路面紋理對水泥混凝土抗滑性能的影響研究

郁培和，李業根

（1.蚌埠市公路局懷遠分局，安徽 蚌埠 233400；2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 研究背景

路面抗滑性能一直以來被認為是影響道路交通安全性能的重要因素，它對行車速度大小、方向控制以及制動距離作用重大。路面抗滑性能不足將導致車輛產生滑移或水漂等現象，從而引發交通事故。因此，路面抗滑性能對于道路的社會性及經濟性都至關重要。

影響路面抗滑性能的因素眾多，如路面表面特征、車輛操作因素、輪胎性能以及環境因素等。其中，最為關鍵的是路面表面特征。實踐證明，路表應具有一定的摩擦系數和紋理深度才能夠保證路面的抗滑性能。所謂的紋理是指由于路面表面顆粒的分散而形成的凹凸或起伏不平。路面紋理是路面最重要的特征，對輪胎與路面間的相互作用，如摩擦、噪聲、飛濺及輪胎磨損等影響巨大。不同的紋理對路面抗滑性能的大小及耐久性作用并不相同，研究表明，良好的紋理是路面抗滑性能的有效保證，對于交通安全有著極為重要的作用，采用合適的工藝及路面結構是獲得良好紋理的關鍵。本文介紹了國內外關于路面紋理的一些研究成果，并對我國水泥混凝土路面常用的飾紋工藝的抗滑效果做了對比。

2 紋理分類及測試方法

路面紋理以波長（λ）及振幅（A）來定義。世界道路組織協會（PIARC）根據以上參數將紋理分成細構造、粗構造、宏構造和平整度四類（見表1）。

路面紋理分類 表1

圖1 輪胎—路面間摩擦機理

圖2 潮濕狀況下不同類型路面抗滑性能同速度之間的關系圖

圖3 事故率、路面抗滑性能及交通量關系圖

研究表明，細構造和粗構造對輪胎與路面的摩擦性能起著重要作用。細構造一般是由于水泥砂漿和集料表面的粗糙而形成的，它可以使殘留在路面的薄層水膜破壞，從而維持路面與輪胎間的接觸，對車輛低速行駛時的抗滑力作用顯著{3]。

細構造測量方法分為直接測量方法和間接測量方法。直接測量方法是在規定時間內對試件進行磨光試驗后再用擺式摩擦儀測定其摩擦力，此值即磨光值（PSV），該方法主要用于做室內試驗研究；間接測量方法應用較為廣泛的有擺式摩擦儀（BPT）及動態摩擦系數儀（DFT）。這兩種方法的都是利用能量守恒原理測定路面摩擦對能量的消耗從而獲得摩擦值大小。一些測試車也被用來測量路面摩擦系數，如鎖輪車、SCRIM等。

路面粗構造主要是和混合料的組成（集料粒徑、形狀、空隙和排列等）及表面處理方式有關。粗構造為路面積水提供了渠道，使水分可以在輪胎下排出，因此對潮濕路面下行車作用很大，可有效防止或減少車輛的飛濺及打滑現象，提高了行車的安全性。

路面粗構造的測量方法主要分為鋪砂法、斷面儀法和流出儀法。鋪砂法利用一定體積下的砂攤鋪于路表面，通過測量鋪砂的直徑獲得路面平均構造深度。激光斷面儀是應用較為廣泛的粗構造測量方法，該法利用光學原理計算路面構造深度，適用性強，人為因素小。

3 輪胎—路面間摩擦機理

路面摩擦力是產生在輪胎與路面之間阻止兩者發生相對運動的力。當輪胎在路面轉動或移動時就會有摩擦力產生。路面的摩擦力可分為兩部分：一部分源于分子間引力的粘著分量；另一部分源于橡膠形變產生的滯阻分量,如下式所示。

式中：F 為損失總能量；FA為粘著分量；FH為滯阻分量。

粘著分量是由于輪胎橡膠和路面微粒間接觸時的嚙合和吸引作用所產生的。對輪胎進行磨損試驗后，可在輪胎表面找到粘著在其上的路面磨粒。同樣,在路面上也可發現粘著在其上的橡膠磨粒。另外,輪胎與路面間發生的靜電吸引也是輪胎與路面間發生粘著的一個證明。將輪胎與路面間粘著點剪斷所需的力就是摩擦力的粘著分量。由粘著作用而產生的摩擦力主要取決于路面微觀構造、輪胎與路面接觸面之間的壓力及實際接觸面積。

滯阻分量是當輪胎經過粗糙的路表時，輪胎橡膠產生變形并在一定的能量恢復下所產生的。因為與金屬材料不同，橡膠是一種彈性非常好的材料。在路面較大的微凸體及胎面花紋等的作用下，胎面會反復產生較大的彈性變形，這種彈性變形所產生的變形力與彈性變形恢復力的合力也構成了摩擦力的一部分。由于存在彈性滯后等的影響，彈性變形恢復力總是要小于彈性變形力。不同胎面花紋的輪胎在縱向或橫向載荷作用下將產生完全不同的變形情況，這充分說明了橡膠彈性變形對輪胎與路面間摩擦力產生的作用。因此，滯阻分量主要和胎面花紋以及路面較大尺寸的微凸體即粗構造有關[4]（見圖1）。

4 紋理對路面抗滑性能及交通安全性的影響

不同的紋理將會對路面抗滑性能產生不同的作用。一般來說，根據路面的細構造和粗構造路面可分為以下幾類：

①高質量摩擦，高質量紋理，即粗構造和細構造都良好；

②低質量摩擦，高質量紋理，即粗構造良好、細構造不良；

③低質量紋理，高質量摩擦，即細構造良好、粗構造不良；

④低質量紋理，低質量摩擦，即細構造和粗構造都不良。

以上幾種類型在潮濕路面下都具有各自的抗滑性能—速度關系特點，見圖2。由上圖分析知，低速行車下細構造對路面抗滑性能具有顯著的作用。隨著速度的增加，路面與輪胎間的有效接觸面積減少，抗滑性能也隨之減弱，但通過粗構造排除水分，保證了輪胎與路面間一定的接觸，所以在良好的粗構造作用下，摩擦系數不會有急劇的變化。而在粗構造不良的狀況下，抗滑性能減小的速率要快的多[5]。

路面潮濕的情況下對紋理的要求更加嚴格，因為水的存在使抗滑性能大幅度降低。有資料顯示，一般干線公路上的雨天事故比例為降雨時間的1.9～5.8倍，雨天事故直接損失是晴天事故直接損失的1.1～2.8倍。美國的調查數據表明，美國東部路面處于潮濕狀態的時間占總時間的15%，但濕路面事故卻占整個事故的30%以上。這說明雨天比晴天的事故發生率要高，而且事故損失也大大高于晴天[6]。圖3給出了摩擦值SN、每小時車輛數及1，000，000車輛公里事故率的關系圖。

由上圖知，交通量越大對路面抗滑性能的要求越高；隨著路面抗滑性能增加，交通事故率將會明顯降低，這也說明為了獲得良好的交通安全性，增強路面的抗滑性能極有必要，而路面的抗滑性能又是良好的細構造和粗構造作用的結果。

5 路面抗滑技術應用

路面鋪筑過程中，為增強路面抗滑性能，除從原材料方面嚴格控制以外，優化施工工藝也起著重要作用。

我國現行水泥混凝土路面飾紋工藝主要有拉毛法、壓槽法、刻槽法等。各種方法都從不同程度上改善了路面的抗滑性能，但其作用效果并不完全相同。針對不同的飾紋工藝，試驗路主要采用了拉毛、壓槽、刻槽法進行路表處理。試驗段檢測方法采用SCRIM、縱向摩擦系數測試車、鋪砂法和擺式摩擦儀法，測試結果見表2。

不同飾紋方法的抗滑參數值 表2

刻槽法在我國逐漸得到推廣，因為該方法不但能夠獲得較好的紋理深度，而且較之拉毛法和壓槽法，其抗滑耐久性更好。刻槽法又分為橫向刻槽、縱向刻槽及橫縱向復合槽型。橫向刻槽主要是保證了行車剎車時的制動距離不能過長，而縱向刻槽則有效防止了車輛側向滑移，對行車的方向控制也起到了一定作用。橫向刻槽及縱向刻槽兩種方法應用都十分廣泛。西班牙多使用縱向刻槽，美國一些州則使用橫向刻槽，槽的走向可根據使用環境及具體條件確定。橫向刻槽和縱向刻槽相比，摩擦系數略大。見表3。

不同槽走向下的路面附著系數 表3

6 結束語

抗滑性能對于道路的社會性及經濟性關系重大，而路面紋理是影響抗滑性能的關鍵因素。從輪胎—路面摩擦機理分析，細構造和粗構造在路面摩擦產生的過程中起著不同的作用。因此，不同紋理狀況的路面在潮濕情況下隨著車速提高，摩擦系數衰減的規律各不相同。研究表明，紋理良好的路面，抗滑性能好，事故發生率明顯降低。

近年來，我國的水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面的抗滑研究有了很大發展，本文比較了水泥混凝土路面飾紋工藝的抗滑效果，更有效的優化抗滑工藝，對抗滑機理進行深層次的認識還需我們進行進一步的探討和研究。

[1] 劉清泉.路面防滑機理與應用研究[D].南京：東南大學,2000.

[2] 趙桂娟，等.水泥混凝土路面抗滑性能研究[J].山東交通學院學報,2006（2）.

[3] 張蘭芳,費建國.高等級公路瀝青路面抗滑性能研究[J].林業建設,2004（2）.