沥青路面抗滑衰变特性研究

刘碧媛

(甘肃省陇南市成县交通运输局 陇南 742500)

引言

自改革开放以来，中国国民经济日渐发达，作为经济发展的重要手段之一，公路铁路等各类交通手段稳步发展，其中由于公路的需求量加大，发展也就日益壮大，综合国力也得到了明显的提升，国内公路交通已经达到了世界首屈一指的位置[1]。作为交通基础设施，以服务人民、发展经济和便捷为主要作用。公路种类亦多种多样，其中沥青路面本身由于施工、养护、使用、维护几个方面的优势比较突出，主要体现为：施工过程简便、快捷；路面平整，无缝隙，方便养护；行车过程中低噪音低振动，舒适感明显优于其他类型公路。沥青路面为大众所青睐，作为主要研究对象，沥青路面的各项优异指标显著的同时，其路面抗滑性能是其需要重点研究的内容[2]。从现阶段研究现状来看，我国对沥青路面的探索时间相对较晚，从19世纪70年代初左右开始接触沥青路面的抗滑性能，并发现沥青路面的抗滑性能在路用性能上的重要地位，虽然研究的开始阶段相比于国外研究相差半个世界左右，但在“八五”科技攻关之后，交通运输部组织大量人员对路面抗滑能力进行了研究[3]。现在学者中广泛认为路面的抗滑力主要是由于汽车轮胎与路面之间的用于改变和控制车辆行驶状态的一种摩擦力。曹平[4]采用基本路面污染物，如：润滑油、泥沙、污水等，研究路面抗滑能力与不同污染物之间的影响。结果表明：存在于汽车轮胎和沥青路面之间的污染物对路面抗滑能力有较明显的影响，更有甚者可以导致路面终身失去原始抗滑能力，比如微颗粒物亦或者液体油状物等等，此类污染物对沥青路面的抗滑能力影响十分明显。赵战利[5]从路面原始材料的基本物理性质进行入手，即对路面粗集料的形状、细集料的集配等基本物理性能进行分析，并结合分形理论和分形评价指标等理论，针对性分析路面的抗滑性能与影响条件，并探讨了路面抗滑能力与结构分形构造的变化规律和分形混合料的变化特征。

1 沥青路面抗滑机理分析

路面的抗滑力主要是指汽车轮胎面和路面纹理构面所产生的最大摩擦力。其最大摩擦力主要是指两个方面的作用力，其一为宏观现象产生的阻滞力；其二为微观现象产生的粘附力。橡胶轮胎的纹理粗糙面与沥青路面纹路的接触所产生的一种宏观状态下的轮胎—路面摩擦力，这种宏观状态下的阻滞力主要由于轮胎与路面纹理之间相互接触产生的弹性变形和路面和轮胎微凸并且在汽车行驶过程中产生的切削作用。在机动车行驶过程中，汽车轮胎与路面接触时，轮胎—路面产生分子间的相互作用力，这种作用力就是微观现象产生的粘附力。

总的来说，汽车轮胎的材料物理性能和沥青路面的材料物理性能决定了沥青路面的抗滑能力，由于汽车生产厂家太过庞大，使用材料亦多种多样。本文探讨主要针对沥青路面材料的纹理构造和基本形态指数来进行分析研究。其中秦新等[6]发现路面的微观纹理与其波长有密切关系，其波长小于0.5mm的表面凸体并且沥青路面的颗粒高度在0.001～0.5mm之间的表面凸体才可以称之为沥青路面的微观纹理。相对应的就会有宏观纹理，宏观纹理同样也有波长的限制，波长在0.5～50mm范围内的表面凸体并且沥青路面的颗粒高度在0.1～20mm范围内的表面凸体称之为沥青路面的宏观纹理。在宏观纹理和微观纹理中，微观纹理保证了汽车在干燥无污染物的路面上的低速行驶基本摩擦力，低速范围为：时速小于40km/h；宏观纹理保证了汽车在行驶过程中的排污排水能力，同时保证沥青路面和汽车轮胎的接触。并且在汽车行驶速度大于40km/h时，使得沥青路面具有更加明显的抗滑作用。

2 沥青抗滑因素分析

沥青路面的抗滑能力主要由汽车轮胎面和路面纹理构面所产生的最大摩擦力提供。但是对于各种各样的路面抗滑性能的影响因素来说，最主要的影响因素主要有以下四种路面材料、荷载因素、环境因素、车辆本身因素。其中，路面材料主要由路面集料的矿物质性质、路面集料的形貌学性质、结合料性质、路面构造(微观构造和宏观构造)几种因素综合影响；荷载因素主要由路面使用时间、交通强度以及车辆荷载组成、道路几何线形、交通流量条件等交互影响；环境因素主要由水膜厚度以及排水条件、表面污染度、温度和降雨量、季节效应引起的短期变化等的交互作用；车辆因素主要由车辆行驶方向上轮胎的角度、车轮滑移率、行车速度、轮胎特性(如结构类型、硬度、耐磨性、轮胎花纹和样式)等因素产生影响。

3 沥青路面抗滑性能衰变的特点

沥青路面具有一定抗滑性能是能够保障行车安全必要条件之一。但是随着路面材料、荷载因素、环境因素、车辆本身因素等内外两方面的影响，加之由于时间的不断积累，沥青路面的抗滑性能也会逐渐衰减。沥青路面抗滑性能的衰变过程在每一个衰变过程的时间段内都有不同的衰变结果，这个衰变过程也是一个随着时间逐渐变化的长期变化过程。

4 沥青路面摩擦系数指标研究

4.1 沥青混合料的选择与方案设计

基于前人的研究基础，对前人总结的公式进行改版和总结。同时，推导出了新的轮胎磨耗量的公式，此公式对沥青路面的抗滑能力可以进行详尽的分析，具体见下式：

RW=KM2.3R-2.3V4.6

式中：RW为汽车轮胎的磨损量；K为比例系数(根据车辆不同、路况不同选择相应的比例系数)；M为汽车荷载分配到每一个轮胎上的平均质量；R为抗滑性能试验仪器的旋转半径(本文所选的试验仪器半径为14cm)；V为试验过程中车辆前进速度。根据上述公式对不同路面材料进行指标测试，通过混合试样的设计与组合，可以反映出不同集料组合对沥青路面的抗滑能力的影响。考虑到以上几种影响，对于细集料选择石灰岩和玄武岩两种，粗集料选择石灰岩、玄武岩和钢渣进行粗细集料的配合。检测项目为影响沥青抗滑性能的主要项目包括：磨耗值(%)、磨光性(BPN)和棱角性(s)。这其中粗集料进行磨耗值和磨光值的测试，而细集料只进行棱角性的测试，具体测试结果与试验方法见表1。

表1 粗细集料测试指标与结果

4.2 试验方法与结果

将上述三种粗集料分别与细集料进行不同材料的配比混合，制作成试验试件。由于粒径大于16mm的钢渣材料很少，所以选取石灰岩与其进行配合。最终组成三组试验进行，三组试件分别命名，其中粗集料为石灰石细集料为玄武石命名为试件1，粗集料为玄武石细集料为石灰石命名为试件2，粗集料为钢渣细集料为石灰石命名为试件3。为了探究出沥青混合料的纹理指标使用周期，试验的三组试件分别进行室内试验，并记录试验结果。试验分别记录BPN值并计算出磨耗值(%)。试验前5个小时每隔1小时进行混合料的试验指标记录，也就是0h、1h、2h、3h、4h、5h分别记录。之后每隔3h记录一次，每次记录的数值差值小于1时再记录3次测试即可。此时认为试验测试结果趋于稳定。记录的试验结果绘制二维曲线图见图1。

图1 BPN的衰变规律

5 沥青混合料的衰变分析

沥青路面的抗滑性能依旧是沥青路面比较重要的检测指标。由图1中可以看出，随着试验时间的不断增加，沥青混合料的BPN衰减并不是呈现出逐渐递减的趋势，在试验的前几个小时内三种试件的BPN逐渐增加，说明打磨试验的前几个小时并不是将路面试件与轮胎直接打磨光滑，而是先开始变得粗糙，使得BPN值逐渐增加。当BPN值增加到一定数值后(即达到最高值)，BPN值开始进行衰减，衰减程度会随着试件材料的不同而有所差异，其中试件1的衰减程度最大，衰减的最终BPN值也最小，其BPN最小值仅为42。试件3的BPN衰减也最缓慢，其BPN最小值为48。三种材料的衰减趋势大体相同，均为开始几个小时有所增加，之后开始进入衰减阶段，各个材料衰减到最低值所用的时间也大不相同，试件1混合料衰减到最低值用了44个小时，试件2混合料衰减到最低值用了50个小时，试件3混合料衰减到最低值用了56个小时，可以看出试件3混合料不仅仅衰减程度最小，耗时也最长，说明试件3组成的沥青路面抗滑性能最优。

6 结论

本文研究了沥青路面抗滑性能和BPN的衰减曲线，同时进行了三种粗集料分别与细集料进行不同材料的配比混合分析，最后得到了关于沥青路面抗滑性能的几点建议和结论，总结如下：

(1)本文对沥青路面的抗滑性能的原理进行了介绍；同时对抗滑性能影响因素进行了充分的分析；如使沥青路面具有更加有效地抗滑性能，应尽量避免各类客观影响因素的发生。

(2)通过室内沥青路面抗滑性能试验，得到粗集料为石灰石细集料为玄武石的沥青路面混合料的抗磨性能较差，衰减幅度也最大。

(3)通过比较三种混合料的BPN衰减曲线，发现三种混合料的衰减曲线在开始进行时都有上升的阶段，上升到一定值后才开始进行衰减。

(4)通过比较三种混合料的BPN衰减曲线，发现三种混合料的衰减曲线在最后阶段都会趋于平缓，不同的是各种材料的衰减曲线所用时间不同，其中粗集料为石灰石细集料为玄武石的沥青路面混合料最快达到，在44个小时左右达到BPN的最低点。