高速公路沥青路面抗滑性能研究

林爱萍

(福建船政交通职业学院，福州 350007)

1 前言

国民经济发展的同时，对于交通运输的需求也不断增大，2019 年我国高速公路的总里程已达到14.3 万公里高居世界第一位,大部分为沥青路面。 沥青路面作为一种柔性路面，能够提供舒适的行车条件，具有快捷、安全且施工周期短、养护维修便捷等优点，得到了广泛的应用。

沥青道路的抗滑性能主要是指：车辆在正常行驶情况下不发生侧滑失控， 在停车制动时路面能提供足够的摩擦力。 沥青路面的抗滑性能与道路行车的安全紧密相关。道路的性能是保障车辆安全行驶的首要因素，日益频发的高速公路交通事故，因其严重的后果，导致了国家经济的损失，国民的人身安全也收到严重的威胁，同时也阻碍了我国交通运输行业的发展。 部分事故是由于高速公路路面未能为车辆轮胎提供足够的摩擦作用力， 导致车辆失控引发侧滑、侧翻[1]-[4]。

本文从沥青路面-轮胎摩擦机理出发探究路面与轮胎的受力行为，分析横向力系数、摆值、摩擦系数、构造深度等抗滑性能指标的相关性，研究不同标号沥青材料、混合料级配、油石比及集料品质对路面的抗滑性能的影响，最后提出了提高沥青路面的抗滑性能的措施， 可为我国高速公路抗滑针对性养护工作决策提供参考依据。

2 沥青路面抗滑机理及指标

2.1 沥青路面抗滑性能研究机理

经过英、美、法等发达国家几十年的研究，目前国际上认为影响沥青路面的抗滑性能的因素主要包括橡胶轮胎与沥青路面之间的分子相互作用， 包括了黏附力和滞后力。

正常行驶状态下， 车辆行驶安全性主要取决于轮胎与路面间的附着特性， 附着作用的最基本要素是胎面橡胶与粗糙路面之间的摩擦因数， 该摩擦因数由于运动和制动状态的不同分为滚动摩擦因数和滑动摩擦因数。 车辆行驶过程的安全问题一般出现在制动过程， 轮胎与路面间的摩擦因数的大小受众多的条件情况影响[5]。 轮胎－路面之间的摩擦作用包括： ①轮胎与路面间范德华力作用；②轮胎与路面间的黏附力；③胎面橡胶的弹性变形；④路面上小尺寸微凸体的微切削作用[6]-[7]。 摩擦力分力示意图见图1。

图1 摩擦分力示意图

图中各符号含义：

Fa为黏附摩擦力； Fh为黏滞摩擦力；Fe为微切削作用产生的摩擦力；S 为轮胎与路面的接触面积；σs为路面材料的屈服极限。

关于路面与橡胶轮胎之间摩擦在轮胎-路面附着机理方面，1962 年Kummer 等[8]就开展了相关研究，提出橡胶与路面的摩擦力主要来源于黏附力和滞后力。实际上，轮胎-路面接触时由于胎面花纹块和路面纹理的存在，导致胎面橡胶并未与路面完全接触；同时，由于车辆荷载并不是均匀分布在接触区域内， 并且车辆运动时接触面积发生变化， 最大摩擦因数可能在接触区域的任何部分发生。 轮胎-路面接触区域分为黏着域ln和滑动域lb。 轮胎弹性滑转示意见图2，图中：Fxn为在黏着域产生的静摩擦力；Fxb为在滑动域产生的滑动摩擦力；X 为轮胎接地印迹的长度方向；fX为轮胎接地印迹的宽度方向。 此时，地面作用在轮胎上的力Rx小于整个轮胎滑动时的摩擦力，即为Rx＜φxPz=fxn+fxb， 其中，Pz为轮胎上作用的法向荷载，φx为路面附着系数。

图2 轮胎弹性滑转示意图

2.2 路面抗滑指标

各个国家在应用不同测试仪器得到了沥青路面的实际数据，采用不同的抗滑性能指标。以英国为代表的欧洲国家将横向力系数作为沥青路面的抗滑性能评价指标。澳大利亚则是采用横向力系数和构造深度评价路面抗滑性能。美国大多数地区采用车速、动态摩擦系数和构造深度的复合指标法[9]。

我国现行设计规范采用横向力系数SFC 和构造深度TD 评价路面抗滑性能。 横向力系数SFC 能体现车辆发生侧滑的概率，而且能够不间断的得出其数值，构造深度一方面增加了路表的粗糙程度， 另一方面车辆在潮湿路面行驶时，构造深度可排除道路表面积水，增加车辆行驶的安全性[10]。 利用动态摩擦系数测试仪DFT 一次测试就可获得摩擦系数随速度变化的曲线， 摩擦系数对应的速度采样间隔为0.1km/h， 可靠的测试速度区间为0km/h～80km/h。 然而目前基于DFT 的路面抗滑性能评价，仍以某一速度对应的摩擦系数作为指标(常以60km/h 对应的摩擦系数DFT60 为指标)。目前国内外较为广泛使用抗滑指标见表1。

表1 国内外常见抗滑指标

2.3 路面抗滑指标相关性分析

为研究横向力系数SFC、摆值BPN、摩擦系数DFT、构造深度TD 各指标的相关性， 本文选取湄渝高速公路某标段工程抗滑性能指标检测数据， 分析各个指标的相关性，详见表2。

选取测点轮迹带处摆值BPN20 与横向力系数SFC，分析二者的相关性，如图3 所示。

上述分析结果可以得出，构造深度TD 与80km/h 下摩擦系数DFT 不相关。

表2 各指标系数的相关系数

相关系数小于0.3 不相关，0.3-0.5 弱相关，0.5-0.8中度相关，大于0.8 高度相关。

通过对抗滑指标相关性分析，得出以下结论：

(1)横向力系数SFC 与摆值BPN20、动摩擦系数DFT存在很强的相关性，与构造深度TD 无明显关系。 横向力系数SFC 表征了车辆侧滑的危险，检测较为方便，在国内外评价道路抗滑性能中应用广泛。 本文的研究结果也能间接反映横向力系数SFC 能从多角度评价道路的抗滑性能。

(2)构造深度TD 与横向力系数SFC 与摆值BPN20、动摩擦系数DFT 不存在相关性。 主要由于构造深度TD主要反映道路表面粗糙程度以及孔隙的平均深度及构造的宏观性能。

图3 各指标系数的相关性图

(3)动摩擦系数DFT 与横向力系数SFC 以及摆值BPN20高度相关。 动摩擦系数DFT 考虑了车速对于摩擦系数的影响，在日本作为评价道路抗滑能力的标准，在复合指标评价中同样有着重要的作用。

(4)摆值BPN20 与横向力系数SFC 有着显著的相关性，与动摩擦系数DFT 高度相关，与构造深度TD 不存在相关性。

3 路面抗滑影响因素分析

3.1 沥青影响因素分析

路表混合料在高频次的交通荷载及超载作用下经常会出现沥青老化的现象，通过路面检测发现，表观抗滑指标较差的路段，路面沥青同时存在显著老化。根据道路工程所在地的温度气候条件及降雨情况选择合理的沥青标号，在低温寒冷地区选择较高的沥青标号，反之高温炎热地带选用低标号沥青[11]。 并且，需要严格控制沥青用量，沥青用量过大容易出现泛油、 夏季沥青膨胀能将集料挤开，出现这些情况都能降低沥青路面的宏观、微观构造，从而降低沥青路面的抗滑性能。

3.2 油石比影响因素分析

在沥青路面施工中， 胶结料沥青与集料的用量比值被称为油石比， 油石比的数值通过试验以及施工经验确定。 当胶结料较少时，沥青不足导致集料剥落，在一定程度上影响沥青路用性能，对车辆行驶的稳定性造成影响。当表层的沥青胶结料适当时， 对抗滑性能及其耐久性有一定提高。当胶结料过多时，沥青会在矿料间形成一层润滑层，使矿料推移，影响混合料强度，同时过高的油石比会降低轮胎与路面的附着系数。

3.3 集料品质影响分析

集料对于沥青混合料的路用性能占有着主导作用，通常情况下，集料的质量占混合料总质量的80%以上，粗集料作为骨架，承担着路面荷载，同时，裸露在表面的粗集料是路面的构造深度重要来源， 对沥青路面的抗滑能力有着重要影响， 而集料的磨光值是沥青路面微观构造的重要参数， 在车辆行进的过程中沥青路面的表面粗糙程度是控制汽车制动的首要的条件， 当路面磨光值小于35 时，道路交通事故率显著上升，当路面磨光值大于42时则事故发生的情况较少[12]。

3.4 污染物影响因素分析

在车辆行驶过程中，砂子、水泥、机油等污染物撒落是不可避免的，极大的影响了路面的抗滑性能[13]。

由于砂粒的存在， 砂粒在轮胎与路面表层之间形成一个滚动介质，导致摩擦系数降低。当路面的表层构造已经被水泥、机油填充时，橡胶块和路面之间已经没有路面表层构造形成的粗糙的纹理， 导致BPN 摆值显著降低；路面水膜对路面抗滑能力有衰减性影响， 随水膜厚度增加，抗滑性能逐渐减弱，但当水膜厚度达到一定值，抗滑性能会达到稳定状态，抗滑性能也基本会保持不变。

4 沥青路面抗滑措施

为保证路面结构具有足够的抗滑性能， 可分别从结构层设计、原材料选取、施工工艺与养护技术等方面展开预防措施。

4.1 选用合理的表层混合料

常用的抗滑表层及特点见表3。

表3 常见防滑层及特点

4.2 机械施工及养护措施

保证路面工程施工质量直接决定着路面抗滑性能的好坏。 在道路工程基层在建设时，应符合以下标准要求：将混合料的最大公称粒径控制在26.5mm 之间， 且将混合料中孔隙率在14%～19%之间，在此情况下，进入沥青混合料基层内的水分能够顺利排出， 确保了基层的干燥性。 在路面铺设时可以加入少量拌石用以提高路面粗糙度，沥青碾压完成后，可嵌入石屑使其形成一层防滑封面层，以此提高道路防滑性能。

路面使用过程中的养护也同样至关重要。 在路面出现小损伤的情况下，可以采取以下措施养护：将损坏的路面结构层采用机械铣刨后，清理干净，按路面工艺进行修补。 在路面出现大裂缝的情况下，检测路面裂缝的深度、宽度进行，并从裂缝深处开始进行填补，将灌缝胶等材料填充到整个裂缝内，使路面重新连接为整体，保证路面的整体性。

4.3 合理选择沥青材料及矿质骨料

在修建新的高速公路沥青路面时， 根据工程所在地的气候条件及降雨情况选择相应标号的沥青。 沥青的油石比是保证沥青路面抗滑性能的另一重要因素。 通过在设计和施工中严格规定并控制油石比， 确保沥青的用量既能涂覆集料的表面，将其粘住，而又不致溢出，在沥青混凝土表面形成光面。

在沥青路面施工中， 需采用坚硬棱角性好的矿质骨料，提高路面的耐磨性，使路面能够在车辆制动时提供足够的摩擦力。 使用开式级配，并对细料用量合理控制，提升表面构造，保证潮湿路面下行车的安全性。

5 结论

(1)通过对抗滑指标相关性分析得出：横向力系数SFC 与摆值BPN20、 动摩擦系数DFT 存在很强的相关性；构造深度TD 与摆值BPN20、动摩擦系数DFT 不存在相关性。

(2)集料级配对抗滑性能影响从宏观方面体现，优良的集料级配可以提供更好的宏观结构、合理的构造深度，有助于路面和轮胎间的嵌挤效果， 可以提供更大的摩擦力，提高路面的抗滑性能。因此施工单位在施工前应将配比试验送有资质单位进行，获得最佳级配，保证路面的最佳抗滑性能。

(3)砂子、水泥、水、机油等路面污染物对路面抗滑性能影响显著，机油、砂子对路面抗滑性能影响程度高于水及水泥对路面抗滑性能的影响。 因此在日常养护过程中，养护单位应及时清理路面污染。 另一方面，路政部门应加强对运砂车辆、运土车辆的监督管理，严禁飘洒杂物。