摘要 为延长优异抗滑路面的使用寿命,该文研究了沥青路面抗滑性能的关键因素和机理。研究表明:沥青路面的抗滑机理涉及其表面构造及轮胎与路面的相互作用,包括微观构造、宏观构造等;沥青路面抗滑性能受材料性质、施工技术、轮胎特性和环境条件等多种因素影响。本研究提出了提升沥青路面抗滑性的研究方向,包括改性沥青的使用、高性能集料的开发以及纹理深度控制技术的改进,为设计更加安全、经济、耐用的抗滑路面提供理论依据。
关键词 抗滑性能;沥青路面;影响因素;道路工程
中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 2096-8949(2024)18-0070-03
0 引言
沥青路面的抗滑性能损失是道路中最常见的病害,在长大下坡路段尤为明显。通过交通事故的调查发现,81%的事故与路面使用性能有关[1],阴雨天气时,路面上会产生一定厚度的水膜,与干燥路面相比,横向力系数降低46%,发生交通事故的概率是干燥道路的5倍[2],路面抗滑性能的降低,对驾驶安全和道路服务质量产生了严重影响[3]。
1 沥青路面抗滑的产生机理
汽车的行驶性能,包括起步、刹车和转向,受道路与轮胎间摩擦的影响。车辆行驶中,轮胎与路面碰撞形成碰撞系统,涵盖轮胎、路面、二者间的污染物及外界环境[4-5]。轮胎影响因素包括其结构特性、尺寸、型号及橡胶材料,路面影响因素则涉及混合料、集料性能及结构等,而轮胎与路面间的污染包括雨水、雪、灰尘、废气、废油及紫外线等。
1.1 沥青路面表面构造
路面表层的基础构造可看作是一系列具有不同的长、宽组合,其中两组反复计算得到的路面表层的横向间距称为波长[6]。
1987年,国际道路协会根据波长范围和波幅范围将沥青路面表面纹理分为微观构造、宏观构造、大构造和不平整度构造[7],目前研究认为,沥青路面抗滑性能主要取决于微观构造和宏观构造[8-9]。
微观构造影响轮胎与路面的摩擦力和抗滑性,纹理密度和高度越大,抗滑性能越强[10]。宏观构造涉及较大范围的路面纹理,影响因素包括集料的粒度和级配,对抗滑性和安全性有积极作用[11-13]。大构造和不平整度构造影响排水和抗滑性,如车辙和坑槽会降低舒适度和路面性能,四种纹理的波幅、波长以及影响因素等分类详情,如表1所示。
1.2 沥青路面与轮胎之间的作用
汽车轮胎是由高弹性模量的橡胶材料制成,具有良好的变形特性。在路面行驶时,汽车轮胎会受到路面硬度、车辆垂直荷载、接触面积、车速、外部环境温度和湿度等因素的影响,这些因素会改变轮胎与路面间的摩擦力,分析汽车轮胎与沥青路面之间的摩擦磨损机理,可以归纳出以下几点:
(1)轮胎与路面间分子引力作用:轮胎与路面接触时产生的分子作用力反映了胎-路摩擦的微观情况。分子作用力的大小不仅取决于轮胎和路面材料的性能差异,还与实际接触面积及路面状态密切相关。
(2)轮胎与路面间的黏着作用:汽车运行时,轮胎与地面形成紧密贴合,产生黏着力。摩擦试验显示,轮胎表面可吸附细集料,而路面的微小橡胶颗粒也能附着在轮胎上,表明存在一定的黏附力[14],这是橡胶与沥青之间不断结合与断裂的动态过程。
(3)轮胎橡胶的弹性变形:行驶中,轮胎橡胶会经历弹性变形,并产生回复力,这是摩擦力的一个延迟因素。由于回复力小于变形力,弹力滞后,不同花纹的轮胎在纵向和横向上的摩擦力能力也存在差异,说明橡胶弹性变形对摩擦力有影响。
(4)路表微小凸体的切削作用:在荷载作用下,路面微小凸起会对轮胎产生高压,并可能微切削轮胎表面,这是摩擦力的一种表现。摩擦力受到轮胎和路面材料特性、路面粗糙度和凸起锋利度的影响,实际接触面积虽小,但对摩擦力具有决定性作用。
由此可见,在路面与轮胎的界面处形成摩擦力的过程是复杂的,是由多种力联合作用形成的,由上述四种力的矢量和组成了摩擦力。
2 路面抗滑性能的影响因素
路面的抗滑性能主要是由于轮胎与路面的作用形成的,其受力状况比较复杂。内在因素对沥青路面抗滑性能的影响主要涉及:沥青、集料、沥青混合料、施工技术和运营管理等。外部因素主要是轮胎因素、车辆载荷和运行时间、温度和季节变化等。
2.1 路面材料
沥青的抗滑性能受多方面因素影响,包括其特性、用量、老化程度以及受荷载作用下的流变特性变化,具体如下:
(1)沥青及其用量:过多沥青会导致泛油,而用量不足导致集料无法完全覆盖,降低黏着力,增加脱落风险。高蜡量沥青易泛油、易开裂,添加橡胶颗粒可提升路面黏弹性,改善抗滑性。
(2)集料:集料是沥青混合料中最大成分,对综合力学特性影响显著,粗集料的力学指标、矿物成分等是关键因素,通过磨光值和磨耗值体现,抗压碎能力则通过压碎值衡量,不同集料的矿物质含量和组成直接影响其力学性能。
2.2 轮胎因素
(1)轮胎结构类型的影响:包括斜交线轮胎、子午线轮胎和带束斜交轮胎,斜交线轮胎在滚动时与路面摩擦形成挠曲力和弹性变形;子午线轮胎具有较强的抗变形能力,产生较小的弹性变形,从而降低滑动摩擦力;带束斜交轮胎介于两者之间,但子午线轮胎的实际摩擦力远高于斜交线轮胎[15-16]。
(2)轮胎表面花纹的影响:包括横向花纹、纵向花纹、混合花纹和块花纹,花纹越密集,轮胎与路面接触面积越大,从而增加黏着力[17]。轮胎表面花纹的深浅也会影响轮胎与路面间的摩擦力,轮胎花纹分类,如表2所示。
(3)轮胎充气压力的影响:在坚硬的道路上,由于橡胶的弹性迟滞特性,使其产生更大的弹性变形。相反地,如果降低轮胎的空气压力,那么轮胎与地面的有效接触区就会增加,轮胎与道路的摩擦力增加。
2.3 施工工艺及运营养护管理
施工过程(如搅拌、摊铺和碾压)直接影响沥青路面质量、排水性能和平整度,进而影响车辆行驶。较高的施工质量能延缓路用性能的衰减,不良的养护管理会加速沥青路面抗滑性能的衰减,应及时采取养护措施可减少路面病害,保障行车安全。
2.4 交通荷载的影响
交通荷载,特别是车辆荷载,对沥青路面抗滑性的影响显著,主要通过车辆与路面的互动来体现,如磨光和磨损效应。车辆荷载增加会恶化路面质地,降低轮胎与路面间的摩擦,导致抗滑性变差和路面病害增加。新建沥青路面抗滑性最佳,但随着时间推移,表面沥青磨损后,粗糙集料暂时增加抗滑效果,随后性能下降,因此沥青路面抗滑性在初始阶段先有所下降,然后微幅增加,最终稳定下降。
2.5 水和污染物的影响
水在路面抗滑性能中扮演着重要角色,一般情况下,轮胎与路面之间的摩擦系数随温度上升而减小,但结冰路面在0℃时的摩擦系数最高[18]。水分子与路表接触形成水膜,使得轮胎与路面接触减少,产生水漂现象。降雨时,水会冲刷附着在路面上的污染物,降低路表温度。
路面抗滑性能在建成时就受到污染物的影响,附着在路表的污染物导致微观构造降低,影响轮胎与路面间摩擦力。在阴雨天气下,水溶性污染物的润滑作用导致路表摩擦系数急剧下降,同时堵塞路面宏观构造,使路面排水能力下降,影响车辆行驶安全性。
3 发展趋势
随着材料科学、施工技术和信息技术等的不断进步,提升沥青道路抗滑性能的策略和方法将更加多样化和科学,未来可在如下方面进行研究。
(1)改性沥青:添加各种改性剂如橡胶颗粒、聚合物等来提高沥青的黏弹性,改善其抗滑性能,改性沥青不仅能提高路面的耐久性,还能在不同温度下保持良好的抗滑性。
(2)高性能集料:选择具有良好抗磨损性和高抗压强度的集料,能有效提升路面的抗滑性,同时,通过优化集料的粒度分布和形状,增加路面的微观纹理,有助于增强摩擦系数。
(3)纹理深度控制:通过改进摊铺和碾压技术,控制沥青路面的宏观和微观纹理,以达到提高抗滑性的目的。
4 结论
沥青路面是道路中最常见的类型,其抗滑性能的优劣决定了车辆行驶的安全性,该文详细研究了其沥青路面的抗滑机理、影响沥青路面抗滑性能的主要因素,得出如下结论:
(1)沥青路面抗滑机理主要由路面表层构造和轮胎与路面之间的相互作用构成,路面表层构造包括微观构造、宏观构造、大构造和不平整度构造,其中微观构造和宏观构造对路表构造影响最为重要。轮胎与路面之间的相互作用包括分子引力作用、黏着作用、轮胎橡胶弹性变形作用和切削作用。
(2)影响沥青路面抗滑性能的因素主要分为内在因素和外在因素。内在因素包括沥青及其用量、集料级配、沥青混合料类型;外在因素包括施工工艺及后期运营管理、轮胎结构类型、轮胎花纹类型、车辆荷载、水和污染物。
(3)未来的研究可着重于改性沥青、高性能集料、纹理深度控制等方面,以提升路面抗滑性能。
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