（交通运输规划与管理专业论文）路面抗滑性能及其影响的试验和理论研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的快速发展，道路运输发挥越来越重要的作用，然而与此同时， 我国道路交通事故持续增长，且事故严重程度高，死亡人数连续几年居世界第一， 严重威胁人民的生命及财产安全。影响交通安全的道路因素很多，包括人、车、 路、环境等，但在事故统计及分析中，往往认为事故的主要原因是驾驶员的责任， 对道路条件考虑的很少。国内外的研究认为，道路条件也是引发事故的重要原因。 路面条件是道路条件的一个因素，不断受到车辆的磨耗且暴露于大自然之中，易 受到天气状况的影响，是道路条件的易变因素。 影响道路交通安全最重要的路面因素是路面的抗滑性能。本文从轮胎与路面 的作用机理出发，介绍了影响路面抗滑性能的相关因素、现行抗滑指标以及检测 设备。在此基础上，采用比较先进的动态摩擦系数测定仪和路面纹理测试仪，对 l o 条不同时间修建的水泥混凝土路面和新近养护的沥青混凝土路面进行了测试。 分析了不同路面摩擦系数随速度的变化特征，不同速度下摩擦系数与路面宏观构 造的关系，摩擦系数随速度的变化率与路面宏观构造的关系。通过研究发现，摩 擦系数受测试速度的影响，路面摩擦系数随测试速度的升高而降低。不同速度下 的摩擦系数与宏观构造之间相关系数较低。水泥混凝土路面摩擦系数随速度的变 化率与该路面宏观构造有很好的相关性。养护的沥青路面，养护材料中添加铝矾 土比添加石英砂的路面摩擦系数高。 湿路面是路面抗滑性能降低的一个重要原因。本文选取了四条高速公路雨雪 天气事故资料，分析了雨雪天气事故比例、事故形态、事故随里程分布。通过雨 雪天气的事故分析，同时结合湿路面事故的相关研究，说明雨雪天气事故的主要 原因是路面抗滑性能降低，进一步说明路面抗滑性能对道路交通安全有很大的影 响。 关键词路面；摩擦系数；宏观构造；事故；安全 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，r o a dl a a n s p o r t a t i o nb e c o l n e $ m o l e i m p o r t a n t a tt h es a n l et i m e 觚c a c c i d e n ti si n c r e a s i n g ，a n ds e v e r i t yo f a c c i d e n ti s g r e a ti nc h i n t l t h en u m b e ro f d e a t hr a n k e df i r s ti nt h ew o r l d f o ry e a t s ，w h i c hi m p e r i l s p e o p l e sl i f ea n dp o s s e s s i o n t h e r e 锄m a n yr o a df a c t o r sw h i c ha f f e c t 锄cs a f e t y ， i n c l u d i n gp e r s o n ，v e h i c l e ，r o a d ，e n v i r o n m e n ta n d s oo n ma n a l y z i n g 恤伍ca c c i d e n t ， d r i v e ri sr e g a r d e da st h em a i nc a l 】s e ，a n dr o a df a c t o r sc a nb et h o u g h ts e l d o m r e s u l t s o f i n t e r n a la n d0 1 _ e l s e ar e s e a r c hi n d i c a t et h a tr o a di s 觚i m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gr o a d 嘣cs a f e t y p a v e m e n t 船o n eo f t h er o a df a c t o r si sav a r i a b l ef a c t o r ，w h i c hi sw o r l l a w a y b y t i r ea n de x p o s e dt oo u t s i d ea n da f f e c t e db yw e a t h e r t h es k i dr e s i s t a n c ei st h em o s ti m p o r t a n tp a v e m e n tf a c t o ra f f e c t i n gr o a d s a f e t y t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e sm e c h a n i s mo f t h e t i r ea n dr o a ds u r f a c e ，t h ef a c t o r s a f f e c t i n gp a v e m e n ts k i dr e s i s t a n c e ，s k i d r e s i s t a n c ec r i t e r i o na n d t e s t i n g e q u i p m e n t s t h e n t e nc o n c r e t ep a v e m e n ta n dn e wm a i n t a i n e da s p h a l tp a v e m e n tw e r e t e s t e db yd y n a l n i cf r i c t i o nt e s t e ra n dt e x t u r em e a s u r e m e n t t h i sp a p e ra n a l y s e s f r i c t i o ne o e t t i e i e n tw h i c hv a r i e sw i t hs p e e d ，t h ec o r r e l a t i o no ff r i c t i o nc o e f f i c i e n ta t d i f f e r e n ts p e e d sa n dm a e r o t e x t u r e ，a n dc o r r e l a t i o no ft h ev a r y i n gr a t eo ff r i c t i o n c o e f f i c i e n ta n dm a c r o t e x t u r e a l a r o u g l at h es t a t i s t i ca n a l y s i s ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti s a f f e c t e d b y t h e s p e e d f r i c t i o n e o e t f i e i e n t d e c r e a s e sw i t h s p e c d i n c r e a s i n g c o r r e l a t i o no f f r i c t i o ne o e t t i e i e n t a td i f f e r e n ts p c c d sa n dm a c r o - t e x t u r ei s n o tg o o d t h em o d e lr e v e a l st h eq u a n t i t a t i v ee o r r e l a t i o l lb e t w e e nt h ev a r y i n gr a t eo f f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dm a e r o t e x t u r ea b o u t n c n 泡p a v e m e n t t h em a i n t a i n e d a s p h a l tp a v e m e n t ，t h es k i dr e s i s t a n c eo fb a u x i t ea d d e dt ot h ea s p h a l ti sb e t t e rt h a n q u a r t zs a n d w e tp a v e m e n ti s 吼i m p o r t a n tf a c t o rr e d u c i n gs k i dr e s i s t a n c e t h ea c c i d e n t si n r a i na n d 鲷m 啊w e a t h e ro n 姗f r e e w a ym - ee l a o s e n ，a n dt i l ep a p e ra n a l y s e st l a c p r o p o r t i o na n df o r mo fa c c i d e n t s0 1 1d i f f e r e n tw e a t h e r ，a n da c c i d e n t sd i s 仃i b u t i n g a l o n gr o a d t h r o u g ht h ea n a l y s i so f a c c i d e n tc h a r a c t e r i s t i ci nr a i na n ds n o ww e a t h e r ， a n d t o g e t h e rw i t hs o n a er e s e a r c ho nw e tp a v e m e n t ，t h em a i n c a u s eo f a e e i d e n t si nr a i n a n ds n o ww e a t h e ri st h ed e c r e a s eo f s k i dr e s i s t a n e e i ti st e s t e dt h a ts k i dr e s i s t a n c eh a s g r e a ti n f l u e n c eo n 自阻伍cs a f e t y k e yw o r d sp a v e m e n t ，f r i c t i o ne o e f l f i e i e n t ，m a c r o t e x t u r e ，a c c i d e n t ，s a f e t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：壶 差! 匠日期：丛2 ：羔：! 兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 道路交通安全形势 我国的公路建设发展速度较快，只用l o 余年的时间就建设了西方发达国家 几十年的规模。但是，与西方发达国家经过的历程一样，伴随着经济的迅猛增长， 我国的道路交通安全形势也十分严峻，1 9 9 0 2 0 0 2 年的1 2 年间，道路交通事故 里明显的增长趋势。1 9 9 0 年全国死于交通事故人数4 9 2 7 1 ，2 0 0 2 我国交通事故 死亡人数为1 1 8 1 3 1 人，是1 9 9 0 的2 4 倍；2 0 0 1 年我国死于道路交通的事故首次 超过l o 万人u 】。表1 1 列出了2 0 0 2 年我国与美国、欧盟、日本等发达国家道路 交通事故的对比结果，可以看出，我国道路交通事故形势十分严峻：死亡人数居 世界第一、严重性程度、死亡风险极高。近两年尽管道路交通事故死亡人数稍有 下降，但仍然是一个交通事故比较严重的国家1 2 1 。 ， 表1 - 1 中国与发达国家交通事故对比( 2 0 0 2 ) 3 1 t a b l e l - 1t h ea c c i d e n t so f c h i n aa n dd e v e l o p e dc o u a u i e s 项目中国美国欧盟日本 死亡人数( 人) 1 1 8 1 3 l4 2 8 1 53 8 8 2 49 5 7 5 百起事故死亡人数( 百起事故) 1 5 32 23 11 o 百公里道路死亡人数( 人，1 0 0 k i n )6 70 71 00 8 万车死亡率( 人，万机动车) 1 6 21 9l - 71 2 1 0 万人口死亡率( 人，1 0 万人口) 9 41 4 91 0 37 5 1 2 课题的提出 我国对于交通安全的研究还没有像发达国家那样开展的广泛和深入。近年来 我国政府、一些高校和科研单位逐渐意识到了道路安全的威胁，并展开了道路安 全方面的研究，在事故黑点鉴别、道路安全评价、交通运输保障体系的建立等领 域取得了一些成果【4 1 。但跟国外相比，我们起步较晚，交通事故资料匾乏，迄今 为止，我们还没有建立起一个权威的道路交通事故数据库可供广大科研工作者参 考使用，主要技术资料还不得不参照甚至照搬国外的标准。对影响交通安全的相 关因素也只是从比较明显的一些因素着手，对影响交通安全的道路因素还没有全 面深入的研究。快速的道路建设与日益严竣的交通安全问题，需要对影响交通安 全的各种因素进行详细的分析。 人、车、路和环境诸要素对交通事故的发生都有影响。但世界上多数国家的 北京工业大学工学硕士学位论文 公众舆论与交通管理机构，在调查道路交通事故时都简单的认为，事故的基本原 因是由于驾驶员的粗心或错误以及汽车的故障，也就是说把事故的主要责任归咎 于人与车，特别是人，而对于道路原因考虑很少或基本没有考虑【卯。道路是交通 运输的载体，车辆在道路上行驶必然受到道路条件的制约，所以应该详细研究和 分析各种道路因素对交通安全的影响。中国由于道路环境条件不良造成的道路交 通事故所占比例不到l ，而美国与道路环境有关的道路交通事故所占比例为 3 1 7 5 ，英国为3 4 t 6 1 。出现这种现象的原因在很大程度上是由于我国对道路条 件认识不足，道路条件这一重要因素往往被忽视。前苏联研究表明，7 0 的交通 事故与道路状况有直接或间接关系1 7 1 。欧洲联合经济委员会在关于预防道路不幸 事件问题的研究中指出，7 0 0 , 6 的事故是由于道路的缺陷所致。 路面因素是道路条件因素的一方面，对道路安全有很重要的影响嘲。一般在 分析交通事故的影响因素时，很少甚至几乎没有考虑路面因素。道路在通车一定 年限后，路面裸露的石料逐渐被车轮磨光、磨耗，路面抗滑性能降低，在潮湿多 雨季节，造成高速行车刹车制动距离加长，车辆失衡，从而最终导致交通事故的 发生【9 j 。根据英国1 9 7 3 年的统计资料，在m 4 号高速公路上修筑抗滑层后，摩 擦系数提高了0 1 5 ，雨天交通事故率从原来的5 6 跚亿车公里降低到2 9 次亿车 公里；1 9 8 5 年英国的调查研究指出：路面的摩擦系数每提高0 i s f c ( 相当于1 0 个摆值) ，雨天事故率就降低1 3 咐1 0 l 。 现代道路的发展对路面提出了越来越高的要求，不仅仅满足于通行这一基本 要求，更要求路面具有安全、经济、舒适的功能和使用品质，而其中最重要的就 是路面的安全性能【1 1 1 。路面抗滑性能是影响交通安全最重要的性能，良好的抗滑 性能为高速行驶的车辆在所有的时间里提供路面与车轮之间的良好的附着性；提 供轮胎与路面之问在安全距离内刹车所需要的摩阻力，减少交通事故隐患【1 2 1 。轮 胎与路面之间抗滑性能由它们之间的摩阻力产生，这种摩阻力的大小除了与轮胎 的特性、行车速度有关外，路面因素主要是路面的构造特性、路面的干湿状态【1 3 1 。 抗滑性能也是满足现代交通快速、安全运行的基本条件。大量调查表明，高等级 公路发生的交通事故大部分与高速行车下路面的抗滑性不足有关【1 4 1 。 路面性能影响因素复杂且受到自然气候的影响，路面条件随着时间和地点易 变【1 5 j 。我国高速公路的发展历程时间不长，对于不同路面抗滑性能的变化规律以 及路面抗滑性能与事故的关系仍缺乏足够的认识，尽管很多高速公路在竣工验收 时其抗滑性能均满足设计要求，但通车后抗滑指标衰减非常快【l q 。我国高速公路 事故率高，与高速公路服务水平高的特点不相符，所以很有必要研究影响道路安 全的相关因素，尤其是与道路有关的因素。 1 3 国内外研究现状 。 西方发达国家在二十世纪七k 十年代就认识到道路交通事故是影响国民经 2 第1 章绪论 济和社会生活的重大问题，先后开展了与交通事故有关的道路条件的相关研究， 成效显著。尤其是在道路因素对交通安全的影响研究方面，一直处于我国的前面。 二十世纪五十年代，道路研究者开始将路面抗滑性能及其检测方法和它与路 面安全行驶的关系列为路面表面特性研究的最重要内容。1 9 5 9 年，在维吉尼亚 ( v i r g i n i a ) 的c h a r l o t t e s v i l l e 举行了第一届国际抗滑讨论会。1 9 6 8 年，柏林技术大 学举行了潮湿状态下公路的抗滑性能与交通安全国际研讨会。1 9 7 7 年，在俄亥 俄州的哥伦布召开了第二届国际抗滑讨论会，本次会议更深入地讨论了路面表面 特性的各个方面，包括路面构造、噪音、反光等。近年来，世界各国在路面抗滑 性能方面取得了丰富的研究成果，研制出了多种抗滑性能检测设备，但由于各种 仪器的原理、技术参数不尽相同，相互间的可比性较差【1 7 1 。事故与滑溜的关系及 相应路面防滑标准的研究一直是世界各国的一个热点，在研究方法上有事故多发 路段整治效果分析和路面摩擦系数与事故的统计分析两类i l 剐。国外对路面性能与 交通安全的关系研究表明，路面抗滑性能与路表面的纹理构造有直接的关系【1 9 1 ， 而且路面的抗滑性能不是一个不变的固定的静态指标，是一个与行车速度有关的 动态指标。路面环境对道路的抗滑性能也有重要影响，干燥路面与湿润路面的摩 擦性能及其随车速的变化也不相同。国外在道路路面构造性能与抗滑性能的关系 方面，已经开始从动态的观点出发进行研究和实践，但对于不同类型路面抗滑性 能衰变规律等方面的研究，对路面性能与交通安全相互作用机理还没有完全解 明。 我国对于路面防滑技术的研究始于7 0 年代。在这以前我国几乎没有路面摩 擦系数的数据。1 9 8 0 年我国第一台摆式摩擦系数测定仪问世，后来又研制出石 料加速磨光机，与此同时还在7 个省对5 0 0 0 余公里干线油路上的1 0 0 0 余个事故 路段进行了调查。通过上述工作建立了沥青路面的防滑标准及指标体系并在日后 为有关规范采纳【瑚。 在“七五”期间确立了国家攻关项目“高等级公路半刚性基层沥青路面结构 设计和抗滑表层”。通过路面材料、结构以及施工工艺方面入手使沥青路面达到 抗滑标准，通过研究制定了目前的高等级公路的抗滑标准刚。8 0 年代后期对水 泥混凝土表面抗滑技术进行了研究。我国对路面抗滑研究已经有2 0 余年历史， 也取得了一些成果，但与国外相比还存在着差异，与我国道路建设存在差异性， 明显滞后。 当前我国道路工作者已经认识到道路抗滑性能的重要性，也认识到抗滑性能 研究的新方向及检测的新方法。但与国外相比，我国对路面性能与交通安全关系 的综合研究较少，对路面抗滑性能的研究和应用没有将道路路面性能与交通安全 有机的结合起来，对不同路面抗滑性能衰变规律、路面抗滑性能与交通事故等方 面，缺乏必要的调查和研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 国内外研究表明，路面抗滑性能是影响道路交通安全的重要因素。但以往的 道路性能评价都是以静态指标作为标准，与高速行驶的车辆与路面间的相互作用 机制不相符合。 1 4 本课题主要研究内容 本论文为国家自然科学基金项目道路路面性能与交通安全的互动关系 研究组成部分之一。道路路面性能与交通安全的互动关系研究的主要研究 内容：通过运用先进的实验研究手段，探讨各类道路的路面性能的动态变化规律， 摩擦性能形成机理及其在多耦合作用下的衰变规律，并通过调查研究交通事故与 路面性能的相关性，解明路面性能与交通安全相互作用机理，建立路面安全可靠 性评价理论和体系，为准确调查和确定交通事故原因提供科学合理的方法、为交 通事故多发路段和潜在的事故地段的道路改造提供理论指导。 本文对路面性能之一的抗滑性能进行研究，通过对路面抗滑性能作用机理及 影响因素进行分析，在对路面抗滑性能检测设备介绍的基础上，通过采用目前比 较先进的抗滑性能测试仪器，对不同通车时间的水泥混凝土路面和新近养护的沥 青混凝土路面的抗滑性能进行测试，在此基础上分析了不同路面摩擦系数与速度 的关系，摩擦系数随速度变化与路面宏观构造的关系，不同速度下摩擦系数与路 面宏观构造的关系。对养护材料中添加铝矾土和石英砂养护的沥青路面的抗滑性 能进行了分析。 根据路面抗滑性能受雨、雪等不良自然条件影响的特点，通过对四条高速公 路一定路段一年及更长时间雨雪天气交通事故的调查，分析了雨雪天气事故比 例、事故形态、事故随里程分布，在此基础上分析雨雪天气事故的主要原因，结 合国内外湿路面相关研究，说明雨雪天气事故的主要原因是路面抗滑性能降低， 说明路面抗滑性能对道路交通安全有很大的影响。 4 第2 章路面抗滑性能机理影响因素和指标 第2 章路面抗滑性能机理影响因素和指标 轮胎与路面之间摩擦力的产生机理及其影响因素是开展路面抗滑性能研究 及路面抗滑性能对交通安全影响分析的基础。本章将对路面抗滑性能机理、影响 因素及其指标进行阐述。 2 1 轮胎与路面间摩擦力的作用机理 轮胎与路面间摩擦力的作用机理较复杂，轮胎与路面之间的相对移动不能仅 仅认为是两个物体之间的滑动，m o o r e 认为轮胎与路面的摩擦力分为两种分量： 粘附分量( a d h e s i o n ) 和滞阻分量( h y s t e r e s i s ) ，这两种力如图2 1 所示。当轮胎 与路面相对位移为零时，滞阻分量的竖向力与荷载平衡，横向力也相互抵消；当 有相对位移时，由于轮胎的变形，使得横向力分布不平衡，产生了与行车方向相 反的合力。一些调查发现，在光滑而干燥的刚性路面上，滞阻力可以忽略，摩擦 力主要由粘附力提供；而粗燥而又光滑的路面上粘附力可以忽略【2 l 】。 图2 - 1 轮胎与路面间摩擦力组成 2 q f i g2 - 1a d h e s i o na n dh y s t e r e s i sc o m p o n e n t so f f r i c t i o n 目前关于轮胎与路面摩擦作用及其影响因素一般认为有以下： 1 ) 轮胎与路面间的分子力作用 这种摩擦力主要取决于轮胎与路面间的接触面积的大小，并且受路面状态、 湿度、污染、水膜、灰尘等的影响较大。 2 ) 轮胎与路面间的粘着作用 指轮胎与路面问粘着点剪断所需的摩擦力，主要取决于轮胎与路面材料的性 能、接触面之间的压力、路面状态以及轮胎与路面间的实际接触面积。 3 ) 胎面橡胶的弹性变形 北京工业大学工学硕士学位论文 轮胎橡胶是一种弹性材料。在路面较大微凸体及胎面花纹等的作用下，胎面 橡胶会反复产生较大的弹性变形，这种弹性变形所产生的变形力与弹性变形恢复 力的合力也构成了摩擦力的一部分。不同胎面花纹的轮胎在纵向或横向荷载作用 下将产生完全不同的变形情况，因此它们产生纵向或横向摩擦力的能力也完全不 同，这充分说明了橡胶弹性变形对轮胎与路面间摩擦力产生的作用。这种摩擦力 主要取决于胎面花纹和路面上较大尺寸微凸体的性能等。 4 ) 路面上小尺寸微凸体的微切削作用 2 2 1 在荷载作用下，路面上较小尺寸的微凸体会在胎面的局部产生较大的应力集 中。当胎面上所产生的局部应力超过了其断裂强度时，在切向力的作用下，路面 上尺寸较小的微凸体就会对胎面形成微切削作用。微切削过程中产生的阻力是轮 胎与路面间摩擦力的一部分。许多轮胎摩擦表面的扫描电镜照片都证明了轮胎与 路面间微切削作用的存在。由微切削作用产生的摩擦力除与轮胎及路面的材料性 能有关外，它主要取决于路面上较小尺寸微凸体的大小、分布情况及锋利性等。 上述轮胎与路面的作用及影响因素可以发现，轮胎与路面间的作用机理除了 轮胎自身的影响因素外，很大影响因素是受到路面表面构造、接触面积和路面状 态的影响。轮胎对抗滑性能的影响主要是轮胎花纹和使用过程中的磨耗作用，突 变因素较少，相比之下，路面总是暴露于大自然之中，除了本身表观构造不停被 磨耗影响之外，受环境和天气变化影响较大，尤其雨雪天气，路面潮湿、积水、 甚至结冰使路面表面性能发生了突然变化，造成抗滑性能的显著降低，在摩擦力 的产生形成过程中是易变的因素【l 卿。 2 2 路面抗滑性能影响因素 2 2 1 路表构造特征 根据a s t m e 8 6 7 ，路面表面构造分为两类：路面微观构造和路面宏观构造【2 l j 。 根据国际道路协会常设委员会fp e r m a n e n ti n t e m a t i o n a la s s o c i a t i o no fr o a d c o n g r e s s e s ) ，微观构造( m i c r o t e x t u r e ) 和宏观构造( m a c r o t e x t u r e ) 的形成原因如表 2 1 。 微观构造又称细构造，指表层石料表面水平向o 加5 m m ，垂直方向0 - 4 ) 2 m m 的微小构造，表示集料本身凹凸构造 2 3 1 ，与集料的品质及集料抵抗交通磨光作用 的能力有关，受气候、季节以及交通的影响。沥青混凝土石料颗粒形状及棱角构 成、沥青胶浆构造和接合料对其有一定影响。由于水泥混凝土正常表面粗集料裸 露比例不超过1 2 ，所以微观构造主要取决于水泥砂浆。微观构造对轮胎与路面 表面的附着力有很大影响并影响交通安全1 2 4 ，在潮湿条件下，没有微观构造，车 辆制动几乎没有抗滑阻力。微观构造的尖峰值对于保证集料在潮湿状况下穿透路 表的水膜、排除水分并保持轮胎与路面的紧密接触是必要的。从抗滑的要求出发， 6 第2 章路面抗滑性能机理影响因桑和指标 最佳的尖峰高度为0 0 1 0 1 m m 。微观构造的密度或间距直接影响路面的摩擦力， 粗糙密度越大，轮胎与路面的接触点越多，轮胎与路面间的附着力越大。微观构 造的直接测量过去只能采用电镜扫描、立体照相和描迹等方法，工程上应用较多 的是通过对摩擦系数的测定间接量测微观构造的大小。最新研究可以采用图像方 法进行测量和分析【。 表2 - l 微观构造和宏观构造形成原因 t a b l e 2 1t 1 l cc a u s eo f m i g r o t e x t u r ea n dm a c r o t e x t u r e 类别形成原因 微观构造水泥砂浆或沥青胶浆和集科表面的构造 宏观构造混合料级配( 集料粒径、形状、捧列) ； 表面处理( 嵌压、裸露、表面处治、刻槽等) 宏观构造又称粗构造，其水平方向为0 5 5 0 m m 、垂直方向0 2 - 1 0 m m 2 3 1 。路 面的宏观构造由很多因素决定，主要取决于粗集料的形状、矿料的级配和施工工 艺，也与粗集料的形态、间距、排列分布以及级配类型有关闭。集料的强度、韧 性与抗磨能力则会影响到宏观构造的持久能力，因此，抗滑层主要通过材料的选 择、合理的级配设计与施工工艺来实现。路面的宏观构造表征路面集料颗粒之间 的空隙和排水能力，轮胎和路面之间的排水能力与宏观结构有关【2 7 】。在高速行车 的作用下，湿路面的抗滑性能取决于面层宏观构造排水能力，排水及时可以避免 连续水膜的存在而形成滑漂现象。宏观构造对于保证路面在潮湿状态下的能见 度、减少水雾、喷雾和溅水也有重要的作用。在一定的压实功下，影响沥青路面 构造深度大小的主要因素是集料的组成情况。有关研究发现，在最大粒径相同的 情况下，沥青混合料4 7 5 m m 以上的集料是构成路面外露并形成路面宏观构造的 主要成分，粗集料含量越多，路表的裸露骨料之间的空隙越大，路面的抗滑性能 就越大1 2 8 1 。均匀的颗粒对于改善路面的宏观构造深度具有积极意义1 2 9 。对于水 泥混凝土路面，为满足抗滑性能的要求，水泥混凝土表面进行修饰处理，在工程 中，主要采用扫毛法、滚槽法、露骨( 石) 法、刻槽法等旌工工艺来增大宏观构造， 提高水泥混凝土路面的防滑性能 3 0 l 。水泥混凝土表面压( 刻) 槽的形式和质量对 于水泥混凝土表面构造的形成很重要。槽的宽度、深度及间距搭配，有利于取得 较好的表面纹理构造深度，提高路面的抗滑性能。工程上运用最广的宏观构造测 量方法是铺砂法。 路面的微观构造和宏观构造共同作用，影响路面抗滑性能。不同路面微观构 造和宏观构造不同，影响相应路面的抗滑性能。图2 - 2 为路表面构造与路面抗滑 能力的关系。可见看出，表面光滑的路面a 抗滑性能最差；细构造差的道路抗滑 7 北京工业大学工学硕士学位论文 性能较细构造好的道路差，在相似细构造的条件下，粗构造好抗滑力高。 z 衍 g 毫 穗 露2 盔- 先狮 在= 盈固b 轫扮墙蓑捆构造羞 e ! 笠盔c 鞋鹎渣麓细构造搿 程衄d 祖托逸好期拘遗差 丘2 嬲租构进好簟构造好 圈2 - 2 表面构造对抗滑性能的影响1 3 1 f i g u r e 2 - 2s k i dr e s i s t a n c ea saf u n c t i o no f s p e e df o rv a r i o u st y p e so f p a v e m e n ts u l - f a t e x t u r e 2 2 2 潮湿状况 当路面由于雨、雪天气而形成湿路面时，轮胎与路面之间的接触面积的有效 性会降低，主要是水分在路表形成润滑水膜，隔阻了轮胎与路面问的接触1 3 2 。积 水达到一定程度，车速较高时甚至会造成车轮与路面的附着几乎消失，车辆会出 现“打漂”。当水膜厚度大于1 咖，速度大于6 0 k m h 时，宏观构造对抗滑性能有 很大影响【3 3 】。由于水膜的润滑作用，轮胎与路砸的附着系数显著降低，制动失控， 转向不灵，汽车很容易发生侧滑，偏离正常的行驶方向，当水膜厚度较深时，只 要汽车的速度超过某一临界速度，车辆的前轮就会发生水漂，失去转向功能1 3 4 。 调查发现公路交通事故中，雨天发生的事故所占比率很高，一般达到4 0 - 5 0 3 5 1 。 美国宾夕法尼亚州调查的路面状况和交通事故率的关系见表2 2 。可以看出如果 路面干燥时发生事故危险的比率是l 的话，那末路面潮湿、降雪、结冰时，危险 比例大致相应为2 、5 和8 。 表2 - 2 路面状况与交通事故率闭 ，t a b l e 2 - 2 t h e r e l a t i o n s h i p o f p a v e m e n t c o n d i t i o n a n d t r a f f i c a c c i d e n t s r a t e 路面状况每百万车公里交通事故率 干燥 1 6 湿润 3 2 雨雪8 0 结冰 1 2 8 积水路面根据轮胎与路面的界面状态可以将接触面分为3 个区，如图2 3 所 示，轮胎前路表面有连续水膜的为1 区，第1 区，由予水膜的存在，轮胎与路面 8 第2 章路面抗滑性能机理影响因素和指标 没有任何接触，此时轮胎实际上是在水膜上滚动，摩擦系数为零；2 区内由于车 轮的挤压作用水膜被扩散，余下间断性的簿水膜，此时水膜被路表面凸出物打破， 轮胎压载路面上大的凹凸上，迫使水分从路表面粗集料之间的大凹凸构造物流 出，从而形成了小块实际接触面积，产生一定的抗滑力；在3 区内水被彻底挤走， 轮胎与路面产生了接近“干”接触的摩擦力，可以提供行车所需要的抗滑能力。 当车速越高或水膜厚度越大，则3 区的接触面积越少，因此为了保证车辆在高速 行驶时能够及时排除路表水，一方面可以通过增加轮胎胎面凹槽的深度和数量， 另一方面需要借助于路面的宏观构造提供足够的排水能力。在路面的宏观构造下 降到一定程度后，2 区或3 区有可能消失，从而在轮胎与路面之间形成连续的水 膜，由此可能产生车轮在水面上的滑漂现象。一般认为滑漂在车速高于7 5 k m h 时可能发生。因此当路面宏观构造降低到一定程度以后，就需要进行及时地养护， 以提供路面与轮胎间的排水通道，从而保证湿路面的行车安全。 采用动态摩擦系数测定仪对路面抗滑性能进行检测，对同一路面相同地点的 干燥路面和潮湿路面分别进行测试，其结果如图2 - 4 ，可以看出相同速度下湿路 面的摩擦系数较干燥路面有很大的降低。 1 区：连续水膜；2 区间断水膜； 3 区：干燥路面 图2 - 3 轮胎与路面的相互作用斟1 e l f i g u r e2 - 3t h ew o r k z o n eo f t y r ea n dp a v e m e n t ( a ) 干燥路面( b ) 湿路面 图2 4 干燥路面和湿路面摩擦系数 f i g u r e2 - 4f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n to hd r ya n dw e tp a v e m e n t 9 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 3 介质的影响 介质主要是路面污染和雨雪天气导致路面的积水、积雪等。污染源主要有： 泥土、油类滴漏、橡胶粉末积聚和工业粉尘( 如粉煤灰、煤粉等) 。污染物一方面 污染路面，尤其在雨雪天气一些水溶性污染物，如路面尘土与积水易形成润滑剂， 降低路面的抗滑性能；另一方面，污染物填充路面表面构造，降低路面的排水能 力，致使路面抗滑性能大幅度降低，从而影响行车安全。受污染的路面测试摩擦 系数，摆值降低达5 - 2 0 3 “。 2 2 4 车速的影响 实际检测和研究发现，路面抗滑系数并不是一个固定的静态指标，而是一个 与行车速度有关的动态指标。一般路面随着速度的升高，摩擦系数呈现衰减趋势。 实测路面摩擦系数随速度变化如图2 5 ，可以看出被测路面的摩擦系数随速度的 升高而降低，但不同路面摩擦系数随速度变化不一样。一些研究认为，在较低的 车速时，路面的抗滑能力主要由路面结构的微观构造来提供，因为有集料表面的 尖峰可以刺破水膜，同时尖峰之间的凹槽可以将路面水及时排除，从而保证车轮 与集料之间的良好接触，并使面层抗滑水平提高；在车速较高的路面上，路面抗 滑水平主要取决于宏观构造的特征，这是由于路面的积水来不及排除，而在车轮 与路面之间形成了一层水膜，此时必须借助于构造深度所提供的较大通道，才可 以保证轮胎与路面的良好接触，进而形成较高的抗滑能力【2 l j 。 o 7 0 0 熟伽 糍o 5 0 0 觏4 0 0 o 3 0 0 0 0 2 0 0 。 吣。 辆啐釜基：一_ 5 | 卜鬟砩 2 03 04 05 06 07 0 8 0 速度( k h ) 0 5 s h i y s - 1 ( 4 ) - 一0 5 s h i y s 一2 ( 4 ) 一k 1 4 5 s h i y s 一1 ( 4 ) 一k 1 4 5 s h i y s 一2 ( 4 ) * 一l v f t - a ( 4 ) 一l v f t b ( 4 ) 图2 - 5 摩擦系数与速度关系 f i g u r e 2 - 5t h er e l a t i o n s h i po f f l i c t i o nc o e t 珏c i e n ta n d 删 2 2 5 路面材料及级配的影响 路面受到行驶车辆轮胎不断地撞击、剪切和摩擦，会产生松动、破坏，因此 路面材料的耐久性，特别是表面的耐磨性对抗滑性能有很大的影响。抗滑耐久性 很大程度上取决于粗集料的抗磨光性，抗磨光性采用石料磨光值( p o l i s h e ds t o n e v a l u e 简称p s v ) 来表示。石料磨光值愈高，说明路面抗滑耐久性能愈好。因此 第2 章路面抗滑性能机理影响因素和指标 通常采用如玄武岩、灰绿岩、安山岩或花岗岩碎石作为粗集料。当采用酸性石料 时，为提高石料与沥青的粘结力，一般采用粘结力强的改性沥青或在拌和时掺入 适量的水泥、石灰、抗剥落剂以提高混合料的粘结性和强度。水泥混凝土路面的 抗滑耐久性取决于混凝土粗集料、细集料水泥胶体的强度和耐磨性以及混凝土路 面表面人工压( 刻) 槽的质量。由于水泥混凝土经振捣、做面后，或多或少会形 成一层l 5 m m 厚的水泥浆即细集料水泥胶体，如果这一薄层的耐磨性不强，混 凝土表面将很快被磨耗，此时混凝土表面平整度和人工压( 刻) 槽将受到影响， 从而降低混凝土路面平整度、抗滑性和耐久性。 集料级配对路面能否形成良好的宏观构造有密切关系。均匀的颗粒对于改善 路面的宏观构造深度具有积极意义。在最大粒径和料源相同的情况下，影响构造 深度大小的主要因素是集料级配。最大粒径对构造深度的变化所起的作用不如级 配组成明显。在相同材料条件下，级配组成对沥青路面抗滑指标影响很大，大于 4 7 5 m m 的粗集料的质量含量越多，越容易获得较好的抗滑指标值网。 2 3 路面抗滑性能指标和测试方法 发达国家( 如英国) 在2 0 世纪2 0 年代末就开始公路路面防滑的研究，经过发 展目前世界各国己存在多种路面抗滑能力的测试设备。常用的抗滑性评价指标分 为两类：一类为测定路表面的摩擦系数和摩擦力；另一类测定路面表面纹理构造。 2 3 1 摩擦系数检测方法 1 ) 摆式摩擦系数测定仪 摆式摩擦系数测定仪( 见图2 6 ) 最初由英国t r r l 研制，后在全世界许多国 家被广泛使用。其工作原理是根据能量守恒的定理，将摆臂势能损失转化为路面 摩擦力所作的功，进而反算出摩擦系数并通过摆式仪的摆值读出。8 0 年代交通 部公路科学研究所的有关技术专家研制出第一代国产摆式仪。国产摆式仪的基本 工作原理与英国产品相同，但在部分结构和材料等因素上存在一定差别，经十几 年的使用与考察，同时考虑到与国际技术标准的接轨，经过改进的新一代国产摆 式仪于2 0 0 0 年通过检定。摆式摩擦系数测定仪便于携带，操作简单，但只能在 单点低速采样条件下测定一种速度下的摩擦系数，采样频率低且对粗构造路面不 适用。摆式仪的单位为b p n 。 2 ) 制动力系数( b f 0 ) 测试仪 如图2 7 ，试系统是使试验轮与车辆前进方向保持一致，测量试验轮在完全 锁定状态或滚滑状态( 固定滑移率) 下所产生的纵向摩阻力，由此计算制动力系数 b f c ( b r a k ef o r c ec o e f f i c i e n t ) 或滑移指数s n ( s l i pn u m b e r ) 。该系统可在较宽速度 范围内工作，测试结果能够反映车辆实际刹车时的情况。该类设备通过测定测试 轮的制动力来计算相应的摩擦系数。美国和德、法、瑞典及荷兰等欧洲国家采用 北京工业大学工学硕士学位论文 这类设备评价其公路路面的防滑状况。这类设备可在各种速度条件下根据车轮制 动力的大小来测定b f c ，从而反映出路面对车辆制动距离长短的影响。测试部 件分为安装在车辆主体上或拖挂两种方式。制动力系数测试仪的特点是能在较宽 速度范围内测试部分路段的平均摩擦系数，测试结果比较符合车辆实际刹车时的 情况，并且不影响其它车辆的正常行驶。由于所携带喷洒用水较少，故一般只适 合于短距离或特殊路段的使用。 图2 - 6 摆式摩擦系数测定仪 f i g u x v 2 - 6m o d i f i e db r i t i s hp e n d u l u ms k i dr e s i s t a n c et e s t e r 圈2 - 7 制动力系数旧测试仪 f i g u r e 2 - 7b r a k ef o r c c o e f f i c i e n tt e s t e r 3 ) 横向力系数( s f c ) 测试仪 横向力系数是设定试验轮与行车方向成一定偏角，使其产生同试验轮平面相 垂直的横向摩阻力，此力与试验轮承受竖向荷载之比即为横向力系数s f c ( s i d e - w a yf o r c ec o e f f i c i e n t ) ，它是纵横向摩擦系数的综合指标，能够表征车辆实 际制动或发生侧滑时的路面阻抗。 目前世界上使用最广泛的横向力系数测试仪由英国运输和道路研究所 1 2 第2 章路面抗滑性能机理影响因素和指标 ( t r r l ) 于6 0 年代研制，称为s c r i m 系统( 见图2 8 ) 。其通过一个2 0 度偏角 的测试轮测定路面的s f c 值，可以反映纵、横两个方向的摩擦力性能。s c r i m 系统在第十六届国际道路会议上被推荐给各成员国使用。中国于8 0 年代末引进 s c r i m 系统，通过国家八五和九五期间开展的专项课题研究成果，横向力系数 已经进入我国的交通行业标准体系。s f c 在 公路沥青路面设计规范 ( j t j 0 1 4 - 9 7 ) 、公路工程质量检验评定标准( j t j 0 7 1 - 9 8 ) 和 公路养护技术规范 ( j t j 0 7 3 9 6 ) 中分别作为设计、质量评定及养护评价标准使用。公路路基路面现 场测试规程( j t j 0 5 9 9 5 ) 中录入并规定了s c r i m 系统测试规程。s c r i m 系统能 以任意速度对路面进行长距离连续测试，每次携带的喷洒水量可供测试约 5 5 k i n 2 5 l 。测试结果符合车辆实际制动或滑溜时的情况，并且测试不影响其它车 辆的正常行驶。横向力系数测