（材料学专业论文）水泥混凝土路面抗滑功能衰减规律及评价方法研究.pdf

摘要 随着我国公路事业的飞速发展，路面行车安全日益引起人们的关注，良好的抗滑性 能可满足汽车在路面上高速安全行驶的要求，同时也为轮胎与路面之间提供了安全刹车 距离所需要的摩阻力，减少交通事故隐患。 近年来，经常会出现这样一种现象，即公路在竣工验收时其抗滑性能均满足设计要 求，可通车后不久，路面的抗滑性能便随车辆对路表构造的磨损而快速衰减。尤其是水 泥混凝土路面，首先是细观构造在通车1 2 年内迅速磨掉，在交通荷载作用下，宏观 构造逐渐被磨损直至磨光，最终路表摩擦系数降到一个很低的水平，难以给行驶的车辆 提供足够的附着力或制动力，进而诱发交通事故。因此，研究水泥混凝土路面的抗滑性 能的衰减规律，对维持路面行车安全，提高道路使用品质具有十分重要的意义。 论文通过对水泥路面路表磨损机理的分析，自行研制了水泥混凝土路面室内加速磨 耗仪，对几种典型纹理的混凝土路面进行了路表磨耗及抗滑性能衰减规律研究；利用指 数平滑预测法，建立了水泥路面磨耗过程中抗滑指标及磨耗深度衰减的预测模型；同时， 通过分析冰冻环境因素对水泥混凝土路面表面构造耐久性的影响，进行了室内水泥混凝 土路表构造冻融试验，结合对试验结果分析，提出了水泥混凝土路表构造抗冻性评价方 法及指标；最后，结合磨耗评价方法和抗冻评价方法，提出了水泥混凝土路表构造衰减 评价方法可以采用“冻一磨”联合作用评价方法。 关键词：水泥路面，路表构造，衰减规律，磨损，冻融，指数平滑 a b s t r a c t w i t ht h ec a u s eo fc h i n a sr a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a y s ，t h er o a ds u r f a c et r a f f i cs a f e t y a r o u s e dp e o p l e si n t e r e s td a yb yd a y , t h eg o o ds k i dr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c em i g h ts a t i s f yt h e h i g h - s p e e dr e q u i r e m e n t so fa u t o m o b i l e s i m u l t a n e o u s l ya l s oh a sp r o v i d e dt h ef r i c t i o nw h i c h f o rb e t w e e nt h et i r ea n dt h er o a ds u r f a c et h es a f ed i s t a n c eb r a k i n gn e e d e d ，r e d u c e dt h et r a f f i c a c c i d e n th i d d e nd a n g e r i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r ef r e q u e n t l ys u c hap h e n o m e n o n ，t h a ti s ，t h er o a dw h e nt h es k i d r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fr o a dc o m p l e t i o na p p r o v a lw i l l s a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ， a f t e rm a y b eo p e nt ot r a f f i cs o o n ，t h es k i dr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fr o a ds u r f a c ew i t hr a p i d a t t e n u a t i o no fw e a ra n dt e a r i ne s p e c i a l l y , c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti st h eo p e n i n go f m i c r o s t r u c t u r er a p i d l yw o r na w a yi nt h e1 2y e a r s f o l l o w i n gt h et r a f f i cl o a d ，t h e m a c r o - s t r u c t u r ei sg r a d u a l l yp o l i s h e du pt ow e a ra n dt e a r , a n du l t i m a t e l yd o w nt ot h er o a d f r i c t i o nc o e f f i c i e n tt a b l et oav e r yl o wl e v e l ，i ti sd i f f i c u l tt ov e h i c l e st op r o v i d ea d e q u a t e a d h e s i o no rb r a k i n gf o r c e ，a n di n d u c e dt r a f f i c t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n tp e r f o r m a n c eo ft h ea n t i s l i d i n ga r e n u a t i o nl a w , t h em a i n t e n a n c eo fr o a dt r a f f i c s a f e t ya n di m p r o v et h eq u a l i t yo f r o a du s ei sv e r yi m p o r t a n t t h ep a p e rt h r o u g ht oc e m e n tc o n c r e t es u r f a c ew e a rm e c h a n i s ma n a l y s i s ，d e v e l o p e dt h e i n d o o ra c c e l e r a t ew 0 1 t ii n s t r u m e n t o fc e m e n tc o n c r e t e ，r e s e a r c ht h e t y p i c a l t e x t u r e s a r e n u a t i o nl a wo ft h es k i dr e s i s t a n c e ；e x p o n e n t i a ls m o o t h i n gt of o u n dt h ee v a l u t i o nm o d e lo n t h es k i dr e s i s t a n c ea n dt h ea b r a s i o nd e p t ha t t e n u a t i o n ；a tt h es a m et i m e ，a n a l y s i sf r e e z i n ga n d t h a w i n gf a c t o ro nt h ed u r a b i l i t yo ft h er o a ds u r f a c es t r u c t u r e ；t h r o u g hi n d o o rf r e e z e t h a wt e s t a n dt h ea n a l y s i so ft e s tr e s u l t s ，t op r o p o s et h ea n t i f r e e z i n ge v a l u a t i o nm e t h o d so fc e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n t ；f i n a l l y , a c c o r d i n gt oa b r a s i o na n da n t i - f r e e z i n ge v a l u a t i o nm e t h o d ， p r o p o s e dae v a l u a t i o nm e t h o do nc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts u r f a c es t r u c t u r ea t t e n u a t i o nc a n b eu s e d ”f r e e z i n g w e a r i n g ”t h ej o i n ta c t i o ne v a l u t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t e ，r o a ds u r f a c ec o n s t r u c t i o n ，a t t e n u a t i o nl a w ，a b r a s i o n ， f r e e z e - t h a w ，e x p o n e n t i a ls m o o t h i n g i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 年月 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 川年3 只上b 一年6 局s 日 长安大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 1 1 1 水泥混凝土路面发展现状 水泥混凝土路面作为一种路面结构形式，由于具有使用寿命长、养护工作量小、能 源消耗少、施工简便，对交通等级和环境适应性强等优点而在国外得到广泛应用。受经 济条件限制，我国水泥混凝土路面起步较晚，至1 9 8 0 年，水泥混凝土路面的里程仅 1 6 0 0 k m ；随着社会经济水平提高与高等级公路的发展，水泥混凝土路面的使用也得到了 快速发展。截至2 0 0 8 年底，水泥混凝土路面总里程达到1 0 2 3 7 0 0 k m ，里程相比1 9 8 0 年 增长了5 0 0 多倍。但需要指出的是，虽然我国水泥混凝土路面在近3 0 年得到迅速发展， 在高级和次高级路面里程中的比例有所提高，但在高等级公路路面中所占比例不到1 4 ， 并且近年来又有下滑趋势。 水泥混凝土路面在我国高等级公路中使用比例近几年呈下降趋势。主要有两方面原 因：一方面是水泥混凝土路面设计未能适应近些年交通特点，路面在超重、超限车辆作 用下极易断板，并由此引发一系列的破坏；同时，由于路面结构设计不合理，从缝隙中 进入路面结构的水无法排出，冲刷造成了水泥混凝土板的脱空，加剧了断板破坏；此外， 由于对水泥路面铺筑队伍的技术水平要求不高，导致任何水平的施工队伍都可能进入混 凝土路面铺筑市场，造成铺筑质量参差不齐，极易引起水泥路面各种早期破坏的发生， 扼杀了水泥混凝土路面优点的发挥。另一方面，沥青路面本身具有表面平整、耐磨、无 接缝、行车舒适、振动小、噪音低、施工期短、养护维修简便、适宜分期修建等优点， 加之我国在沥青路面施工设备、施工技术研究方面投入很大，沥青路面优点发挥较好。 这两方面的原因，使得沥青混凝土路面在我国高等级公路里程中所占比例不断增大，进 而使高等级公路中水泥混凝土路面所占里程降低。 2 0 0 3 年以来，随着国际石油价格的持续攀升，带动了道路沥青价格大幅上涨，对我 国近1 4 依靠进口沥青铺筑的的高等级公路建设带来了极为不利的影响。同时，由于 受优质石料资源的制约，沥青路面道路建设和养护成本大幅增加。而我国有丰富的石灰 石资源，水泥产量非常丰富，价格低廉，无需进口。根据中国建筑材料科学研究院的统 计，我国目前拥有1 1 0 0 0 多家水泥厂，已连续十多年产量位居世界第一，2 0 0 8 年的产量 第一章绪论 更达创记录的1 4 7 7 亿t 。目前市场上，c 5 0 的平均价格仅约3 8 0 元t ，完全可以满足 国内水泥路面的需求。因此，道路沥青价格飞涨的客观情况和丰富、便宜的水泥资源， 为水泥混凝土路面发展提供了有利条件和竞争优势，使得水泥混凝土路面在我国面临一 个新的发展时期。在这种形势下，研究和解决水泥混凝土路面的不足，将有利于混凝土 路面的尽快发展。 现代交通日益呈现高速度、大流量、重轴载的特点。在高频率车辆荷载作用下，水 泥混凝土路面不断受到冲击、挤压、路面上坚硬物质的磨损和面层的磨光，使得混凝土 路面表面层抗滑性能快速衰减，道路行驶安全系数降低，引发交通事故大量发生。目前， 频繁发生的交通事故己引起道路管理者和使用者的极大关注，行车安全已被列为道路最 基本的功能要求。 1 1 2 路面防滑能力与交通事故增长率的关系 汽车与交通运输的发展，推动了社会经济的进步，随之而来的交通事故也成为社会 的重大公害之一。据世界银行和世界卫生组织( w h o ) 的统计资料显示，全世界每年死于 交通事故的人数高达1 2 0 万，受伤者多达5 0 0 0 万，即每天有3 0 0 0 多人死于道路交通伤 害，故有人称其为“世界第一公害”、“和平时代的战争 。 2 0 世纪6 0 年代，由于汽车生产的拥有量急剧增长，工业发达国家的每公里公路平 均汽车密度逐渐趋于饱和，使得交通拥堵现象严重，交通事故与日俱增。日本和美国经 济高速发展时期，都出现了交通事故高速增长现象n 1 。日本从1 9 5 2 年到1 9 7 0 年间的1 8 年是历史上经济发展最快的时期，全国交通事故迅猛上升，交通事故死亡人数由4 6 9 6 人增至1 6 7 6 5 人，增长2 5 7 ，年均增长率为7 7 。美国从1 9 5 2 年至1 9 7 2 年的2 1 年 间，是二战后美国经济发展较快的时期，其交通事故死亡人数由3 7 7 9 4 人增加到5 6 2 7 8 人，增长4 9 ，年均增长率为2 3 。近年来，随着发达国家的汽车保有量、汽车密度接 近饱和，再加上道路修筑技术、养护水平及管理水平的不断提高，交通事故率逐渐下降 并趋于稳定。 与发达国家道路交通安全状况相比，我国的要差得多，由于道路抗滑力不足引起交 通事故所造成的损失也比较高。我国的机动车拥有量只占世界汽车总量的3 ，而每年死 于交通事故的人数约占全球每年死于交通事故人数的1 5 2 0 。2 0 0 4 ，- - - 2 0 0 7 年间我国 交通事故死亡率为1 7 2 2 7 3 ，而同期美国、日本仅为1 3 2 。一组组触目惊心 长安大学硕上学位论文 的数据，表明围绕我国道路安全还有很多工作要做。 公安部交通管理局对1 9 9 0 - - - 2 0 0 8 近2 0 年的交通事故进行了统计，如图1 1 1 3 所示。 图1 1 全国历年交通事故总次数分布情况 图1 2 交通事故伤亡按年度分布情况 图1 3 全国历年道路交通事故直接经济损失按年分布情况 通过对交通事故次数、经济损失、受伤和死亡人数等四项统计指标的调查发现，图 第一章绪论 中各个指标呈现的规律基本相同，可按年限分为三个阶段，即1 9 9 0 年1 9 9 8 年为第一 阶段，属于平缓上升阶段；1 9 9 9 年 - 2 0 0 3 年为第二阶段，属于骤然突变阶段；2 0 0 4 年 2 0 0 8 年为第三阶段，属于逐渐递减阶段。因为交通运输事业关系到国家整体经济的发展， 因此在分析道路交通安全的同时，应适当考虑国家的道路发展状况和中国的国情，这样 才能寻找到道路发展的状况与交通事故为何增大的原因。1 9 9 0 年1 9 9 8 年，我国的高 等级公路很少，车速也较低，车辆能及时刹住车；随着经济发展，交通量缓慢增加，致 使产生的交通事故逐渐增加。1 9 9 9 年 - - 2 0 0 3 年，中国改革开放的步伐放大，以经济为 主导，加大基础设施投资力度，高速公路建设里程不断创新高，交通量迅速增大，致使 交通事故率骤然上升；2 0 0 1 年2 0 0 3 年间，交通事故死亡人数均在l o 万人以上，居世 界第一，并频频被国外媒体所报道。鉴于这种情况，在2 0 0 4 年 - - 2 0 0 8 年，国家加大对 交通运输的投资力度，并推出一系列交通安全的管制措施，建立了更为广泛的道路网络， 以减缓由于交通量骤然增大引发的交通事故，尤其是对高速公路超限超载治理有所成 效，使得交通事故发生率较前几年有所下降。 大量交通事故的调查分析表明，引发交通事故的原因是多方面的，但主要可分为人、 车、路和环境四个方面的综合作用口1 。这四种因素中，人、车和环境因素是随机出现， 不易短期得到解决，只能通过长期普及交通安全知识等手段来加以限制。然而，在道路 因素上，却可通过改善道路使用性能，降低交通事故发生率。 在道路的使用性能中，引发交通事故发生的主要因素是路表抗滑性能不足。研究资 料表明口1 ，湿路面事故( 雨天事故) 的严重性与路面的抗滑能力密切相关。因此，路面 在使用过程中保持一定的抗滑性能，对减少因滑溜而产生的事故是十分重要的。 分析抗滑力对交通事故的影响主要路面表面特性，以及道路的最不利状态一表面积 水对抗滑性的影响有关。水的润滑作用降低了粗糙表面的摩擦系数，当水膜达到一定的 厚度时，高速滚动的轮胎和水膜之间会由于真空吸力而产生一种悬浮力，使得轮胎脱离 与面层材料的接触状态，如同在水垫上行驶一般。此时，制动和转向操作几乎失灵，极 容易诱发交通事故。 1 1 3 课题研究的意义 水泥混凝土路面在使用初期，其抗滑性能一般能满足要求，但是，随着道路使用年 限的增加，水泥混凝土路面的抗滑性能会快速衰减，无法保证行车安全，这是因为，水 4 k 宣# 上学位论文 泥混凝土路面在车量轮胎作用下，其路表构造被磨掉了。产生的磨损过程大致可分为三 个阶段： 第一阶段：表面砂浆层磨损。这一阶段起始点从混凝土路面建成通车日起开始计算。 表面砂浆层是由粒径较小的砂子和水泥浆组成，强度较低，在车辆荷载和轮胎磨耗作用 下，这部分很容易被磨掉；且随着磨损次数的增多，深度逐渐加大。 第二阶段：骨料一砂浆共同作用层。这一层类似于露石混凝土路面的表面形态，但 与露石路面略有不同，露石路面的表面粗集料凸凹不平，而被磨损的普通混凝土路面， 囡为在成型时表面经过振捣抹面，使得磨损后露出的石料都是平行分布的，没有像露石 路面的凹凸纹理。如图卜4 所示 副 耷， | | 攀攀饕攀； l 篱麓懿； 图14 露石砼路面和磨掼过一定程度的刻檀砼路面对比 这一阶段是路面经过一定的运营期后，路面的砂浆层已被磨掉，露出粗骨料和砂 浆菇同承担路面磨损，由于粗骨料的强度比砂浆高很多，因此这一阶段的磨损较平稳， 变化量也较小，路面磨损的时间也较长。 第三阶段：表面磨光的路面在经过第二阶段后，粗骨料之间较薄弱砂浆也逐渐被 磨损掉，路面出现粗骨料外露现象；此时，轮胎磨耗力全部作用于粗集料，经过一定磨 耗次数后，集料表面棱角逐渐被磨光，呈光滑状态。此时，路表摩擦系数最低，晟易发 生交通事故。 2 0 0 8 年，在张金喜教授主持的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”中，认为路龄与摩擦系数的关系有如下规律“1 ，如图1 5 1 7 所示。 第一章绪论 4 o 3 o 揍 静2 o 登 k 1 o 2 03 04 05 06 07 08 0 避霆，( k m - h 1 ) 图1 5 刻槽路面1 4 年路面路龄与摩擦系数下降率的关系 7 o 掺6 5 篓6 o k 5 5 5 o r 。| |门。 2 03 04 05 0磊o7 08 0 受基度，k m h l ， 图1 6 刻槽路面7 , - - , 1 0 年路面路龄与摩擦系数下降率的关系 6 0 拳5 ，0 差4 ，o p 3 0 2 0 z 3 u4 05 6 07 08 0 速泼k m h 一1 ) 图1 7 拉毛路面7 1 0 年路面路龄与摩擦系数下降率的关系 上图中的下降率为动态摩擦系数值( d f ) 从速度2 0k m h 增加到8 0k m h 时下降 的百分率。从图中可以看出，刻槽1 4 年后，路面的d f 值年均下降率随速度增加迅速 降低，既高速行驶受路龄影响更大。这是因为在路面使用初期，车辆首先磨损粗构造， 而粗构造对高速行车的影响大于低速行车。7 1 0 年后，刻槽、拉毛路表的d f 值年均下 降率也随速度增加而降低。这是因为，随着使用年限增加，细观构造和宏观构造都处于 一个稳定的磨耗状态，故摩擦系数变化较平稳。 由上述分析可知，路面抗滑性能随着车轮对路面的磨损作用而呈现逐渐降低的趋 6 长安大学硕士学位论文 势。当磨损到一定时间后，路面的抗滑性会降低到一种无法满足安全行驶的要求，将会 使行驶车辆转向不灵，制动距离加大，极易引发交通事故。因此，应采取措施，避免水 泥混凝土路表构造衰减过快，则问题又演变成采用何种方法评价不同技术措施的改善效 果。所以，对水泥混凝土路表构造耐久性评价方法进行研究，是有重要的工程意义和社 会意义。 1 2 国内外研究现状 截止目前，通过对国内外研究资料的调查发现，涉及水泥混凝土路面抗滑性能衰减 规律的相关研究较少，而沥青混凝土路面在抗滑衰减规律研究方面内容较多。国内外研 究机构对于路面抗滑构造衰减规律的研究方法主要有两种：一是现场调查统计法，二是 室内模拟法，两种方法各有优劣。 1 2 1 现场调查统计法 通过对试验路段( 含环道试验) 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， 路面的使用寿命不同，其发生交通事故的概率水平也不相同，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计的路面抗滑性能检测资料，在一定程度上，可以 获知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，由于路网调 查或路面管理系统数据库日益完善，为抗滑性能衰减研究提供了便利。 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 ) 的研究起步最早，并 且最具有代表性。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，按照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，在限定的试验季节5 - - 9 月份获得至三个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。 目前，国外对水泥路面的抗滑衰减规律研究主要是以现场调查统计法为主，如美国 华盛顿州交通部( w s d o t ) ，在1 9 9 8 年8 月对该区十三段道路进行路面磨损、轮迹带和 第一章绪论 表面构造关系进行了评价。这十三段道路均在1 9 9 5 年9 月开通使用，且都满足1 9 9 4 年 w s d o t 标准规范要求( 规范要求槽深大约0 0 1 5 英尺= 4 5 7 2 m m ，槽间距0 5 英寸= 1 2 7 r a m ) ， 按抗折强度分为三种：抗折强度5 5 0p s i ，水灰比：0 4 6 ；抗折强度6 5 0p s i ，水灰 比：0 3 6 ；抗折强度9 0 0p s i ，水灰比：0 2 9 。经实际监测发现，在1 9 9 8 年 - 一2 0 0 1 年 间，抗折强度为9 0 0 p s i 的混凝土路面在经过3 个冬季后，车轮磨损程度很小，而抗折 强度为5 5 0 p s i 和6 5 0 p s i 的混凝土路面的表面纹理已经开始出现一定程度的破损。下图 表为1 9 9 8 年至2 0 0 5 年期间，w s d o t 对十三段道路进行道路磨损监测结果，如表1 1 ， 图1 8 所示。 表1 11 9 9 8 年和2 0 0 5 年1 3 路段的轮迹磨损记录表 s p ss o 盏e f ( cs j t l ； 每s：5 1 0 日n ：j f j ：i 备n辨1 tr ) e ；i 4 n a 、t 嘲o e a ， 、o 儿喜：，o n on n 3f e z f 酞 n ：”h ：m 协)f ) 嚣 l：* i n ，o ：o l话”p c ci417 岳一e ：l oh - “k 5 5 0r m l s 3 0 ：- ，：嚣”p c c矗o2 j t i f 娜：1 5f 2 0 似o 9 p 鲥 o 心l6 盘m j n ：j 培 b 。l 弘n l r 缱：oi ，6 ：，32 b t mo n ：l j o 产。： j j oc 上粤。 二彳：j o n o n ： 5 3 0 2 0 !i i ”p c ci 34 二( 知o ；口o n e r 、n i x 5 5 0m j 5 i l oi n ：h o 、+ po e t 6 j 0 3 = j 煳j o n ：“o n 口地o “：i k0 0 a c 5 3 0 ：w i l ”p c ca 3 o 辩，o 搿m 讥p ，滞 铂0m i u ：3 n f c n 5 ，0 2 0 5 嚣”p c c 二6 i4 o r o m l _ p i a d ， ，5 0r 嗨il l - m e i ：h o 铒甲 5 3 0 2 台s舻p c ca 62 4g f 口o aj n 哦pw ，m 黝m j ： m 。： j 3 0 ：i i “p c ci33 了。托c 5m - pa l m o 三5 0 f m l m p 匹t ，譬，n 厶 5 3 0 ：o 矗i i ”p c c矗o：7觚衄m 甲i “叠0 0 0 z ) 0 f m j n o ：o n 5 3 0 ：c 挎嚣”p c cl ，63 嚣m u - p 址m ： ! ，0 m ii 冲l 拦oj ) 卫：哦e 5 3 0 ：1 0再”p c ct 62 7c 知。孙罄l n 氓甲o 蹦 掣y m i u ：印弘j 忙r t 王奶2 i i l i “p c c 2 23 9 g 证：l o n p k 1 5 ：jf m j ，0 2 ”l l “p c c住：z o c 鼢口l n p 蚓， 蝴r ”i 4 0 f n 5 3 0 ：5 争i 。广p c c1 43 嚣 j 牲m e j 掉l ，t $ i b t 、s t x t6 5 0p l j ”、忏 s ：o j 蚶 s e o l o n ) 1 。 ， 。 ， ，0 ： ：! 亭：。 l ： le 垂， 穆0 以八 九， u，l ，t 。u 1 ，、 。一碍 、，严 - 、 、 、 ， 、。 ，t 、一7 易：，：5 i 曼，：0 3 曼董：二：量k 0 1 0s 0 ：l l勤2 ：暨0 ：l ：曼x ：知0 0 ：。l3 ：0 ，! k ：。j 野：抽蹴：o ， 蠹，。，鞠的0黼姆0，蚴静韵盘野01 ，0 锄磐备0 0黯昭 m 鞠e 虹舳、一轴树知- - ，啦蜘舸粕旺 图1 81 9 9 8 年和2 0 0 5 年观察每一路段的磨损变化规律 8 长安入学硕士学位论文 从1 9 9 8 年和2 0 0 5 年道路表面构造磨损情况来看，经过7 年时间，路面表面纹理普 遍下降2 - - - - 3 m m ，而抗折强度只是在初始的几年对路面磨损起到一定抵抗作用，而对后面 的路面抗磨影响很小。 我国在公路发展前期对路面抗滑能力研究的重点，主要是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监控，而在路面使用状态下抗滑性能的衰减方面进行 的研究工作相对较少，主要原因是衰减历时较长、实际行车条件难以准确模拟、试验方 式及结果的差异性等。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，采用与路面同种材料、同种工艺制成的规格为2 2 0 x l l o x 2 5 m m 的路面试块，并埋 设于行车道上，每季度测定一次试块的摆值，观察其抗滑性能的衰变。经观测发现，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，之后下降缓慢。因 此，仅以路面竣工时验收的摩擦系数表征路面抗滑性能不合理。因为，即使是最差的石 灰岩，这时也能达到要求，但其在通车后，会快速被磨损，造成抗滑性能急剧降低。 刘清泉教授在北京地区的一个测点日交通量为3 0 0 0 辆左右的条件下，进行了连续 跟踪测试，结果如图1 9 所示。 嚣 ， ， l io 彳 ，试9 l 葛上的舅【 叁 - | o 辽 l _ 汉 t ， ， 、 式 o ：a 曩；厨：m _ r r _ 蕾t b i 点 、泐尖b 一 i 一 。- 一、，一 7 ，、t 、e - =，一， 9 第一章绪论 室内模拟法也可称为仿真模拟法，即根据要模拟的系统建立仿真模型，并在模型上 进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。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。 目前，由于不同国家或地区自然气候、交通特点以及对车轮路面作用系统理解的 不同，很多研究机构基于室内模拟的思想自行研制和开发了模拟实际路面行车过程的试 验仪器和试验方法。这些方法虽无明确标准可循，但在模拟的某些特定磨损方式及环境 因素作用下，进行对比性试验研究取得良好效果，值得借鉴。现在各种室内模拟法总结 如下： ( 1 ) 环遭试验 o c a p t i f 法 新西兰交通部针对新西兰路面磨损标准为取轮轴重8 2 吨的限制，组织研发了坎特 伯雷加速路面室内测试系统c a p t i f ( t h ec a n t e r b u r ya c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t i n g i n d o o rf a c i l i t y ) ，如图11 0 所示 图1l oc p t i p 室内路面加速潮试设备 该系统仿照美n n g ；f n 试验方式，通过圆形旋转负荷和灵活的动载，实现室内模 拟实际路面行车状况，并可通过路基应变法和结构系数法实现对路面寿命预测。系统路 面部分结构，如图i 1 1 所示”3 。 长安大学碗1 学位论文 圈1 1 l 路面结构设计圈 沥青路面室内加速磨损试验仪 同济大学杨众等研究人员通过对沥青路面防滑性能衰变机理的分祈，研制开发了小 型设备加速磨损仪，并建立了加速磨损的试验方法。该仪器为了减少往复运动对沥 青路面的揉搓作用，采取微型环道试验法，使车轮始终延一个方向运动，如图11 2 所 日i o 机械设计：仪器采用橡胶轮进行磨损 试验，成型沥青混合料试件拼接成圆环， 固定在圆形试验台上。试验台下接大功率 电动机，可以不同速度( o 8 0 k m h ) 转动。从动的轮胎以一定的负载加在沥青 混台料环道上。竖、横向传感器可分别测 量轮胎的负载和转动、制动状态下轮胎受 到的摩阻力。 圈1 1 2 加连自吲蝌割4 着意试验在0 7 m p a ，1 5 c 下对分别以辉绿 岩、安山岩和石灰岩为粗集料以及在0 7 m p a ，3 0 下以砂岩为粗集料的a k 一1 3 a 混合料 进行加速磨损试验，每隔l 2 h 测定一次构造深度和摆值。试验结果表明：不管何种粗 * 一$ 镕 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，磨损值最大，因此构造深度衰减最快，辉绿岩和砂岩相 当提高试验温度可以加快衰减过程，并可控制细料上泛和车辙出现的快慢”。 沥青加速加载试验机 长安大学赵战利博士通过分析汽车行驶时轮胎一路面作用状态及抗滑机理，研发了 能充分模拟行车对路面作用的加速加载试验机。，如图1 1 3 所示。并以此设备为研究手 段，研究了o g f c 一1 3 、s 姒一1 3 、多级嵌挤密级配s j 一1 3 以及a c1 3 等不同类型级配沥青 混合料抗滑性能衰减规律，并建立抗滑性能指标衰减非线性指数模型。 圈1 1 3 加速加蛾试验仪 结果表明：4 种不同级配混台料的抗滑性能衰减曲线均符合非线性指数关系，可用 a s y m p t o t i c 指数模型表示与实际抗滑性能衰减曲线有较好的拟合度能够反映沥青混 合料在实际使用过程中抗滑性能衰减的规律性。级配组成影响混合料的抗滑韧值，级配 稳定程度决定其抗滑性能在使用过程中的衰减速率和幅度；对抗滑性能而言，其衰减特 征受矿料级配是否能形成骨架结构以及骨架的相对强弱影响最大，细集料的充分填充对 于增强骨架的稳定性有一定的帮助，但混合料内部应预留足够的空隙储备，防止路面的 抗滑水平因高温、重载等外界条件的改变而降低。 ( 2 ) 直道试验 中南大学陈瑜等人总结水泥混凝土耐磨试验方法的基础上，结合水泥混凝土路面的 磨损特点，自行开发了水泥混凝土路面加速磨损仪及相关试验方法，如图1 1 4 所示。 该仪器采用硬质砂轮在水泥混凝土试件上进行直道往复方式运动，并引入磨粒作用来对 路面板进行磨损，以模拟实际路面行车过程中，路表面上剥落的或由外界带入的固体颗 粒对路面的磨损情况。 长安大学硕士学位论文 混凝 工作原理：混凝土试件固定 在试验台可滑动轨道上，通过电 动机变速器带凹槽偏心齿轮 组一曲柄连杆动力系统驱动试验 台导轨，以一定频率来回往复运 动。对摩擦轮轮轴施加荷载，保 持摩擦轮在与混凝土表面垂直的 平面内自由滚动。试件表面与摩 擦轮之间摩阻力足够大时，带动 其上从动的摩擦轮滚动，相当于摩擦轮沿直道混凝土试件表面滚动；若逐渐磨光的试件 表面提供的摩阻力不足，摩擦轮停止滚动，转为在试件上滑动，从而模拟轮胎路面 接触情况，并根据路面构造状况提供的摩阻力大小决定滚动或滑动摩擦作用，达到与路 面实际磨损情况基本吻合之目的。测量混凝土试件被摩擦轮磨损一定程度后的质量损 失、表面构造深度和抗滑值变化情况陋1 。 研究表明：通过该仪器对压槽、露石和多孔混凝土路面进行耐磨试验，可研究其磨 损过程和抗滑构造衰减规律，为进一步深入研究路面的磨损过程和抗滑构造的衰减规律 奠定基础。 1 2 3 现场调查统计法与室内模拟法的比较 调查统计法的优点体现在能够直观地反映真实路面在使用环境中的抗滑性能衰减 规律，统计数据部分可结合路况普查或年度检测资料获得，相关研究结论对于路面现状 评价及养护决策具有一定的参考意义；缺点是数据的积累周期长，如果采用实测的方法 则可能需要大量的时间、人员和设备，同时由于道路处在一个开放的环境系统中，对于 路面抗滑性能的影响因素较多并且不易人为控制，因此反映出来的多是交通量、季节、 气候( 潮湿状况) 等宏观上具有共性的因素对路面抗滑衰减规律的影响，一些诸如集料、 级配、沥青品种和用油量等因素细微的差别在抗滑性能衰减过程中的作用可能得不到完 整的反映。 室内模拟法在一定程度上和调查法有一定的互补性，它的优点是试验周期短、易于 控制研究方向，试验效果直观等，相关研究成果对于混合料配合比设计阶段指导或预估 第一章绪论 路面抗滑性能具有一定的参考作用；这种方法的局限性表现在试验结论受研究者的认识 和试验条件影响较大，容易带有一定的主观性。 可见，抗滑性能衰减规律的两种研究方法各具特点，互有优势。随着现代机械加工、 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，并将在材料设计和评估方面表现出更强的实用性，从这个意义上讲，该方法将是 以后研究路面抗滑性能衰减规律的主要研究方向。 1 3 本研究的主要内容及关键技术 1 3 1 研究内容 本文依托交通部西部交通建设科技项目“水泥混凝土路面表面功能研究”，针对混 凝土路面抗滑构造不耐磨损、抗滑性能衰减快等问题，开展水泥混凝土路面抗滑性衰减 规律及评价方法研究，以便为路面耐磨性改善及抗滑性能预测建立基础平台。 对此，本文在磨损机理分析的基础上，研制和开发一套抗滑衰减试验设备，并通过 室内仿真模拟法，研究槽型和拉毛型水泥混凝土路面的长期衰减规律，并在抗滑衰减试 验基础上，提出一种针对水泥混凝土路面路表构造耐久性的评价方法。主要研究内容如 下： ( 1 ) 水泥混凝土路面路表抗滑衰减机理分析 ( 2 ) 水泥混凝土路面加速磨损试验方法研究 ( 3 ) 水泥混凝土路面抗滑性能衰减规律研究 利用开发的路面加速磨损仪，对刻槽、拉槽和拉毛型路面进行加速磨损试验，分 析路面磨损程度与抗滑性之间的关系； 分析冰冻破坏和盐冻破坏对混凝土路面抗滑性能衰减的影响； ( 4 ) 水泥混凝土路表构造耐久性评价方法研究。 1 3 2 关键技术 ( 1 ) 研发水泥混凝土路面室内加速磨耗试验设备； ( 2 ) 利用室内加速磨耗设备对水泥混凝土路面抗滑性能的衰变规律进行研究； ( 3 ) 提出水泥混凝土路面抗滑性能长期衰变的评价方法。 长安大学硕士学位论文 第二章水泥混凝土路表抗滑性能衰变行为研究 2 1 水泥混凝土路面抗滑特性 2 1 1 路面抗滑研究发展概况 对于轮胎与路面之间的抗滑力，过去已有很多人从各种角度出发作了研究。主要是 从高分子化学角度对轮胎橡胶性质的研究。有关公路防滑研究，开始于1 9 2 0 年美国衣 阿华州立大学和法国公路桥梁研究所，随后英国的公路研究所、德国的达姆休塔德工科 大学以及斯图加特工科大学也进行了相关研究。近年来，德国的柏林工科大学、荷兰的 道路研究所、美国的加利福尼亚大学以及实夕法尼亚大学等，积极地进行了研究。美国 的公路研究委员会( h r b ) 根据已有研究成果，制定了路面抗滑系数的标准值呻1 。 1 9 5 8 年，在弗吉尼亚大学召开了第一次国际防滑措施会议n 剖，此后在国际道路协会 ( p i a r c ) 中，设置了滑溜与平整度技术委员会( t e c h n i c a lc o m m i t t e eo ns 1 i p p e r i n e s s a n de v e n n e s s ) ，在国际上进行了联络及研究成果的发表。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。1 9 7 7 年在俄亥俄州哥伦布 市举行的第二届防滑会议中，路面特性小组委员会在报告中指出：路面的抗滑问题，不 应仅考虑摩擦系数一项指标，还应考虑其它因素，如表面结构、几何形状、交通性质、 车速、事故记录及成本效益分析等因素1 2 ”儿1 钔。 我国对于路面抗滑技术的研究始于2 0 世纪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，产生了我国第一台路面摩擦系数测定仪器摆式摩擦系数仪。8 0 年代 初研制出石料加速磨光机，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，建立了事故危险程度与路面抗滑标准之间的关系。上述各种研究工作建立的 沥青路面防滑标准及其指标体系，已并纳入有关规范。 “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了较为系统的研究，对推动我国抗滑技术的发展具有 重要的意义。 2 0 世纪8 0 年代后期的八五国家科技攻关项目，对混凝土路面( 包括小型机具施工、 第二章水泥混凝士路表抗滑性衰减研究 滑膜摊铺和碾压混凝土施工) 的抗滑技术进行了系统研究，主要包括水泥混凝土路面的 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 r i m ) h5 】。 一般认为，抗滑性能被看作是路面的表面特性的反映，用轮胎与路面之间的摩擦系 数来表示。 2 1 2 路表面的构造特性 行车安全性同许多因素相关，路面表面的抗滑能力是其中的一个重要方面，影响路 面抗滑能力的因素有路面表面的构造特性、路面潮湿程度和行车速度。路面表面的纹理 构造根据尺度大小、形状、分布及作用可将这种几何不规则度细分为细观构造、宏观构 造、大构造和平整度四类。各种构造的尺度范围及其对使用性能的影响，如表2 1 所示。 表2 1 路面表面凹凸或起伏不平的分类 ( 1 ) 细观构造 细观构造是指水平方向尺度( 波长) o 0 5 m m 、垂直方向0 一- - 0 2 m m 的路表构造。水 泥混凝土路面表面的细观构造，是指水泥混凝土路表砂浆的粗糙程度，其断面波长在 0 5 m m 以下，它为轮胎胎面提供粘附力，在车辆低速行驶时，对路表面的抗滑能力起重 要作用。同时，它也是轮胎磨损的主要影