（道路与铁道工程专业论文）路面抗滑性能变化特性研究.pdf

摘要 摘要 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，丽其中最重要的就 是路面的安全性能。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 与车轮之舞的良好的附着性；提供轮胎与路面之闻在安全距离内刹车所需要的摩 阻力，减少交通事故隐患。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熊 均满足设计要求，但通车后抗滑性能随车辆的磨损衰减很快，所以很有必要研究 在各种因素影响下路面抗滑性能变化特性。 道路路面结构是一个复杂的系统，影响路面抗滑性能的因素很多且绝大部分 因素都具有不确定性，另一方面外部条件参数的作用也是不可控的，因此可以说 不确定饿是路面结构的本质属性。通过对广泛的案例研究和理论分析，在考虑了 路面的不确定性因素后，选择了不同种类的水泥混凝土和沥青混凝土试验路，并 测试了摩擦系数和构造深度两个指标。基于以上的测试数据，分析路面摩擦系数 在外界宏观因素包括速度、路龄等影响下的变化规律，重点研究了断面深度与摩 擦系数两个指标间的相关关系，并利用灰色理论建立水泥混凝土路面抗滑性能衰 减灰色预估模型。 本文的研究对于路面的施工及路面养护的研究具有借鉴意义。 关键词路面；抗滑；摩擦系数；灰色关联；衰减规律 北京丁业大学工学硕士学位论文 a b s tr a c t t h e d e v e l o p m e n to fm o d e mr o a dp u tf o r w a r dam o r ea n dm o r eh i g hr e q u e s tt o t h ep a v e m e n t t h er o a ds h o u l dh a v eam o r es a f e t y ，e c o n o m i c a l ，c o m f o r t a b l ef u n c t i o n s a n du s eq u a l i t y ，n o tj u s to n l ys a t i s f i e dw i t lt h eb a s i cr e q u e s t t h es a f e t yf u n c t i o no f p a v e m e n ti st h em o s ti m p o r t a n t a n dag o o ds k i dr e s i s t a n c ec a np r o v i d ee n o u g h a d h e r eb e t w e e nt h ep a v e m e n ta n dt h ec a rw h e e l ，a n dc a nr e d u c et h eh i d d e nt r a f f i c a c c i d e n t s t h ep e r i o do ft h eh i g h w a yi sn o tl o n gi no u rc o u n t r y ，s ot h e r ed i d n th a v e e n o u g hk n o w l e d g ea b o u tt h ev a r i e t yl a wo f d i f f e r e n tr o a d s i nf a c t , t h es k i d - r e s i s t a n c e a l w a y sc a ns a t i s f yt h er e q u e s ta f t e rc h e c k ，b u ti tr e d u c e dq u i c k l yw h e nw e r eo p e n e dt o t r a f f i c s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nt h ev a r i e t yc h a r a c t e r i s t i co fp a v e m e n t s k i dr e s i s t a n c e t h ep a v e m e n ti sac o m p l i c a t e ds y s t e m ，a n dt h em o s ti n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h e s k i dr e s i s t a n c ei si n d e t e r m i n a t i o n ，a l s ot h ee x t e r i o rc o n d i t i o n si sd i c e yt o o i tc a l lb e s a i dt h a tt h ei n d e t e r m i n a t i o ni st h ee s s e n c ea t t r i b u t eo fp a v e m e n t a f t e rm u c hc a s e r e s e a r c ha n da c a d e m i ca n a l y s i s ，a n dc o n s i d e r i n gt h ei n d e t e r m i n a t ef a c t o r s ，w ec h o s e d i f f e r e n tc a t e g o r yo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n da s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t , t h e n t e s t e dt h ed y n a m i cf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h em e a np r o f i l ed e p t h a c c o r d i n gt ot h e a b o v et e s td a t a , t h et h e s i sd o e sa n a l y s i so ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tv a r i e t yl a wu n d e r t h ei n f l u e n c es u c ha ss p e e da n da g e ，p u t se m p h a s i so nt h er e l a t i o n s h i po fd y n a m i c f r i c t i o na n dm e a np r o f i l ed e p t h ；t h er e s e a r c hm a k eu s eo fg r e yt h e o r yo nt h e c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n de s t a b l i s ht h es k i dr e s i s t a n c eg r e ym o d e l t h ep a p e rh a st h er e f e r e n c em e a n i n gf o rp a v e m e n tc o n s t r u c t i o na n da d v a n c i n g m a i n t e n a n c e k e yw o r d sp a v e m e n t ，s k i dr e s i s t a n c e ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，g r e yc o r r e l a t i o n ， d e s c e n tl a w 1 1 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。 关于论文使用授权的说明 础j f 易 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) 签名：趔驾导师签名：日期：油g r 昭 第1 章绪论 曼i 一 一一 i i；一 i 曼曼孽曼! 曼皇鼍曼! 曼曼皇曼皇! ! 皇曼! 曼! 皇曼 第1 章绪论 1 1 课题提出及研究意义 汽车交通对社会的发展、经济的繁荣、人类物质文化生活的提高起着不可估 量的作用，然而，另一方面，交通事故发生的频率也呈上升趋势。它所造成的人 身伤亡、财产损失也给国民经济和人民生活带来巨大的危害。根据交通事故调查 资料显示，全世界每年有1 2 0 多万人死于道路交通事故，造成的经济损失约为 5 1 8 0 亿美元。我国道路交通安全形势严峻，是交通事故发生率较高的国家之一， 当前我国每年发生道路交通事故5 0 多万起，死亡1 0 多万人，伤3 0 多万人，直 接经济损失3 0 多亿元人民币u j 。 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 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【2 l 。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1 ，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 1 3 1 ，这主要是因为我国在统计交通事故时，道路条件这一重 要因素往往被忽视。而前苏联研究表明，7 0 的交通事故与道路状况有直接或间 接关系【钔。 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【5 1 。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到路面因素。道路在通车一 定年限后，路面裸露的集料逐渐被车轮磨光、磨耗，会导致路面抗滑性能降低； 在潮湿多雨季节，路面上有水存在，会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 6 1 。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 次亿车公里降低到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 1 s f c ( 相当于1 0 个摆值) ，雨天事故率就降低1 3 【7 1 。 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 是路面的安全性能峭j 。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 轮胎与路面之间在安全距离内刹车所需要的摩阻力，减少交通事故隐患【9 】。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 北京下业大学工学硕= 卜学位论文 表面特性、行车速度有关外，还与路面因素主要是路面的构造特性、路面的干湿 状态有关【1 0 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 【l l 】。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 车后抗滑性能随着车辆的磨损衰减很快，所以很有必要研究影响路面抗滑性能变 化的相关因素。 众所周知，公路路面结构是一个复杂的系统，影响路面结构性能的因素很多 ( 结构、材料、工艺、使用等) ，且关系复杂，涉及到工程设计、施工和使用各个 环节，并且绝大部分因素都具有不确定性( u n c e r t a i n t y ) 。也就是说，各项性能参 数具有不确定性：另一方面，路面结构工作时的实际环境条件( 气候、水文、路 基支承等) 与外部作用( 荷载、温差等) 也不可能与设计时的假定完全吻合，外部条 件参数的作用也是不确定的。由此可见，不确定性是路面结构的本质属性。因此 在本文研究中考虑到了路面的不确定性因素，通过对广泛的案例研究和理论分 析，选择了不同种类的试验路。在检测试验路摩擦系数和构造深度两个指标的基 础上，从影响路面抗滑性能因素分析入手，分析路面抗滑性能的变化规律，并对 各因素进行系统和深入的研究，建立考虑因素不定性的路面抗滑性能变化灰色预 估模型，本文的研究对于路面的工程设计、施工及路面养护具有重要的参考意义。 1 2 国内外概况 1 2 1 国外研究发展概况 路面抗滑性能是道路条件之一，是道路交通安全的重要影响因素。抗滑性能 在国外一直是一项重要的研究项目，路面抗滑技术的研究始于2 0 世纪2 0 年代， 早在1 9 2 0 年美国和法国就已经开始这类研究。英国也是世界上最早研究路面防 滑的国家之一，1 9 2 7 年英国特丁顿( t e d d i n g t o n ) 国立物理研究所已开始了这类 研究。t r r l 是世界上最早从事路面抗滑阻力研究的机构，已经有5 0 年以上的 研究历史，他们的研究成果不仅表明在潮湿状况下发生交通事故的危险同路面滑 溜程度的可靠关系，而且开发了道路面层抗滑性能的测试设备。1 9 4 9 年国际道 路会议中成立了路面滑溜及平整度技术委员会( 后来更名为表面特性技术委员 会) ；在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 3 年发表了道路抗滑标准( 水准) 指南l r 5 1 0 ，之后又召开过数 届道路表面特性国际会议。 第l 章绪论 1 2 2 国内研究发展状况 我国对于路面防滑技术的研究始于7 0 年代。首先面临的问题是试验方法和 试验仪器，开始采用刹车法做试验测试，7 0 年代中期才有五轮仪。1 9 8 0 年，在 姚思国先生的主持下产生了我国第一台测定路面摩擦系数的仪器摆式摩擦 系数仪。8 0 年代初研制出石料磨光加速机，并用它对全国范围内1 7 个省( 市) 的4 0 0 多种石料做了磨光值的普查，与此同时还在7 个省市内对5 0 0 0 余公里干 线油路上的1 0 0 0 多个事故路段进行了调查，借此欲建立事故危险程度与路面抗 滑标准之间的关系。通过上述各种工作我们建立了沥青路面防滑标准及其指标体 系并纳入有关规范。 “七五 科技攻关专题“高等级公路半刚性基层沥青路面结构、设计和抗滑 表层的研究”首次对路面抗滑问题展开较为系统的研究，对推动我国抗滑技术的 发展和推广具有重要的意义。 从8 0 年代后期的国家科委引导性项目( 0 2 5 项目) 到八五攻关，我们对混 凝土路面( 包括小型机具施工、滑膜摊铺和碾压混凝土施工) 的抗滑技术进行了 研究，内容有水泥混凝土路面的抗滑影响因素分析、典型路面的构造形式及施工 工艺、嵌屑式路面和裸露式路面的施工工艺等。另外在此期间我国又自发研制了 达到国外同类产品水准的横向力系数测试设备( s c 砒m ) 。 现在一般认为，抗滑性能被看作是路面的表面特性，并用轮胎与路面之间的 摩擦系数来表示。影响路面抗滑性能的主要因素有路面的表面特性( 包括路面细 构造和粗构造) 、路面潮湿程度及行车速度等。 国外的路面多为平整而粗糙，这种路面在我国很难一见，这可能是因为路面 排水设计与路面构造处理不好。有关资料表明事故率在白天降雨时间占全年时间 的2 1 5 9 时雨天事故却占了总事故的5 9 - 2 3 6 ，雨天事故率为降雨时 间的1 9 - 5 8 倍。在公路等级提升而不改善相应的抗滑性能时雨天事故率会进一 步增加。而另一方面，雨天事故直接损失是晴天事故直接损失的1 1 2 8 倍。路 面有水时对抗滑能力及对交通事故的影响可见一斑。 当前对路面摩擦系数的评价标准多是静态的，而道路上行驶的车辆是动态可 变的，因此用动态变化的指标来评价路面的抗滑性能更为准确、可靠。另外，对 路面处于潮湿状态时的抗滑研究也是当前之需。 1 3 研究内容及研究方法 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 研究研究内容之一。路面抗滑能力是保证行车安全的重要因素，不同路面的抗 滑能力不同，抗滑构造的形成也因路面形式差异而不同，例如水泥混凝土路面是 通过路面刻槽等施工工艺提供路面的抗滑能力，而沥青混凝土路面是则是通过路 北京丁业大学工学硕士学位论文 面的磨耗层或铺筑抗滑表层形成。除此之外，轮胎与路面间的摩擦力还受轮胎特 性、行车速度、外界条件等的影响。在试验中，因使用相同的测试仪器，在比较 路面抗滑性能时可以排除轮胎橡胶特性的影响。本文中研究影响抗滑系数的因素 为行车速度、路面水厚度、路龄和路表宏观构造，对不同类型的路面分别进行抗 滑影响因素研究。 针对影响抗滑性能的因素，本文确定研究的主要内容如下： 1 ) 前期资料搜集，根据实际情况尽可能多的选择不同类型、通车时间不同的路 面，这是本文首要任务也是本文的难点； 2 ) 现场试验，在选择好的道路进行现场测试，收集路面的抗滑数据； 3 ) 对试验数据进行整理，分析不同类型路面的路面构造深度和摩擦系数的变化 规律； 4 ) 研究路面构造深度和摩擦系数之间的关系； 5 ) 综合分析影响抗滑性能的各个因素，建立抗滑性能变化的灰色预估模型。 1 4 研究技术路线 第l 章绪论 l ； 图1 - i 技术方案路线 f i g u r e l - if l o wc h a r ta n dt e c h n i c a ls c h e m e 旧斑叫疑嘿曙* 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章路面抗滑性能的变化规律研究 2 1 路面抗滑性能的影响因素 汽车在道路上行驶，由于周围环境复杂，轮胎与路面间形成的摩擦力受很多 因素的影响，概括来说有三个方面：路面特性、车辆、气候环境。这三个因素通 过不同的方式影响着摩擦系数的大小。 2 1 1 路面因素 路表面特性影响路面的抗滑能力，如图2 - 1 所示。路面表面的在纵向的不平 整，可以用波长和波幅表示。图中所示为路表面在不同波长时所表现出的不同功 能性能问题。波长小于0 5 m m 时称为路表面细构造，它与水泥砂浆和粗集料的 表面粗糙度有关，为轮胎面提供附着力，以保证路表面的抗滑能力；波长为 波长 重誉 至圃口翌圈旺口 受影 响的 性能 评价 两酥丽f l 一 一 图2 i 路面抗滑构造 f i g u r e 2 - 1t e x t u r e o fp a v e m e n t 0 5 5 0 m m 的路表面为粗构造，是通过拉毛、刻槽等措施在混凝土表面形成的细 沟槽，它为路表水从快速滚动的车轮胎下面排出提供通路，以保证雨天高速行驶 的安全性；波长5 0 m m - - 5 0 m 范围的不平整路表称为宏构造，是由于施工方法或 施工质量以及路面材料不均匀性所造成的；波长l m m 以上的粗构造和宏观构造， 都会使滚动的车轮轮胎产生较大的噪声；波长0 5 - - 5 0 m 范围的路面起伏称为不平 整度，它直接影响到行驶的舒适性和经济性。路表面的细构造和粗构造是保证行 车安全所必需的，而宏观构造和不平整度则不利于路面使用性能，应尽量减小。 第2 章路面抗滑性能的变化规律研究 2 111 微观构造 微观构造指水平方向尺度( 波长) 小于或等于0 5 m m 的构造，它主要表征集料 颗粒本身的表面凹凸构造，因而可以看作为是矿物岩相学颗粒的函数并受气候、 季节以及交通作用的影响。对沥青路面而言，石料颗粒形状及棱角构成、沥青胶 浆构造和结合料对其也有一定影响。由于正常情况下粗集料在水泥混凝土路面裸 出的比例不超过1 2 ，所以水泥混凝土路面的微观构造主要取决于表层水泥砂 浆。对微观构造的直接测量过去只能在实验室用电镜扫描、立体照相或描迹等方 法进行n 射，据报道，现已有在野外直接测量微观构造的仪器和方法n 羽。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。 研究认为，微观构造最主要的功能是为路面提供基本抗滑力，当然，它也是 轮胎磨耗的主要影响因素之一，同时对轮胎与路面间的高频接触噪声也有一定影 响。微观构造对轮胎与面层表面的附着力有很大影响。它同时影响低速和高速时 的表层抗滑能力，微观构造越大，轮胎与表面的附着力也越大。 2 1 1 2 宏观构造 宏观构造指水平方向尺度( 波长) 在0 5 - - - 5 0 m m 之间的构造，它的波幅( 竖向 尺寸) 为波长的0 1 o 0 1 。对于沥青路面，影响宏观构造大小的主要因素是粗集 料的粒径、形状、间距和排列分布。因此宏观构造虽不像微观构造对气候和温度 那样反应敏感，但路面污染、泛油，交通荷载对表层集料的磨耗和破碎作用将影 响其耐久性。对于水泥混凝土路面，一般来说其宏观构造由拉毛、刻槽等表面施 工工艺形成，水泥砂浆的耐磨性能决定其耐久性。工程上应用最广的宏观构造测 量方法是铺砂法，与此类似的还有硅胶压痕等方法。因为重现性差且不适宜大规 模试验等原因，目前有被激光测量取代铺砂法的趋势。 宏观构造对路面使用品质的影响是多方面的，最重要的是其有利于抗滑性能 和视觉性能的改善而对安全性有较大贡献，宏观构造可以造成轮胎橡胶变形和迟 滞能量损失而产生摩擦力，但更重要的是它可以在轮胎与路面的接触界面上提供 有效的积水渲泄通道，使轮胎与路面能处于“干燥接触”状态，因而能减缓路面 抗滑力在高速下的衰减并能抑制水漂现象的发生。 图2 2 所示为粗构造和细构造与抗滑能力的关系，车辆在粗糙的细构造表面 低速行驶时，其抗滑能力a 和c 要高于平滑的细构造表面b 和d ，即这时细构造对 抗滑能力起决定作用；而高速行驶时，路表抗滑能力的下降率则主要取决于粗构 造，a 和b 相应高于c 和d 。路表面的粗构造和细构造均为粗糙的构造组合a 时， 可以得到最佳的抗滑能力。 北京工业大学t 学硕士学位论文 s ， 扪t 帕 图2 2 粗细构造对摩擦力的影响 f i g u r e 2 - 2f r i c t i o ni n f l u e n c eo fm i c r oa n dm a c r ot e x t u r e 2 1 2 车辆因素 就车辆方面而言，对轮胎与路面间摩擦力的影响因素主要是轮胎的表面特性 和行驶速度。 2 1 2 1 轮胎 轮胎材料、轮胎花纹形状和轮胎类型( 特别是接触面上的压力分布) 都对摩 擦力有影响。卡车轮胎的刹车距离约为小汽车轮胎刹车距离的两倍，其原因可能 是所用橡胶不同，轮胎压力和轴载质量不同，当轮胎的胎压较低时，首先，轮胎 与路面的接触面积较大；其次，当车辆减速时，摩擦所产生的高温可迅速扩散于 较大的接触面积，致使轮胎温度降低而有较高的摩擦系数，因此在相同的轮胎荷 载下，胎压越高，接触面越小，路面的抗滑值越低。如图2 3 所示表明在潮湿情 况下，在已磨光且表面结构紧密的表面上，车速为5 0 k m h 时不同磨耗状况轮胎的 刹车性能比较。 轮胎最大 停车距离 新 0 5 5 l 2 2 6 m i li 卜一。 半磨耗0 4 8 磨耗 0 2 8 i 4 5 m l 新 0 2 0 i 仇9 7 8 m i l 卜 l 卡车 半磨耗 0 1 6 磨耗 0 1 4 i m l 图2 3 不同磨耗状况轮胎的刹车性能比较 f i g u r e 2 3c o n t r a s to fb r a k i n gp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tw e a r i n gs i t u a t i o n 8 第2 章路面抗滑性能的变化规律研究 l i 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。 轮胎的尺寸对摩擦系数也有影响。轮胎的直径增加和宽度减小，对轮胎的摩 擦性能都有某种程度的改善。胎纹的设计可使车辆制动的效果更为显著，同时， 轮胎上的沟纹提供了轮胎与路面间积水排除的通道，有助于路面纹理排除积水， 减少产生水漂发生的可能，因此无胎纹的光面轮胎在抗滑值降低方面比有胎纹的 轮胎明显，并对路面的宏观和微观构造的反应更为敏感。 对于小汽车轮胎，花纹深度对摩擦系数的影响是主要的，例如在水膜厚度为 2 5 m m ( 很少) 和车速为1 0 0 k m h 情况下，花纹深度从8 m m 变化到l m i l l 能够达到 摩擦系数从0 6 变化n o 1 的变化。 2 1 2 2 行车速度 潮湿路面的摩擦系数受车辆行驶速度影响较大。试验检测和研究发现，路面 摩擦系数随速度增加而减小，从潮湿气候条件下的道路安全考虑行车速度是重要 的。路面面层的宏观构造较小时，潮湿路面的摩擦系数受车速的影响就更为明显。 2 1 3 气候环境 气候条件影响轮胎和路面间摩擦力大小，主要通过以下两个影响因素，一是 路面上有水膜存在，二是季节性变化。 2 1 3 1 水膜 水膜的厚度是许多变量的函数，难于确定。潮湿路面的状况从可见潮湿变化 到可用超过3 m m 的平均水膜厚度来表征。在不平整( 有辙槽) 上或者横坡( 路拱) 小的路段上，特别在横坡变化的反向曲线间的过渡段上水的厚度要大得多。当在 表面集料顶点上的水膜厚度达到临界值时，行车可能产生水漂现象。此临界厚度 变化很大，主要取决于轮胎花纹和车速。在水漂情况下，由于轮胎浮在水膜上， 道路的摩擦性能不再起作用。 2 1 3 2 季节性影响 多种研究指出，轮胎与路面的摩擦力受温度的影响。橡胶在路面上的摩擦力 随温度降低而增加。有研究工作已显示，在一年过程中路面抗滑能力经历着冬季 最高，夏季最低，春秋两季居中的变化，它在很大程度上说明抗滑能力受季节性 的影响u 劓。 一 环境对摩擦力的影响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) 。 北京_ - i - a i , 大学1 二学硕= i ：学位论文 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。 2 2 抗滑性能变化规律研究成果 现在对路面抗滑能力的研究多集中在抗滑石料的选择、混合料的配合比设 计以及施工环节控制，对路面在使用状态下抗滑性能变化方面的工作相对较少， 主要是因为衰减历时较长、实际行车条件难以准确模拟、试验方式及结果的差异 性等。实际上，抗滑性能良好的面层应包含两方面：一是路面在建成初期具有良 好的抗滑指标值；二是在路面寿命年限内该指标值在某一个允许的范围内波动而 不致变化太多。因此，除了选择路面抗滑性能材料，优化配比设计外，对正在使 用中的路面抗滑性能进行检测、比较分析，揭示路面抗滑性能变化过程的规律性 与变异性，具有重要的意义。 2 2 1 路面抗滑性能衰减规律研究现状 到目前为止，国内外研究机构对于路面抗滑性能衰减方面的研究主要有两种 方式，一是实际路段或路网调查法；二是室内模拟法，这两种方法各有优缺点， 现评述如下。 2 2 1 1 现场调查法 通过对试验路段( 含一些环道试验) 或路网抗滑性能指标进行长期、连续地观 。测来获得路面抗滑性能衰减的一般性规律。这种方法出现较早，最初可能来自于 路段( 网) 抗滑性能的定期检测，以及相关路段的事故率统计，研究人员在对数据 分析的过程中发现，路面的使用时间不同，其发生交通事故的概率水平也不相同， 对应抗滑性能检测数据具有不同的分布水平；通过分析连续数年累积的沥青路面 抗滑性能检测资料，在一定程度上获知沥青路面抗滑性能的变化规律，并且可以 为养护决策服务提供参考。后来也有人利用连续多年路网调查或路面管理系统数 据库进行抗滑性能衰减方面的研究。 抗滑性能衰减方面的研究以英国运输和道路研究所( t r r l ) 的研究起步较 早，并且具有代表性，在利用自制设备连续多年的抗滑性能检测的基础上，t r r l 早在1 9 7 3 年就以国家道路网抗滑标准指南l r 5 1 0 的形式根据路段的抗滑困难情 况，根据由难到易的次序规定了4 种不同路段的抗滑标准建议值；英国运输部 1 9 7 6 年公布的技术备忘录h 1 6 7 6 中根据公路设计类型、交通流量的不同对新建 公路的骨料性质和构造深度提出了要求；考虑到一年当中抗滑性能的变化高达 2 5 ，因此t r r l 采用夏季平均s c r i m 系数法( 即m a s s c 法，即在限定的试验 季节5 - 9 月份获得至少三个s c r i m 系数平均值) 作为不同季节路面抗滑能力比较 第2 章路面抗滑性能的变化规律研究 的基础。 交通部路面石料抗滑性能研究攻关组在进行路面抗滑标准的研究时，采用同 样的级配、沥青和油石比，并用同样的工艺制作成规格为2 2 0 1 1 0 2 5 m m 的路 面试块埋设于行车道上，每季度测定一次试块的f 值。观察其抗滑性能的衰变。 在路面使用初期摩擦系数下降很快，在1 年左右时间达到稳定状态，之后缓慢的 下降。因此得出路面竣工时验收摩擦系数的办法是不合理的，即使是最差的石灰 岩，这时也能达到要求。要比较路面是否抗滑，一般需一年或两年运行时间才能 做出正确判断。 刘清泉n 5 1 在北京地区的一个测点跟踪测试，路面使用4 个月时的摩擦系数为 o 6 3 ，构造深度为0 4 m m ，使用1 1 个月时摩擦系数和构造深度便分别下降到 0 5 2 m m 和0 2 8 m m 。并且得出相同测试速度下，边车道的s f c 值普遍比中间车 道上的大。 囊 。 ，髓1上翦jl 宰k h“_ ， 茚汉 、 一 龟：天 墨：芹i 确 牖如 飞萨 t ：一 - 。、k l ： 妻曹 薹i i ： 墓 薹： k k 。厶。， 卜 i ， i l 口：嚼，王 、。- 嗍天 i i 2】 l ， i 黼t 警i 如蕃譬曩曙豫卜一 图2 - 4 测点跟踪测试图2 - 5 交通量对抗滑的影响 f i g u r e 2 - 4s p o tt r a c k i n gt e s tf i g u r e 2 5i n f l u e n c eo ft r a f f i cf l o wo ns k i d d i n g 我国济青高速通车后，曾对其横向力系数s f c 跟踪检测，从1 9 9 4 年到1 9 9 7 年，路面横向力系数平均值不断下降，依次为0 5 7 0 ，0 3 2 2 ，0 2 9 6 ，0 2 9 4 。 现场调查法认为影响路面抗滑性能衰减有以下几个主要因素： 1 ) 交通量 日益增加的行驶车辆( 尤其是重车) 易于磨光路面微米级的微观结构及所有 的集料，从而造成路面抗滑能力的下降，交通量越大，重载车辆越多，通车年限 越长，路面抗滑值下降的幅度表现得越明显。 2 )自然气候 自然气候对路面的抗滑影响主要表现在两个方面：一是路面潮湿状态，二是 季节性变化。t r r l 对m s s c 法获得的检测资料分析后认为，路面抗滑能力在干 燥条件下随行车的碾压和磨光作用而产生衰减，但这一趋势在路面长期处于潮湿 状态时发生变化，路面的抗滑能力又有一定程度的恢复；季节对路面抗滑能力的 影响，主要是因为温度的变化。多种研究指出，橡胶在路面上的摩擦力随温度降 低而增加，在一年过程中路面表面似乎经历着性质不同和可逆变化，最大值一般 北京工业大学丁学硕士学位论文 曼曼! 曼! ! ! 鼍! ! ! ! 曼! ! 曼! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼岂曼曼! ! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼! ii ! ! 曼曼! 曼! ! ! ! 曼曼! ! ! 曼! ! 皇曼曼曼曼曼皇 在冬季，而最小值多出现在夏季和初秋时段，变化幅度可达2 5 。 3 ) 路面种类 不同种类路面其抗滑能力变化也不相同，譬如说水泥混凝土和沥青混凝土路 面，因为受力方式不同，抗滑力的形成也不相同，导致抗滑力因路面种类不同变 化方式不同，所以在研究路面抗滑时，要分柔性路面和刚性路面两种来研究。 4 ) 滑溜性污染 路面暴露在空气中，空气中的尘埃、车辆带起的尘土等会覆盖路表面，影响 路面宏观的粗糙度，降低轮胎和路面之间的附着作用，从而导致路面抗滑能力减 小。这种因素主要影响低等级路面以及道路的出入口处，对于封闭和硬化路肩的 高等级道路影响不大。 2 2 1 2 室内模拟法 模拟真实道路行车情况，在室内仿真行车条件作用于成型的试件，通过此种 方法研究路面抗滑性能的衰减规律。但由于不同人员对车与路面作用模式理解不 同，试验条件、设备和方法的差异性很大。近年来，随着我国高速运行的交通安 全问题日益突出，科研单位也将注意力投向抗滑性能的变化规律研究上，希望能 通过混合料配合比设计阶段采取一定的方法来获得良好的抗滑性能及其他各项 路面使用性能。但试验室的研究多是针对沥青路面的不同混合料之间抗滑衰减优 劣比较，由于缺乏普及性使得试验的结果很难推广。 室内模拟试验的主要研究方法和结论有以下几种： 1 1 直道试验 垢准轴载次致万次 标准轴载次数，万次 图2 - 6 构造深度衰减规律图2 7 摩擦系数衰减规律 f i g u r e 2 6l a wo ft e x t u r ed e c l i n i n gf i g u r e 2 7l a w o ff i i c t i o nd e c l i n i n g 长沙交通学院的黄云涌等对不同级配沥青混合料在不同空隙率条件下室内 轮碾成型的车辙试件进行抗滑试验研究6 1 ，得到沥青路面初始构造深度与空隙率 成正比，并随路面压实度的增加构造深度逐渐减小：通过大型直道足尺试验，测 定了s a c 1 3 、a c 1 3 i 、s m a 1 6 三种沥青路面构造深度与摩擦系数( 摆值) 随轴 载次数的衰减规律，用对数函数拟合其相关关系如图2 - 6 ，2 - 7 ，试验结果表明： 在试验过程中存在一个压密稳定阶段，此前构造深度衰减较快，此后则逐渐趋于 第2 章路面抗滑性能的变化规律研究 “稳定”。 2 ) 车辙试验 哈尔滨建筑大学张肖宁等人在用体积法设计沥青混合料的研究中n ，采用车 辙试验仪来模拟实际荷载对路面的作用。试验时使试验轮在纵向往复运动的同时 做横向侧移运动，每隔1 2 h 测定一次试件表面的构造深度及摆值。结果表明： 在搓揉试验的前期抗滑指标衰减较快，然后逐渐趋于稳定；采用体积设计法得到 的密实型断级配a e 1 3 兼具嵌挤与填充两方面的优势，构造深度和摆值衰减前 后都较a c l 6 i 大，表现出更加“良好而稳定”的抗滑性能。谭忆秋用同样的方 法对s m a 1 3 和a c 1 3 构造深度的变化进行研究，得出了相似的衰减规律，认 为s m a 1 3 由于骨架作用的存在比a c 1 3 表现出更好的抗滑性能。 长安大学公路学院“羽“河南省高速公路沥青路面抗滑技术措施的研究”课题 组用相似的试验手段对o g f c ( 改性沥青) 、s m a ( 原沥青和改性沥青) 、a k - 1 6 ( 原 沥青) 等级配混合料的抗滑性能衰减规律进行研究。试验结果表明：稳定的骨架 结构可有效减少抗滑性能的衰减速率，o g c f 随车轮作用次数的增加其摩擦系数 的衰减最慢，a k - 1 6 衰减最快；当沥青结合料发生变化时，改性沥青由于粘度较 大而表现出较好的抗滑能力，改性s m a 比不改性s m a 的摩擦系数衰减速率要 慢。 3 ) 加速磨耗试验 同济大学杨众n 钔等人利用自己研制开发的小型设备加速磨耗仪实际上 就是一个微型环道试验，将静压法成型的沥青混合料试件在试验台上拼接成圆环 形轨道。在轮压0 7 m p a 、1 5 条件下对使用三种粗集料的a k 1 3 a 混合料和轮 压0 7 m p a 、3 0 条件下对使用砂岩的a k 1 3 a 作了加速磨耗试验每隔1 2 h 测定 一次构造深度和摆值。试验结果表明：不管何种粗集料与温度条件，沥青混合料 的摆值和构造深度在行车作用的前期衰变较快，然后逐渐趋于稳定；石灰岩磨光 值最小，磨耗值最大，因此构造深度衰减最快，辉绿岩和砂岩相当：同时提高试 验温度可以加快衰减过程。 长安大学赵战利采用沥青路面抗滑模拟试验机，事实上也是一个微型环道 试验，研究矿料级配对沥青路面抗滑性能的影响，如图2 8 ，2 - 9 所示，大于4 7 5 m r n 的粗集料的质量含量为6 5 的级配3 ，石料之间形成较强的相互嵌挤作用， 使其粗糙的表面特性保持在一个较稳定的状态，摆值衰减值最小，构造深度的降 幅虽然较级配2 和级配4 大，但在衰减基本稳定后仍表现出比其他级配更好的宏 观构造，可见最大粒径较大的级配同较小的级配相比具有一定的优势。 北京工业大学工学硕十学位论文 i i ， ，6 z 料 盘 c5 2 如 图2 - 8 摩擦系数变化 f i g u r e 2 8f r i c t i o nv a r i e t y 兰 1 0 8 0 图2 - 9 构造深度变化 f i g u r e 2 9t e x t u r ev a r i e t y 2 2 1 3 现场调查法与室内模拟法的比较 对于现场调查法来说，优点是能够直接真实的反映路面在使用状态时的抗滑 性能变化规律，统计数据可以通过年度普查或跟踪测试得到，并能够服务于路面 的现状评价及养护决策；但是现场调查法的数据积累需要周期长，实测的话还需 要大量的时间、人员和设备，并且由于道路处于一个开放的环境中，影响路面抗 滑的因素较多且不易人为控制，因此测试数据反映的是交通量、季节、气候等宏 观上具有共性的道路路面抗滑变化规律，集料、级配、空隙率等微观因素对路面 的作用可能得不到反映。 室内模拟法的优点是试验周期短、容易控制研究方向，且实验效果直观，研 究成果对于混合料的配合比设计或者预测路面抗滑性能有一定参考作用，但是试 验结论受研究者的试验条件和理论水平影响大。 抗滑性能变化规律的两种研究方法各具特点，室内模拟法和现场调查法在一 定程度上可以互补，随着现代机加工、控制和数据采集技术的发展以及研究人员 素质的提高，室内模拟法的试验精度将进一步增强，而现场调查法所用的测试设 备也会愈来愈方便，所以结合两种方法同时研究将会是以后研究的趋势。 2 2 2 路面各因素影响下的变化规律研究现状 路面抗滑系数除随时间不断变化外，受外界其他环境的影响也逐渐的发生着 变化，这些因素主要包括级配、材料、构造深度、温度、路面状态等等，微观方 面的影响因素不属于本文的研究内容，因此主要考虑各种宏观因素的影响，关于 宏观因素的研究有如下几个方面。 英国运输和道路研究所( t 鼬) 还研究了宏观构造对抗滑力的影响，当车 速从5 0 公里d , 时提高到1 3 0 公里j 、时时，不同的路面宏观构造对纵向刹车系数 百分率的变化影响如图2 1 0 ，并由此规定了沥青路面和水泥混凝上路面与纵向刹 车系数百分率变化相适应的必须的构造深度【2 。 第2 章路面抗滑性能的变化规律研究 瓤 氯 室善 醚霪爱塑甄习 械训佝遗的两疗蕊瑶 r o 蠕 强察匿l 鼍米 a ) 沥青路面b ) 水泥路面 图2 一1 0 路面构造对抗滑的影响 f i g u r e 2 2 0i n f l u e n c eo fp a v e m e n tt e x t u r eo nf r i c t i o n 8 0 年代瞳2 1 ，法国一名学者研究了路表在干燥和有水情况，并且在不同水厚 度时抗滑系数随行驶速度的变化情况。不同速度行驶时的抗滑指数进行了试验研 究。试验研究表明同一速度行驶时，随着路表水厚度增加抗滑系数明显的下降。 并且因为路表有水存在，抗滑系数随速度的下降速度越快。 日本学者y o s h i t a k ah a c h i y a 和s h u i c h iu m e n o 通过动态摩擦系数测定仪 研究摩擦系数与温度和水膜厚度的关系，得到图2 1 1 和图2 1 2 。对于不同路面， 摩擦值随温度增高而降低，随水膜厚度加厚降低1 。 图2 - 11 摩擦系数与水厚关系图2 1 2 摩擦系数与温度的关系 f i g u r e 2 - 11r e l a t i o n s h i po ff r i c t i o na n dw a t e rd e p t h f i g u r e 2 1 2r e l a t i o n s h i po ff r i c t i o na n dt e m p e r a t u r e 我国8 0 年代交通部公路所用s c m 测试车得到了路面横向摩擦力系数 ( s f c ) 与表面构造深度的关系如图2 ，1 3 所示。图中数据是测试速度从5 0 k r n h 增加到1 0 0 k m h 得出的。 北束i n 大t 学艟十 位谤 表呵构造簿艘t d ( m m ) 圈2 1 3s f c 与构造深度关系圈 f i g u r e 2 - l3r e l a t