（道路与铁道工程专业论文）超长连续下坡沥青面层抗滑性能研究.pdf

摘要 我国中西部地区地理位置特殊，地形特点是高原、重丘和山岭区较多，地势 落差大，因此在中西部的公路中不可避免地存在很多长陡坡。车辆在这些超长连 续下坡路段上行驶时常常出现重大交通事故，就其原因，路面抗滑力不足是其中 一个重要原因。超长连续下坡路段严峻的交通安全形势越来越引起各部门的注意。 我国研究者从石料种类、石料的规格和沥青材料的选择、矿料的级配组成与路面 宏观粗糙度的保证各方面着手，以提高路面的抗滑性能。 本文以四川雅泸高速公路为依托，对超长连续下坡沥青面层进行抗滑性能研 究，探求提高抗滑性能的有效措施。 分析超长连续下坡路段汽车的受力特性和行驶速度，得出下坡路段由于纵坡 会引起路面有水平分力，而且当车辆制动的时候，水平分力迅速增大；在下坡路 段汽车的行驶速度普遍较高，而且由于坡长长，车辆处于制动状态的时间长。 主要通过自主改制的变速变载车辙仪进行室内模拟试验，探讨集料的种类、 矿料级配、矿料规格三个因素对沥青路面抗滑性能的影响，及其在抗滑性能衰减 过程中的作用，并对混合料的综合性能进行比较，最终的出抗滑性能较好的路面表 层材料s m a 一1 6 ；研究轴载、行驶速度对沥青混合料抗滑衰减规律的影响，通过试 验分析得出轴载对混合料抗滑性能影响显著，轴载增加混合料抗滑指标摆值的衰 减速率急速增加。而速度对抗滑性能的影响并不明显，虽然速度增大，混合料衰 减速率增大，但是增大的幅度并不明显。 根据不同轮压作用下，不同作用次数对应摆值的试验数据，建立车轮行走次 数、轮压与摆值的关系式，以此来预测雅泸路在设计年限内的抗滑性能。预测表 明车辆轴载在满载情况时，路面设计年限内的抗滑性能表现良好，而超载对路面 抗滑性能破坏严重，因为当车辆轴载增大时，作用次数不是按照比例增加，而是 近似按照指数级增加。所以车辆超载对路面抗滑性能的影响不是随着轴载线性增 长的而是呈指数级变化的。 关键词：超长连续下坡；抗滑性能：变速变载车辙仪；沥青路面；轴载；衰减规 律 a b s t r a c t t h e c e n t r a la n dw e s t e r n r e g i o n s o fc h i n a s s p e c i a l g e o g r a p h i c a l p o s i t i o n ，t o p o g r a p h y i sc h a r a c t e r i z e db yh i g ha l t i t u d e ，h e a v yh i g hh i l la n dm o u n t a i n a r e a s ，t h eg a pb e t w e e nt h et e r r a i ni sl a r g e ，t h e r e f o r e ，t h e r ea r em a n yl o n gs t e e p i n e v i t a b l yi nt h ec e n t r a la n dw e s t e r nr o a d v e h i c l ei nt h o s el o n gd o w n h i l lo f t e n o c c u r r e db i gt r a f f i ca c c i d e n t s ，o nt h er e a s o n s ，i n a d e q u a t ea n t i - s l i d i n gs u r f a c ei so n e i m p o r t a n tr e a s o n p a r a g r a p hl o n gs t r a i g h t d o w n h i l lm o r ea n dm o r es e r i o u st r a f f i c s a f e t ys i t u a t i o nc a u s e db y t h ea t t e n t i o no fv a r i o u sd e p a r t m e n t s t h er e s e a r c h e r so f c o u n t r yf r o mt h es t o n et y p e s ，t h es p e c i f i c a t i o n so fs t o n e ，a s p h a l tm a t e r i a l s ，g r a d a t i o no f m i n e r a la g g r e g a t ec o m p o n e n t sa n dm a c r o - s u r f a c er o u g h n e s sv a r i o u sa s p e c t s ，i no r d e r t oe n h a n c et h ea n t i s l i d ep e r f o r m a n c eo ft h er o a d t h i s p a p e r b a s e do ns i c h u a ny a l uh i g h w a y ，t or e s e a r c h t h ea n t i s l i d e p e r f o r m a n c eo ft h el o n gs t r a i g h t d o w n h i l lo na s p h a l ts u r f a c e ，s e e kt h ee f f e c t i v e m e a s u r e st oi m p r o v et h ea n t i - s l i d ep e r f o r m a n c e a n a l y s i st h ev e h i c l ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds p e e do ns t r a i g h td o w n h i l l ，l o n g i t u d i n a l w i l lc a u s et h el e v e lo ff o r c e ，a n dw h e nt h ev e h i c l eb r a k ，t h el e v e lo ff o r c ew i l lr a p i d l y i n c r e a s i n g ，s p e e do fd o w n h i l li sg e n e r a l l yh i g h e rt h a no t h e rs c t i o n s ，a n db e c a u s eo f t h e s l o p ei st o ol o n g ，t h eb r a k i n gt i m eo ft h ev e h i c l ei sl o n g t h r o u g hs e l f - c o n t a i n e ds y s t e mo fv a r i a b l e s p e e dv a r i a b l ei n s t r u m e n tt r a c kf o r t h e i n d o o rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t oe x p l o r et h et y p e so fa g g r e g a t e ，m i n e r a la g g r e g a t e g r a d a t i o n ，m i n e r a la g g r e g a t es p e c i f i c a t i o n sf o rt h et h r e ea n t i s l i d i n go nt h ea s p h a l t p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，i n t h er o l eo fa t t e n u a t i o n p r o c e s s ，a n d t oc o m p a r et h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ，f i n a l l y f i n dt h es u r f a c el a y e rs m a 一16o ft h eb e t t e r a n t i - s l i d i n g ，r e s e a r c h t h ea n t i - s l i d ei m p a c to ft h ea x l e l o a da n ds p e e d ，t h o u g h e x p e r i m e n t a la n a l y s i sf i n do u tt h a ta x l el o a dd os i g n i f i c a n t l ya f f e c to f t h ea n t i 。s l i d i n g p e r f o r m a n c e t h ei m p a c to ft h es p e e d i sn o to b v i o u s ，a l t h o u g hw h e nt h es p e e di s i n c r e a s e ，t h ea t t e n u a t i o nr a t eo ft h em i x t u r ei si n c r e a s e ，t h em a g n i t u d eo fi n c r e a s ew a s n o ta p p a r e n t a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr o u n dp r e s s u r e ，d i f f e r e n ta c t i o nn u m b e ro f t i m e so ft h e c o r r e s p o n d i n gt e s td a t a ，w a l kt oe s t a b l i s ht h en u m b e ro fw h e e l s ，w h e e lp r e s s u r ea n d p u tt h ev a l u eo ft h er e l a t i o n s h i p ，t op r e d i c tt h ea n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c ei nt h ed e s i g n l i f eo fl uy ah i g h w a y t h ef o r e c a s tr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h el o a do fv e h i c l e si s l o a d e d ，i np a v e m e n td e s i g nl i f e t h ea n t i - s l i d ep e r f o r m a n c ei sg o o d ，a n do v e r l o a dd o s e r i o u sd a m a g eo ft h ea n t i s l i d e p e r f o r m a n c e ，b e c a u s e w h e nt h ea x l e l o a di s i n c r e a s e ，t h en u m b e ro fi s n o ta c c o r d a n c et h ep o p o r t i o n a li n c r e a s e ，b u ts i m i l a ri n a c c o r d a n c ew i t ht h e e x p o n e n t i a li n c r e a s e t h e r e f o r e ，t h ei m p a c t o f a n t i s l i d i n g p e r f o r m a n c ef o rt h eo v e r l o a d i n gv e h i c l e si sn o tl i n e a rw i t ht h ea x l el o a dg r o w t hb u t c h a n g e se x p o n e n t i a l l k e yw o r d s ：l o n gs t r a i g h td o w n h i l l ，a n t i - s l i d i n gp e r f o r m a n c e ，v a r i a b l e s p e e d v a r i a b l ei n s t r u m e n tt r a c k ，a s p h a l tp a v e m e n t ，a x l el o a d ，a t t e n u a t i o n l a w i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：啃 日期：冲年乡月艿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者繇寸 导师签名： 日期：冲年j 月巧。日 吼哕舌月9 日 第一章绪论 1 1 超长连续下坡路段交通事故危害情况 我国中西部地区山岭重丘区较多，地形复杂，地面起伏较大，一般自然陡坡 较陡，线路平、纵面大部分受地形限制，又因为公路成本等因素，在我国中西部 的公路建设中不可避免地存在许多的超长连续长陡坡。国内外事故调查资料显示， 超长连续陡坡路段往往是交通事故的多发地段，而且从交通事故发生的频率来看， 下坡路段的交通事故明显地高于上坡路段。很多事故多发地段被人们称为“死亡 坡”、“吃人坡”。超长连续下坡路段的高交通事故率，对人们的生命的财产安全造 成了严重的影响，同时也会社会的安稳产生了一定的负面影响。随着我们国家现 在的发展战略，大力进行西部开发，由其固有的地形特点，超长连续下坡会越来 越多，同时随着交通量的增加，超长连续下坡路段的交通安全问题也将会越来越 明显。 1 2 问题的提出 为了改善超长连续下坡路段的交通安全状况，国内外目前主要采用交通工程 措施、管理措施和工程措施。交通工程措施主要是通过标志、标线等主动引导设 施和护栏等被动安全设施的设置，也就是通过“主动引导 和“被动防护 的方 法，避免失控车辆发生翻车、冲下悬崖等重特大交通事故的发生。管理措施一般 有在坡顶强制车辆停车检查和冷却制动器，或在超长连续下坡路段禁止货车通行 等方法。工程措施就是通过线路改造等方法进行展线或者提高道路安全水平。虽 然道路交通安全是一个系统工程，与人、车、路、环境等诸多因素有关，但是根 据交通事故调查研究表明，超长连续下坡路段的大多数交通事故与沥青路面的抗 滑能力不足有关。如果改进路表抗滑性能，在很大程度上可以减轻事故的严重性。 但是目前我国对超长连续纵坡下坡路段沥青面层的抗滑性能还没有系统的研究， 没有有效的技术措施，因此为保证行车安全，开展超长连续下坡沥青面层抗滑性 能的研究并寻求有效的技术措施来提高路面抗滑性能，已成为现在急需解决的问 题。 1 3 影响沥青路面抗滑性能的因素 路面抗滑能力的大小，用道路表面摩擦系数来评价，而路面石料的性质、颗 粒级配、施工工艺、路面潮湿程度、滑溜性污染和沥青性质与用量等决定摩擦系 数的大小【2 5 1 。 石料性质：道路表面的纹理构造是由混合料构成的，因而混合料的组成必然 影响路面的抗滑性能。其中，最主要的是石料的物理性能( 如磨光值、磨耗值和 压碎值) 。 颗粒级配：路面面层的宏观构造指面层表面石料间的空隙，用构造深度来评 价，它控制着路面表面湿抗滑力随车速提高而下降的比例。路面宏观构造水平取 决于面层集料的级配，良好的级配要求空隙率最小，而总表面积不大。前者的目 的是要求集料本身最为紧密，而后者的目的是使沥青量最省。集料的级配影响集 料的裸露程度、尺寸大小和相互问距，而它们又影响着路面摩擦系数的大小。 路面潮湿程度：在潮湿的路面上，积聚在路面上的水会降低有效摩擦力。下 雨天水分在路表面积聚，如果排水不畅，将形成较厚的水膜，车速越高，轮胎下 的水越来不及排出，轮胎和路面不能充分接触，导致摩擦系数急剧下降，事故率 上升。 滑溜性污染及其他：滑溜性污染是指粘土等污染物被带上路面，导致路面抗 滑性能大幅度降低而影响行车安全。污染源主要有泥土( 尤其是粘性土) 、油类 滴漏、橡胶粉末积聚和工业粉尘( 如粉煤灰、煤粉等) 。此外，自然环境( 如酸 雨、老化、阳光辐射、霜冻等) 也影响路面的抗滑性能。 沥青质量与表层沥青用量：沥青宜选用高温性能好且与集料粘附性好的较硬 沥青，用粘度低的低标号沥青作面层，其热稳定性较差，面层往往形成致密油面， 降低抗滑性能。而沥青用量大小也直接影响路面的抗滑性能，沥青用量过大会使 路面产生泛油，降低路面的抗滑性能。 路面抗滑性能的因素除了矿料本身性质( 磨光值、压碎值、磨耗值、矿料级 配等等) 路表的干湿状态、污染性滑溜、沥青质量及用量外，还与以下一些因素 有关：汽车的行驶速度、重车比例、路面的平整度、气候的变化、交通量的作用 等因素。 1 4 国内相关研究及发展概况 1 4 1 国内外沥青路面防滑研究概况 1 4 1 1 国外的研究历程 从2 0 世纪2 0 年代开始道路专家就进行路面抗滑研究，英国的t r r l 是世界上 最早从事路面抗滑研究的机构之一，其研究成果表明在潮湿状况下，发生交通事 故的危险同路面滑溜程度的可靠有关，同时也开发了测试抗滑性能的设备【1 9 卜 2 8 1 。 2 0 世纪5 0 年代后期，英国研制成功了加速磨光机，并把它做为在实验室内 评定路面石料抗滑性能的设备。同时，英国道路研究所发表了“筑路石料磨光和 2 沥青路面抗滑能力的关系”的研究报告，第一次提出了在室内测定石料抗滑性能 的方法。在这期间，比利时，法国、荷兰、西班牙、德意志民主共和国和美国等 国家也都先后开展了对路面抗滑技术的研究【1 1 j 。 1 9 4 9 年国际道路会议中心成立了路面滑溜及平整度技术委员会，研究深度己 从一般路面结构扩展到薄层摩擦学、固体表面化学、空气动力学、环境检测与控 制和人造集料等。 19 5 9 年举行了第一届路面防滑的国际会议，各国防滑路面的标准逐步形成， 测试手段也不断进步。 2 0 世纪6 0 年代在欧洲用大空隙沥青混合料作为路面的磨耗层，称为丌级配沥 青磨耗层，简称o g f c ，从7 0 年代术开始在国外高等级公路上广泛应用。 1 9 7 7 年召开了第二届沥青路面的防滑国际会议，这次会议掀起了抗滑研究的 高峰。在这次会议中，路面研究委员会成员指出：对于沥青路面的抗滑问题，不 只是要考虑摩擦系数这一项指标，还应当考虑其它因素，比如路面表面结构、几 何形状、交通性质、车辆速度等因素。 在1 9 8 3 年召开的十七届世界道路会议上，澳大利亚、日本、丹麦、匈牙利、 瑞士、挪威、瑞典、南非、波兰等国家又相继提出了路面抗滑标准的建议。在这 些公路发达的国家当中，采取了不同的指标及检测工具来控制防滑路面的修建， 总结起来，主要指标有三个，道路所用石料的磨光值，路面的摩擦系数和路面构 造深度度；进行路面摩擦系数的检测工具主要有摆式摩擦仪和抗滑试验车，使用 最多最为广泛的是摆式摩擦仪，路面的构造深度大多数国家均采用铺砂法进行测 试；石料磨光值的测试大部分是采用英国的加速磨光方法。 1 9 8 4 年英国集某研究生组织的调查显示沥青路面的抗滑性能和耐久性能之 间存在矛盾，同时必须保证沥青路面的密水性或是设置排水层。 第十八届国际道路会议柔性路面委员会指出：在提高沥青路面的抗滑能力的 同时，首先应当考虑的是材料的性能：第二应当是路面的构造；第三是施工技术。 这次会议的结论为改善沥青路面抗滑性能提供了明确的研究思路。 1 9 9 3 年美国s h r p 计戈l j s u p e r p a v e 沥青混合料的设计方法初步完成，为研究抗 滑性能优良的沥青混合料提供了一种新的思路。 半个多世纪以来，进行沥青路面抗滑的研究规模越来越大，研究的问题越来 越深入，现在，沥青路面抗滑性能的研究仍然处于高潮之中。 1 4 1 2 我国的研究概况 我国道路部门对沥青路面抗滑的研究起步较晚，在2 0 世纪7 0 年代初期，初步 提出了渣油路面率产系数标准【l9 1 。 1 9 8 1 年，交通部公路科研所提出了研制石料加速磨光机和开展道路交通事故 调查研究的课题。 19 8 3 年，交通部组建了有江苏、四川、广东、北京，辽宁、云南六省市参加 的沥青路面石料抗滑性能研究的攻关组，通过对大量的交事故路段和路面石料的 调查，对我国交通事故的形成有了基本的了解。并成功研制了加速磨光机和摆式 摩擦仪。提出了适合我国情况的沥青路面防滑标准建议值，并提出了测试石料磨 光值的试验方法。 1 9 8 7 年交通部颁发了公路柔性路面设计规范，提出了各等级沥青路面的 抗滑标准，规定石料磨光值、路面摩擦系数、路面构造深度三项指标作为完工后 评价沥青路面抗滑性能优劣的指标【2 。 近年来我国根据国外的成功经验，先后引进了s m a 、0 g f c 等抗滑表层形式、 以及b a i l e y 法等混合料级配技术，为进行沥青路面抗滑性能的研究扩展了思路。 现在，交通部已着手组织力量，进行抗滑路面修建技术的研究，加快抗滑路 面的发展，减少道路交通事故的人身伤亡和财产损失，提高道路运输的效率。 1 4 2 沥青路面抗滑衰减规律的研究 随着交通运输事业的发展，对沥青路面抗滑性能的要求也越来越高，不只是 要求路面在通车初期具有良好的抗滑性能，而且还要求其在使用过程当中，随着 交通量作用，气候和其它环境等因素的影响仍然能保持良好的抗滑性能。因此道 路研究者就不能只局限于对路面初期的抗滑性能进行研究，还要研究路面的抗滑 性能衰减规律。国内外目前已经对此进行了大量的调查研究，各项研究均表明， 随着轮胎作用次数的增加，路面的抗滑能力降低，而且在通车初期抗滑能力衰减 较快，达到一定的程度后趋于稳定。 国内外研究机构对于沥青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【l l j 。 路网调查法是通过对试验路段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规律。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，他们是利用自制设备连续多年的 进行抗滑性能检测。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 中又据公路设计类型、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( i j p 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 的基础。 室内模拟法是利用相似原理，模拟实际荷载对沥青混合料的作用来研究沥青 4 混合料的抗滑性能衰减规律。我国室内模拟实验的主要研究有： 1 ) 长沙理工大学黄云涌等人【5 4 】用直线式加载系统和室内大型直道试验铺筑 了s a c - 1 3 、a c - 1 3 、和s m a 一1 6 z 种沥青混合料试验路，通过测定三种混合料在不同 作用次数下的摆值和构造深度，进而研究这三种沥青混合料的抗滑性能随作用次 数的衰减规律，试验结果显示，a c - 1 3 的衰减速率最快，s a c 一1 3 次之，s m a 一1 6 最慢。 2 ) 哈尔滨建筑大学张肖宁等人【5 5 1 在用体积法来进行沥青混合料的设计研究 中，用车辙仪来模拟实际荷载对沥青路面的作用。结果显示t 在试验前期抗滑指 标衰减较快，然后逐渐趋于稳定。谭忆秋【56 j 用同样的方法对s m a 一1 3 和a c 1 3 的构 造深度的衰变进行研究，得出了相近似的衰减规律，试验结果表明，s m a 一13 由于 其骨架作用i ：k h c - 1 3 具有更好的抗滑性能。 3 ) 同济大学杨众等人【5 7 l 根据环道实验原理自制了一台模拟车轮对路面加速 磨耗作用的仪器，试验结果显示，不管哪种粗集料和温度条件，沥青混合料的构 造深度和摆值均在作用的前期衰减较快，然后逐渐趋于稳定；石灰岩得磨光值最 小，磨耗值最大，故其构造深度衰减最快，辉绿岩和砂岩相差不大；试验温度提 高可以加快衰减过程。 在实验室内模拟行车条件对混合料的作用来研究沥青混合料抗滑性能的衰减 规律。由于不同国家或地区自然气候、交通特点以及对车轮一路面作用模式理解 的不同，试验条件、设备和方法等方面差异性很大，多局限于不同混合料之间抗 滑性能在衰减过程中优劣性的相对比较，试验结果的推广和普及性比较差 1 4 3 国内外采取的提高路面抗滑性能的主要技术途径 国内外主要采用修筑抗滑表层，包括沥青路面表面石料及粘稠沥青的使用、级 配的设计和优选等；适当调整封层料的使用层位；路肩处理和养护；改善沥青路 面的排水系统几种方法来提高沥青路面的抗滑性能。其中抗滑表层的修筑最有成 效，目前国内外主要的几种抗滑表层结构如下【1 9 卜【2 5 】： 1 4 3 1 国外主要沥青路面抗滑表层 l 、采用s m a 路面 s m a ，是一种间断级配的沥青混合料，称为碎石玛啼脂沥青混合料。其 4 7 5 1 6 m m 的粗集料比例高达7 0 8 0 ，矿粉的用量达8 “13 ，一般0 0 7 5 m m 的通过 率高度1 0 ，沥青含量高度6 7 ，同时添加o 3 、1 5 的纤维稳定剂，因此避免间 断级配空隙率过大、造成高温稳定性和防渗透水性能下降的问题。s m a 兼顾了路用 性能的各个方面，抗滑性性能好，抗车辙性能好，抗磨耗性能强，老化慢，耐久 性能好。这种路面主要用于道路养护和旧路罩面或重要道路的面层。 2 、开级配磨耗层 开级配磨耗层简称o g f c ，是一种可以互相连通空隙的混合料，雨大时可提供 排水通道，雨水垂直通过o g f c 至i j 达不渗水的下卧层表面，然后从侧向排到路面的 边缘，路面排水效率高。但是由于这种面层结构构造深度大且透水，必须铺设在 坚固的不透水的地面层上，最好是碾压式地沥青或密级配沥青混凝土上。该路面 表层铺筑厚度一般为2 4 c m 。 排水性能极佳是开级配磨耗层的最主要优点，使用效果不但防滑好，还能抑 减喷雾和溅水，显著地降低轮胎与路面的噪音( 3 5 d b a ) 。其缺点是结构强度和结 构稳定性较差，沥青老化速度快、耐久性差，透水性还会因行车和路面污染而衰 减。一般来说，该型式的抗滑表层适用于炎热、多雨或气候温和地区的有较高抗 滑要求的公路上。 3 、粗骨架高结合含量混合料面层( c m h b ) c m h b 是美国德克萨斯州运输局丌发的一种基于“粗碎石之间恰好相互接触” 的理想状态的混合料，它不需任何添加剂或填料，不同于s m a 或传统的密级配沥青 混合料，行车荷载主要由粗集料承担并且往下传递。c m h b 采用德州旋转压实仪成 型试件确定最佳碎石含量。一般认为在最佳值之前的趋于是危险的不稳定区，为 了保证生产过程中粗集料含量不低于最佳值，在设计中常将其在最佳值基础上提 高2 5 5 。c m h b 面层由于集料骨架作用因而表现出较好的抗滑性能，而且其耐 久性好，抗车辙能力强，在施工过程中不会产生离析。 4 、沥青路面防滑涂料 沥青路面防滑涂料，是英、r 等国近几年研究开发的沥青路面防滑新材料。 防滑涂料主要由下述组成：( 1 ) 粘结料，即环氧树脂系列产品和一种强韧的柔 性沥青混合物。施工时用真空无气喷涂机喷涂，标准喷涂量为1 4 1 6k g c m 2 ； ( 2 ) 耐磨性能强的硬质骨料，即金刚砂及专门配制经过锻烧的铝钒土等，用量为 6 7k g c m 2 。 防滑涂料的特点有：( 1 ) 粘结料和骨料能紧密形成一体，且保持良好的抗滑性 能和耐久性效果。据介绍可用3 5a ，甚至达1 0a 之久：( 2 ) 由于使用了高硬度骨 料，则抗磨性强；( 3 ) 可使路面颜色随心所欲。 防滑涂料的使用效果可以达到：( 1 ) 抗滑摩擦系数明显提高；2 ) 减少滑溜 6 0 8 0 ；( 3 ) 在英国可以减少交通事故3 0 。 由于基本原料可以解决，这种防滑处理措施在我国也颇有发展前途。 1 4 3 2 我国采用的主要抗滑表层 1 、采用改良的密级配沥青砼面层材料 由于密级配沥青砼具有较好的稳定性和耐磨性，目前，许多国家仍认为它是较 好的抗滑沥青面层材料。这种类型的特点是：1 ) 混凝土较密实( 孔隙率为6 0 5 1 0 ) ， 相当于我国现象规范中的沥青混凝土i i ；2 ) 碎石含量约占5 5 9 6 7 7 ，能形成较大 6 的宏观构造。通常，在抗滑表层修筑中，混凝土中粒径在l o m m 以上的粗集料采用 抗磨光的酸性石料，占总料量的3 0 5 0 ，细集料和石粉仍采用碱性石灰岩。其特 点是高磨光值和低磨光值的石料掺配使用，以解决某些地区优质石料不足的问题， 也可增加油石的抗剥落性，充分利用两种石料产生的抗磨耗能力差，使路面在不 均匀的磨损情况下，获得较长时间的抗滑效果。这种结构铺筑厚度一般为2 - 4 c m ， 结构稳定性好、密实、耐久，当相对构造深度偏小。 2 、采用开级配多碎石沥青混凝土 这种沥青混凝土铺筑的路面表层宏观构造深度大，孔隙率在1 0 以上，碎石 含量较多，可达5 5 7 5 。这种面层结构的特点是构造深度大，但透水，需在其下 面铺筑防水层，以防透水层浸害公路路面底层，该路面表层铺筑厚度一般为 2 - 4 c m 。 3 、采用倒装结构沥青表面处治层 这种类型是将表处路面最后一次嵌缝料同封面料倒装施工。下面层采用料径 3 - 5 m m 的石灰岩石屑，用油量1 2 1 4k g c m 2 ，上层采用粒径8 1 0 m m 的抗滑石料， 用油量1 5 1 7k g c m 2 ，使抗滑石料压入底层1 2 2 3 。封面料可采用6 0 的酸性石 料同4 0 的碱性石料掺配，以利用两种石料的抗磨耗能力差，获得长期的抗滑效 果。这种结构的特点是宏观构造好，纹理深度大，抗滑面料用量少，施工简便， 造价低，可见度好，不炫目，其铺筑厚度一般为1 5 2 o c m 。其缺点是抗滑水平 中等；与拌合式施工比较具有施工速度慢且质量难于控制。故建议用于低等级公 路的新建及高等级公路的养护。 4 、采用热沥青砂层上嵌压抗滑石料 嵌压型抗滑表层是在砂粒式或细粒式沥青混凝土上镶嵌一层等粒径、抗磨光、 耐磨耗的优质集料后所形成的路面。其施工方法是在下面层上铺筑一层厚1 5 c m 的l h - 5 型砂粒式沥青混凝土，然后用8 t 压路机轻压一遍，趁热将拌有2 - 3 5 沥 青的1 0 1 5 m m 的热抗滑石均匀地撒布在沥青砂上，趁热用压路机碾压，使石料的 1 2 3 4 嵌入沥青砂中，然后在嵌压石料孔隙，再用压路机碾压成型铺筑厚度 一般为1 5 - 2 c m 嵌压型抗滑表层的特点有：1 ) 抗磨光、耐磨耗的优质石料用量少；2 ) 构造深度 大，与透水性表层一样，不但抗滑性能好，而且还能有效地抑减喷雾和溅水；3 ) 抗 滑层与密水层合二为一，从而简化了层次；4 ) 施工环节多，在没有配套机具时， 嵌压料撒布均匀与否对使用效果影响很大；5 ) 适用于任何气候环境，鉴于施工较 为复杂，建议用于抗滑要求高的高等级公路或需要外运优质集料地区。 1 4 4 国内外研究总结 目前，国内外针对超长连续下坡路段沥青路面的研究较少，这方面的文献也鲜 7 有报道。多数还仅局限于小坡度沥青路面的结构设计、材料组成的范围内。不仅 室内试验方法及评价指标不够完善，实际的路面施工中也缺乏超长连续下坡沥青 路面施工行之有效的方法。虽然在小坡度路面上服务良好的路面结构，在高速公 路的超长连续下坡处却未必适用，尤其是在交通量大，重超载繁多的地段，很多 的已建高速公路反映了这一情况。 所以，着眼于我国道路交通运输行业的现状，要克服因发展经济带来的车辆 载重增加、流量增大、车辆性能改进等问题，除了大量兴建高速公路时提高超长 连续下坡的标准外，重点应当有针对性地对适用于超长连续下坡处沥青面层的结 构及材料进行设计研究，提出相应的抗车辙、抗滑、抗剪、抗水损害、耐磨、耐 久的结构。本文主要研究沥青路面的抗滑性。 虽然目前国内外对沥青路面的抗滑研究很多，例如，抗滑的衰减，路表构造 深度对抗滑的影响。但这些研究主要是针对正常路段，而对于超长连续下坡路段 由于其结构受力与正常路段有很大的区别，因此其抗滑性能测试方法和标准如果 按照正常路段的标准进行就不一定能满足要求。目前对超长连续下坡路段的抗滑 研究还不够系统，还没有一个有效的技术措施来提高抗滑能力，在这方面还有待 进行进一步的研究。因此本文对超长连续下坡路段沥青路面抗滑性能的研究很有 必要。 1 5 本文的依托工程 本文主要依托四川雅泸高速公路，雅泸高速公路地处青藏高原与四川盆地的 交接地带，区内山脉连绵起伏，河流深切，沟壑纵横，地形复杂，地貌类型多样， 受自然条件影响，全段高速公路均存在一定的长大纵坡。如a l 设计合同段连续 纵坡2 9 公里，平均纵坡度3 1 1 ，a 2 设计合同段连续纵坡2 1 公里，平均纵坡度 3 1 5 ，a 5 设计合同段连续纵坡6 公里，平均纵坡度3 1 7 ，a 4 设计合同段连续 纵坡更是达到了空前的5 1 公罩，平均纵坡度2 9 7 。a 4 设计合同段，地形呈连 续性阶梯状抬升。连续爬坡段最低点设计标高为9 2 6 6 5 8 m ，最高点设计标高为 2 4 4 4 9 9 4 m ，在5 1 k m 的路线长度范围内完成升坡1 5 1 8 3 m ，平均纵坡为2 9 7 ， 是迄今为止国内连续爬坡路段最长的高速公路。 雅沪高速公路路基宽度为2 4 5 m ，设计双向四车道，设计行驶速度为8 0 k m h 。 路面面层的设计结构为上面层为s m a 1 3 ，厚度为4 c m ；中面层为a c 2 0 ，厚度 为5 c m ；下面层为a c 2 0 ，厚度为6 c m 。路线所经区位于低纬度、较高海拔地区， 在大气环流上，夏、秋季受太平洋副热带高压形成的夏季季风控制，冬季受绕喜 马拉雅山麓、横断山谷干暖西风制约，春季受西藏高原及西伯利亚高压影响，利 用高压影响，形成了以亚热带季风气候为基带的山地气候，兼有高原气候的特点。 有雨量充沛、日照充足、冬暖夏凉、雨热同季，干湿分明等特点。一般冬季多南 8 北大风，低温霜冻频繁；春季多冰雹，春旱突出；气温年差较小，日差较大。区 域内降水量分布不均，年际内变化不大，不同地形部位差异明显，山坡迎风坡雨 量大，地域分布上北多南少，东多西少。区域内主要受季风和地形的影响。夏季 风控制时，主要为东北风，冬季风控制时，主要以北风为主，年平均风速2 5 l m s 。 1 6 本文的主要的研究内容及思路 本文旨在对超长连续下坡沥青面层抗滑性能进行研究，进而达到提高超长连 续下坡沥青面层抗滑能力的目的。要达到这个目的，首先得根据超长连续下坡沥 青路面固有的特性，寻找影响路面抗滑性能的主要因素；其次在此指导作用下进 行沥青混合料试验研究。超长连续下坡路段汽车行驶速度快；为了保持行车平稳 安全汽车刹车频繁；纵坡还会引起路面有水平分力，对本项目路段的交通量进行 调查，发现重车比例大。因此根据上面几个特点，本文主要从以下几个方面进行 研究： 1 、对超长连续下坡沥青路面汽车的下坡运行性能进行分析，得出超长连续下 坡路段的显著特性，提出了抗滑研究的主要内容。 2 、探讨集料的种类、矿料级配、矿料规格三个因素对沥青路面抗滑性能的影 响，及其在抗滑性能衰减过程中的作用；研究重载车辆、行驶速度对沥青路面抗 滑衰减规律的影响。 1 ) 拟定两种集料种类，分别为玄武岩、石灰岩。测试其物理力学性质。 2 ) 在参阅相关文献的基础上，选取抗滑性较好的三种级配，分别是多碎石沥 青玛蹄脂s m a 1 3 、大空隙沥青混合料o g f c 1 3 、沥青抗滑级配a k 1 3 。进行初 始抗滑性能比较研究及其抗滑指标衰减速率的研究。 3 ) 对s m a 和o g f c 分别采用公称最大尺寸1 3 2 m m 和1 6 m m 两种矿料规格 进行抗滑性能研究、抗滑指标衰减速率的研究及对s m a 16 与o g f c 16 的综合性 能比较，包括水稳定性试验、高温车辙试验、低温弯曲蠕变试验和疲劳试验。 4 ) 研究五种不同轮压作用下沥青混合料的抗滑衰减规律。 5 ) 研究三种不同行驶速度作用下沥青混合料的抗滑衰减规律。 3 、根据试验结果，建立车轮行走次数、轮压与摆值的关系式，对雅泸路在设 计年限内的抗滑性能进行预测。 9 第二章超长连续下坡汽车运行性能分析 2 1 汽车在下坡路段的受力分析 汽车在下坡路段行驶时的运动状态分为j 下常行驶和制动状态两种，因此对正 常行驶和制动两种状态分别进行受力分析。 2 1 1 超长连续下坡路段汽车正常行驶受力分析 车辆在下坡时作用在车辆上的力包括汽车驱动力和行驶阻力【5 l 】。 l 、汽车的驱动力 汽车在道路上行驶，必须有足够的驱动力来克服各种行驶阻力。汽车行驶的 驱动力来自它的内燃发动机。在发动机里热能转化成机械能，产生有效功率， 驱使曲轴以每分钟n 的转速旋转，发生m 的扭矩，再经过一系列的变速和传动， 将曲轴的扭矩传给驱动轮，产生m 。的扭矩驱使汽车行驶。驱动力以丁表示，其大 小为： t ：um y r l r 一( 2 1 ) ， 式中：【，为负荷率，m 为扭矩，7 为总变速比，7 7 ，为机械效率，为车轮半 径。 由式( 2 1 ) 可知，要获得较大的驱动力丁，必须要有较大的总变速比y 。但 是y 增大，车速y 就降低，对同一发动机要得到大的驱动力和高的速度，二者是 不可兼得的。为此，对汽车设置了几个排挡，每一排挡都具有固定的总变速比y ， 以及该挡的最大车速和最小车速。当使用抵挡时，用较大的y 值已获得较大的驱 动力丁，但车速y 较低；而使用高排挡时，用较小的7 值，获得较小的驱动力和 较高的车速。 2 、汽车的行驶阻力 汽车在坡道上行驶时，必须克服地面与与轮胎相互作用而产生的滚动阻力和 重力沿坡道的分力坡道阻力；车身与空气相互作用而产生的空气阻力；若汽车变 速行驶时，还必须克服惯性阻力。 1 ) 空气阻力 汽车在行驶中，气流与行驶车辆接触，一部分气流从汽车顶面和侧面通过， 另一部分气流从车身底部与路面之间通过。迎面空气质点的压力，车后的真空吸 力及空气质点与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力。车速越高， 空气阻力越大，由空气动力学的研究和试验可知，汽车在空气介质中产生的空气 1 0 阻力r 可用下式计算。 驴器 ( 2 2 ) 式中：k 为空气阻力系数，它与汽车的流线型有关；4 为汽车迎风面积；v 为汽车行驶速度。 2 ) 道路阻力 道路阻力是由弹性轮胎变形、道路与轮胎的摩擦及纵坡坡度而产生的阻力， 主要包括滚动阻力和坡度阻力。 ( 1 ) 滚动阻力 汽车行驶是靠作用在车辆行驶方向的力而运动的。汽车运动是通过车轮实现 的，汽车行驶时，轮胎发生反复变形，其材料内部发生摩擦消耗一部分功率。不 仅轮胎变形，路面也会变形，轮胎与路面接触面之间产生摩擦要消耗部分功率。 另外，由于路面的不平整而造成轮胎震动和撞击也要引起部分功率的消耗。滚动 阻力与汽车的总重力成f 比，如果道路坡度为口时，其值可用下式计算 r ，= a f e o s a ( 2 3 ) 由于坡度倾角o f 一般较小，近似认为c o s 6 9 l ，则 r = a f ( 2 4 ) 式中：尺，为滚动阻力；g 为车辆总重力；厂为滚动阻力系数，与路面类型、 轮胎结构和行驶速度等有关，一般应由试验确定，在一定类型的轮胎和一定车速 范围内，可视为只和路面状况有关的常数。“ ( 2 ) 坡度阻力 汽车在坡道倾角为口的道路上行驶时，车辆在平行于路面方向上的分力为 g s i n c r 。当汽车在下坡上行驶时候，汽车的坡度阻力方向与汽车的前进方向相同， 助推汽车行驶。即汽车下坡时，坡度阻力变成了推动汽车行驶的动力，用下式表 示 r j = g s i n c r g i ( 2 5 ) 式中：r 为坡度阻力，f 为道路纵坡度。 滚动阻力和坡度阻力均于道路状况有关，切都与汽车的总重成正比，将它们 统称为道路阻力，以r 。表示 r r = g ( f f ) ( 2 6 ) 式中：厂一f 称为道路阻力系数。 3 ) 惯性阻力 汽车作加( 减) 速行驶时，需克服惯性力和惯性力矩称为惯性阻力，用r 表 示。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加( 减) 速时平移质量产生惯 性力，旋转质量产生惯性力矩。平移质量产生的惯性力r = m a = 兰口，旋转质量 g 的惯性力矩尺。：= ，i d o ) 。因为旋转质量组成部分较大，一般给平移质量惯性力 乘以大于1 的系数万，来代替旋转质量惯性力矩的影响。即 尺i ：万里口 ( 2 7 ) g 式中：万为惯性力系数；g 为重力加速度；a 为汽车加速度。 综合上述计算得下坡路段汽车的总行驶阻力为 肛 驴即即等+ 可- g i + 万詈