，根據(jù)紋理形狀、大小以及實(shí)際作用可以分為宏觀紋理、微觀紋理、大構(gòu)造以及不平整度等四個(gè)部分，在保證輪胎接觸面積逐漸增加后，在濕潤的情況下，紋理將水膜刺穿而導(dǎo)致摩擦力系數(shù)隨之增大是微觀原理的主要功能；而宏觀紋理的鋪設(shè)，可以快速地對路面的積水進(jìn)行排除，對處于高速行駛的車輛行車安全具有很大的保證；不平整度和大構(gòu)造對路面抗滑性能影響相對較小。

2.3 路面潔凈程度對摩擦系數(shù)的影響

針對不同等級的公路，都會含有一定的泥土和砂土碎石，這就直接影響了路面結(jié)構(gòu)的平整度，針對此種情況，相關(guān)人員借助擺式儀等設(shè)備，在24℃的路面環(huán)境下來分析摩擦系數(shù)受到表層結(jié)構(gòu)砂礫量的約束情況，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)信息可以得出以下結(jié)論，具體如下：路面的砂石量的多少會使得路面結(jié)構(gòu)的變化程度有所不同，一旦砂石含量相對較小，在還沒有填充瀝青混合料的路面結(jié)構(gòu)下，相關(guān)空隙會造成摩擦系數(shù)相對減少，當(dāng)含砂量不斷增加，將路表縫隙填充后，過多的砂石會使得路表摩擦系數(shù)不斷升高，當(dāng)超過一定限度時(shí)，摩擦系數(shù)逐漸下降，產(chǎn)生此種情況主要是因?yàn)樯笆纬傻牟环€(wěn)定夾層結(jié)構(gòu)引起的，所以在以后的路面維修養(yǎng)護(hù)工作中，為了提高路表結(jié)構(gòu)的使用周期，提升其耐用效果，應(yīng)及時(shí)對砂土進(jìn)行清掃。

3 環(huán)境因素對路面抗滑性的影響

環(huán)境因素、污染物的掉落導(dǎo)致路面溫度、濕度出現(xiàn)諸多變化，對路面抗滑性能產(chǎn)生很大的影響。例如，在車輛行駛過程中，路面結(jié)構(gòu)受到污染后產(chǎn)生許多不利于交通運(yùn)輸?shù)挠绊懸蛩兀由下湓诼访嫔系奈廴舅閴m對凹凸不平的路表結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充后，會改變路表紋理結(jié)構(gòu)，使得路面和輪胎之間的摩擦力有所不同，同時(shí)，車輛泄漏的機(jī)油、風(fēng)沙、油脂、橡膠顆粒、有機(jī)碎片以及泥漿都會對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。

行駛期間的輪胎橡膠會產(chǎn)生和黏彈材料性質(zhì)相似的溫等特效性能，在高溫狀態(tài)下減小輪胎橡膠滯后摩擦力，國外的研究學(xué)者AnupamK等人應(yīng)用有限元法后在不同結(jié)構(gòu)的瀝青路面放置輪胎進(jìn)行基礎(chǔ)操作，建立超薄表層路面結(jié)構(gòu)部分位移和完全滑移狀態(tài)下反復(fù)實(shí)踐，通過多種接觸模型都得到了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此外，當(dāng)路面溫度沒有變化時(shí)，高滯后的摩擦效應(yīng)會隨著路面宏觀結(jié)構(gòu)的粗糙程度而隨之變化，輪胎滑移率較低時(shí)摩擦力更大。值得重點(diǎn)說明的是，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者還考慮不同速度對路面抗滑性能的綜合作用，在密切觀察后，發(fā)現(xiàn)在速度較低的行車速度時(shí)，路面摩擦?xí)S著路面溫度升高而逐漸降低，反之，在高速時(shí)路面摩擦卻隨著路面溫度的降低而增大。

4 車輛特性對路面抗滑性的影響

眾所周知，瀝青路面結(jié)構(gòu)是不同車輛行駛的主要載體，在實(shí)際的道路路面抗滑性研究分析過程中，工作人員應(yīng)對瀝青材料的特點(diǎn)、路面結(jié)構(gòu)以及其他施工條件進(jìn)行妥善處理，并重點(diǎn)關(guān)注瀝青路面結(jié)構(gòu)和車輪之間產(chǎn)生的相互作用力，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)和輪胎產(chǎn)生一定的摩擦效果后，在不同的空氣環(huán)境（主要分為干燥和潮濕兩種）下，通過有效的管理，確保交通運(yùn)輸?shù)裙ぷ黜樌M(jìn)行，避免安全意外事故出現(xiàn)的概率。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，車輛在行駛期間可能產(chǎn)生一系列的傾覆、打滑及翻車不良現(xiàn)象，使得輪胎對瀝青路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的附著力影響后，一般會在路面產(chǎn)生摩擦效果后，經(jīng)過多個(gè)部門全面交流的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確及時(shí)地分析和評估輪胎橫向力、縱向力、制動(dòng)距離以及制動(dòng)減速度等數(shù)據(jù)內(nèi)容，并在有效地結(jié)合瀝青路面抗滑性能后，減少車輛行駛期間的碰撞情況。例如，科研人員可以將運(yùn)動(dòng)摩擦阻力除以垂直于路面界面的壓力負(fù)荷，進(jìn)而自動(dòng)實(shí)時(shí)地獲取摩擦系數(shù)，在具體分析路面抗滑性時(shí)，不僅要重點(diǎn)關(guān)注路面特性，還要意識到車輪特性、荷載條件以及交通運(yùn)輸量的約束，在建立科學(xué)的管理架構(gòu)后，提升路面抗滑性效果。

在大量的實(shí)踐下，靜態(tài)荷載、勻速移動(dòng)荷載步驟、2D輪胎模型和3D輪胎模型是車輛荷載模擬實(shí)驗(yàn)的主要階段，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和操作模擬后，前三者荷載操作方式不能對輪胎內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、路面結(jié)構(gòu)和輪胎之間的非線性接觸行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的推廣以及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，科研人員借助有限元商軟件，在全面的計(jì)算分析下，建立輪胎三維模型結(jié)構(gòu)來應(yīng)用到實(shí)際的運(yùn)動(dòng)相互作用分析、仿真處理工作。2001年，意大利某個(gè)高校的教授根據(jù)輪胎的內(nèi)部生產(chǎn)材料，考慮輪胎化合物對輪胎制動(dòng)性能影響等諸多內(nèi)容進(jìn)行分析，在800多次的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)操作后，得出了瀝青路面結(jié)構(gòu)會直接導(dǎo)致車輛制動(dòng)性能的結(jié)論，2007年，我國的道路管理人員在對隧道附著力效果、車輛在隧道內(nèi)的運(yùn)行流量等情況進(jìn)行了全面研究，根據(jù)結(jié)合行車動(dòng)力學(xué)主要內(nèi)容，提出以車輛制動(dòng)時(shí)路面的臨界附著系數(shù)作為隧道路面抗滑能力的不可接受水平，據(jù)此制定了隧道路面的抗滑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而采取隧道抗滑管理的主要措施，其他科研人員對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，確定某路段車輛交通量是否對熱拌瀝青路面摩擦力產(chǎn)生影響，通過一系列的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，平均日交通量對摩擦阻力的影響大于等效單軸載荷。值得說明的是，當(dāng)?shù)芈氛芾聿块T應(yīng)加強(qiáng)對路面結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)，在定期的養(yǎng)護(hù)管理后，提升路面抗滑效果，確保公路的整體功能可以為人民群眾提供更多的便利。

5 結(jié)語

總而言之，瀝青路面抗滑性能影響因素是受到多種條件共同形成的，對路面抗滑性的分析應(yīng)綜合考慮外部環(huán)境、路面的交通車輛以及瀝青路面等諸多方面，與此同時(shí)，國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者更應(yīng)緊密聯(lián)系國內(nèi)外的抗滑性實(shí)踐案例，在統(tǒng)籌規(guī)劃的基礎(chǔ)上，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，結(jié)合先進(jìn)的施工處理技術(shù)，建立適合車輛通行的交通環(huán)境，在確保行車安全的基礎(chǔ)上，拓寬路面摩擦力管理措施，定期集中地對公路結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的養(yǎng)護(hù)維修管理，在確保路面抗滑效果最佳的基礎(chǔ)上，提升整體的交通運(yùn)輸水平。