路面的抗滑性能是指,车辆轮胎受到制动时在路表面上出现打滑所承受的路面对它的摩擦阻力,可采用抗滑系数作为评价指标。根据我国《公路沥青路面设计规范》,采用横向力系数、动态摩擦系数、构造深度来表征路面的抗滑性能,对应的测试方法分别为横向力系数SFC60、动态摩擦系数DFT仪、铺砂法或激光法。通过横向力系数测试车在60km/h的速度下测得的横向力系数SFC60与通过铺砂法或激光法测得的构造深度TC作为评价高速公路和一级公路沥青路面抗滑性能的主要指标,也可用动态摩擦系数测试仪DFT或摆式摩擦系数测定仪测量横向力系数。二级公路可参照执行。
在实际工程中,大都采用摆式摩擦仪来测定摆值,采用摩擦系数测定车来测定横向力系数,以及用铺砂法或者激光构造深度仪测定法来测定沥青路面构造深度,以此来检验沥青路面抗滑性能是否满足规范要求。近年来,研究学者通过大量试验也提出了一些表征沥青路面抗滑性能的新指标,笔者对近年来的新老指标进行了梳理。
摆值。用摆式摩擦系数测定仪测定路面在潮湿条件下的摩擦系数表征值,要求每200m测一处,每个测点用5次测定读数的平均值代表测点的摆值,测定的读数除以100,即为路面的摩擦系数。摩擦系数可用来评价当车辆低速行驶时路面的抗滑特性,其值与矿料种类、形状、级配等因素有关。陈先华等引入迟滞分量和黏附分量来表征路面摩擦系数。两个分量均与行车速度有关,前者适用于评价低速干燥的沥青路面抗滑性能,后者适用于评价高速或者潮湿的沥青路面抗滑性能。
横向力系数。横向力系数,即横向力与竖向力的比值SFC。用横向力系数测试车在60km/h车速下测得横向力系数SFC60,要求在路面保持潮湿的状态下进行全线连续测定。
动态摩擦系数。动态摩擦系数,即动荷载作用下沥青路面表面的滑动摩擦力与正压力的比值。用动态摩擦系数测试仪在速度为60km/h时测得的摩擦系数作为标准测定值DFT60。
纵向摩擦系数。路面抗滑性能可以进一步细分为纵向抗滑性能与横向抗滑性能,并用横向摩擦系数和纵向摩擦系数分别作为其表征量。纵向摩擦系数决定着车辆的紧急制动距离,与行车安全紧密联系。邵春梅通过研究纵向摩擦系数和横向摩擦系数的关系,表明纵向摩擦系数也可以很好地用来评价路面抗滑性能。钟燕辉等用路面纵向摩擦系数检测车Griptester对路面纵向抗滑性能进行了试验研究,表明了纵向摩擦系数随行车速度或者水膜厚度的增加而减小的规律,且其下降的速率与路面的构造值有关。但由于纵向摩擦系数检测车必须在一定长度的路段才能测得数据,而实际工程如果在现场临时铺设试验路段来进行试验,必然造成材料的大量浪费,故俞方英等对通过试验获得的纵向摩擦系数值、构造深度值、摆值运用回归分析,建立了3者之间的联系。研究结果表明:纵向摩擦系数、摆值、构造深度值具有相关性很好的线性关系。
构造深度。路表面的构造深度,也称纹理深度,指一定面积的路表面凹凸不平的开口空隙的平均深度,是路面粗糙度的重要指标,用于评价路表面形貌的粗糙程度、排水性能及抗滑性能。在一定压实能基础上,构造深度与集料组成情况有良好的相关性,颗粒均匀分布的矿料可以增加路面的宏观构造深度。
沥青路面抗滑性能主要受路面表面构造影响,可分为宏观构造和微观构造。宏观构造是指路表面集料颗粒之间的构造纹理,可用铺砂法或激光构造深度仪测定法测定路面的宏观构造;微观构造主要指粗集料表面的微观纹理,与集料的磨光值有关。微观构造随磨光值的增大而增大。
沥青路面表面抗滑层同时拥有良好的宏观构造和微观构造,是沥青路面具备良好抗滑性能的基础。通过研究表明,路面纹理特征与路面抗滑性能具有密切的联系,与行车安全息息相关。研究学者通过试验表明,微观构造主要影响低速且干燥时的沥青路面抗滑性能,宏观构造主要影响高速或者路面潮湿时的沥青路面抗滑性能。
张舒等通过试验论证了沥青路面构造深度与空隙率呈良好的正相关关系。黄云勇等通过测定不同级配的沥青混合料在各自对应空隙率条件下车辙试件的构造深度值、摆值,探讨并分析了沥青路面抗滑性能与集料空隙率之间的关系及抗滑性能的影响因素,阐述了粗集料表面纹理决定微观构造与矿料级配和集料公称最大粒径决定宏观构造的观点。刘福明等通过借鉴美国Superpave沥青混合料体积设计法,从集料的种类选择上、集料的级配等方面作为切入点,得出了摩擦系数随矿料级配最大粒径的增大而增大的结论,但矿料级配最大粒径却不能明显改变构造深度。
杨军等从干燥路面和潮湿路面两个方面,提出构造深度对抗滑性能的影响机理。其中对干燥路面而言,路面宏观构造深度可以通过影响橡胶轮胎的弹性变形量从而产生弹性变形摩擦力,还包括橡胶胎面由于弹性变形滞后效应造成能量损耗;对潮湿路面而言,宏观构造深度有利于将路表积水有效排除。
附着系数。杨军等针对大多数研究只通过试验来分析沥青路面抗滑性能的现状,采用数值模拟的方法,通过建立车辆轮胎在潮湿路面上的高速行驶模型,引入包含静摩擦系数和动摩擦系数的附着系数作为抗滑指标,分析沥青路面在路面、车辆、环境综合作用下的抗滑性能。研究表明:附着系数随潮湿路面水膜厚度、行车速度或轮胎胎压的增加而减小,随轮胎荷载或构造深度的增加而增大,但过大的构造深度并不能显著地提高附着系数。
分形维数与粗糙度。沥青路面测得的摆值和构造深度,单独选用两者任一参数并不能完全表征沥青路面抗滑性能。由于沥青路面微观纹理本身精细且不规则的结构呈现出的某种形式的自相似性,许多研究学者纷纷引入分形理论来量化沥青路面微观纹理。张令刚等运用图像处理技术,将沥青路面表面的凹凸不平以灰度值的差异在灰度图上体现出来,通过建立一个结合了分形维数D、尺度系数C的粗糙度函数δ*来描述路表面形貌的粗糙程度和复杂的纹理构造。
冉茂平等则是在获取沥青路面三维微观形貌的前提下,使用改善后的立方体覆盖法,对沥青路面杂乱的三维曲面进行覆盖,从而计算路表微观构造的三维分形维数,优于之前大多数基于二维分形时对沥青路面微观纹理的分析计算,并提出分形维数D与摩擦系数F成正相关关系,而分形维数可以表征沥青路面的微观构造丰富程度。
童申家等通过建立路表纹理尺寸分布的半变异模型来描述沥青路面在纵向和横向的纹理分布特征,探讨路面纹理分形特征与沥青混合料材料本身分形结构的关系,对AC-13、AC-16的路面构造深度值、摆值和路面纹理分形维数进行拟合并作回归分析,量化了路面纹理分形维数对沥青路面抗滑性能的评价,验证了路面纹理分形维数D作为抗滑性能指标的科学性。
国际摩阻指数。车辆在制动过程中轮胎与路面的摩擦系数并非一个常数,而是与车辆滑移速度有关,因此不可用一个固定的摩擦系数去表征路面的抗滑性能。1992年,世界道路协会为将不同抗滑测试设备的测试结果统一到一个共同标准上,在比利时和西班牙进行了大规模的路面抗滑性能检测设备的对比与协调试验,论证了不同抗滑测试设备可以用不同的测试速度去测量路面摩擦系数。
国际摩阻指数IFI包括标准速度的摩阻数F60和速度常数Sp两个参数,前者表征路面的微观构造,其值越大,微观构造越好;后者表征路面的宏观构造,其值越大,宏观构造越好。国际摩阻指数目前已经被多数国家认可并采用。刘洪辉也结合现场测试的数据,得到标准摩阻数F60和SFC的计算结果相当接近的结论,从而验证了PIARC模型对于评价路面抗滑性能的合理性,并提出国际摩阻指数IFI在我国使用的可行性。