沥青路面抗滑性能影响因素及改善措施

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【摘要】沥青路面抗滑性能直接影响路面行车安全，关系到人民生命财产安全。本文从影响沥青路面抗滑性能的因素分析入手，深入细致分析了影沥青路面抗滑性能的各因素，在此基础上，重点针对粗集料表面纹理与路面微观构造的相关性进行论述，进而阐述粗集料特性对路面抗滑性能的影响。论文结论对于改善沥青路面抗滑性能及其相关研究具有参考价值。

【关键词】道路工程；沥青路面；抗滑性能；改善措施；集料纹理

Influencing Factors of Asphalt Pavement Anti - skid Performance and Improvement Measures

Jia Sheng-dong，Cai Wei-chu

（Guizhou Expressway Group Co.， LtdGuiyangGuizhou550009）

【Abstract】Asphalt pavement anti-skid performance directly affects the road traffic safety， related to people's life and property safety. Based on the analysis of factors influencing the anti-skid performance of asphalt pavement， this paper analyzes the factors that affect the anti-skid performance of asphalt pavement. On this basis， the paper focuses on the correlation between the surface texture of coarse aggregate and the microstructure of the pavement. The effect of coarse aggregate properties on the anti - sliding performance of the road surface is described. The conclusion of this paper is of reference value for improving the anti - sliding performance of asphalt pavement and its related research.

【Key words】Road engineering；Asphalt pavement；Anti-skid performance；Improvement measures；Aggregate texture

1. 概述

（1）高速公路的快速发展，现代人享受着交通便利，但也经常发出“车祸猛比虎”感叹。例如，仅在2012上半年，我国发生了190270起道路交通事故，导致41933死亡和221838受伤，直接财产损失7.1亿。减少高速公路沥青路面事故（特别是雨天）最有效、直接的方法是提高路面的抗滑性能。研究和实践表明，影响沥青路面抗滑性能的因素包括粗集料的品质（抗磨光性）和形状、纹理（影响路面微观构造）、混合料级配（影响路面宏观构造）。

（2）沥青路面是一种复杂的复合材料，包括有宏观构造和微观构造，二者是由粗、细集料在外所形成的，其中在粗细集料之间有矿粉、纤维等的填充，一起组成了粘弹性结构。路面抗滑能力受到级配、矿料形状、抗滑表层中间集料的外露程度的影响。因此，研究沥青路面抗滑性能及其改善措施，可以从上述几个方面入手。

2. 沥青路面抗滑性能影响因素分析

2.1粗集料的品质（磨光值）。

用于沥青路面磨耗层的粗集料与车辆荷载直接接触，须承受车辆重复荷载的反复作用，除了要有一定的强度（压碎值）来承受车辆荷载的竖向压应力作用，还必须有一定的抗磨光和磨耗能力（磨光值和磨耗值），以抵抗车辆荷载的水平力作用，防止路面粗集料倍磨光。粗集料磨光后，会使得路面的宏观构造和微观构造深度同步下降，进而使路面的抗滑性能出现显著衰减。基于此，刘清泉等人结合日本等学者的研究成果，建议对抗滑表层而言优先使用冲击值作为控制指标。我国《公路沥青路面设计规范》要求抗滑路面必须选择磨光值高的石料，并对石料的磨耗值和冲击值都提出了要求。

2.2矿料的形状和级配。

（1）沥青混合料集料表面纹理粗糙度对混合料的路用性能有着显著影响，通常骨料表面粗糙有明显凸出的情况，轧碾后骨料之间相互挤压，并有比较大的内摩擦角。相比较较光滑骨料形成的沥青混合料，路面具有高剪切强度，表现出沥青混合料的高温稳定性也很好。沥青混合料的内部孔结构，如孔径大小，形状和连贯性，也会影响骨料的表面纹理粗糙度。因此，可以显示不同程度的车辙深度的影响。另外，粗集料的表面纹理有利于提高沥青和骨料的接触面积、增强粘接力，或其他因素固定时，骨料表面纹理粗糙情况更容易吸附沥青，沥青膜表现越厚，表现出更好的路用性能和稳定性。

（2）传统的连续型密级配沥青混凝土（如AC）属于密实――悬浮结构，此种结构空隙率小、表面光滑、抗滑性能不好。这是由于此种路面下表观形貌过于光滑，构造深度和摩擦系数均比较小。对于特殊的嵌压式结构，它是把抗滑表层和密水层二者结合起来的一种结构，嵌压式结构具有较好耐久性和有利于行车的宏观构造程度。这种结构是在砂粒式沥青混凝土中，嵌入5～15mm抗滑性能良好的碎石，当有些地区缺乏石料时采用此种嵌压式结构，或许是一种比较经济的结构类型。

（3）近些年发展起来的大空隙排水路面，这种类型路面属于骨架――空隙结构。这种高空隙率的路面，采用的是粘度更高要求的沥青结合料，并且对集料强度要求较高，这样结构骨架才能通过高强度集料而稳定。这种路面下，能够消除和减薄水膜的厚度，减少高速行车出现“水漂”的机会，较好的抗滑性能，增加了行车的安全性。这是由于排水路面宏观构造和微观构造比较大，因此抗滑性能较好。还有一种我们经常使用的断级配密实型沥青混凝土SMA等，对于这类石料的要求是自身物理力学性质要好，它的空隙率一般小于5%，不是太大的空隙率，属于骨架――密实结构。SMA的路面宏观构造也比较大，骨架结构的形成是通过集料的嵌挤形成的，此种路面的高温稳定性和耐久性都比较好，抗滑能力也比较高。

2.3路面的微观构造。

（1）路面与轮胎间的摩擦力来源于分子间引力的附着分量，以及源于橡胶轮胎变形的滞阻分量。这是建立在摩擦学的理论基础上，物体表面存在“微凸体”是二物体之间产生摩擦力的关键。没有绝对的光滑，从基本模型知，轮胎与路面间的湿摩擦主要受到附着分量为主的影响，“微凸体”的规模和大小来表征路面微观构造，由于微观构造作用产生的是附着分量，路面的抗滑水平受到微观构造的影响。

（2）集料表面纹理粗糙微结构是指石材表面水平方向0～0.5mm，表面为0～0.2mm在垂直方向上范围，并反映了路面的骨料不同程度进行磨光程度。摩擦摆仪是用来测试的沥青表面微观结构和骨料沥青膜轮胎磨损后的表面摩擦力，一定的条件下，实验室使用加速抛光机，规定条件下进行磨光通过摩擦摆仪用来确定磨光值。骨料磨光值的数值越大越好，表明结构的深度也越大，轮胎与路面表面粘附也是由微观结构决定的，滑动阻力性能在低速时，轮胎和微观结构受到较大表面附着力的影响，故石料抗滑性能在磨光值越大的骨料下也相应越大。

2.4路面的宏观造。

（1）路面宏观构造一般为约0.5mm以上的凸起并且肉眼可见，通常情况下描述宏观构造利用粗糙和光滑程度来表示，路面抗滑性能、排水性能与路面表面宏微观构造特征有关。

（2）通常情况下，路面与轮胎间的水不能有效排出去，是由于宏观构造达不到要求，使路面上的水没有排出去的通道。因为存在动水压力的作用，在行车速度过快时很容易就发生水漂现象，不利于安全行车，在雨天轮胎与路面的接触面积小，导致摩擦力显著降低。宏观构造在沥青混合料路面中占有很重要的地位，宏观构造较大的路面可以提供轮胎路面之间积水顺利排出，增大了行车时轮胎和路面的接触面积，可以贡献出一定的滞阻分量，可以使接触时的摩擦力相应增大，这样的话，可以看出宏观构造对于路面抗滑能力的提高作用。在温度和荷载耦合作用下沥青混合料的物理力学性能将发生变化，导致路面表面构造特征产生变化。为此温度和荷载的作用对路面抗滑性能也将产生较为明显的影响。

（3）在2011关于遥感、环境、交通工程的国际研讨会仪（RSETE 2011会议）上Wang Dawei和Chen Xianhua等研究认为沥青层合板是用相同的SMA颗粒级配曲线但不同类型集料制作成的。沥青层合板是利用亚琛磨光机里的真实轮胎来磨光，在每次磨光阶段之后，用立体宏观显微镜观察表面，用SRT和PWS测量摩擦值。结果表明，集料和沥青对防滑性有不同的贡献，这主要取决于滑行速度的不同。尤其是防滑性是在100Km/h速度测量时，其沥青有利于SRT的防滑性，但不利于PWS的防滑性。集料和沥青之间的粘附力和磨光粒子对于SMA路面防滑性都是至关重要的。

3. 集料表面形貌特征对沥青路面抗滑性能的影响

（1）鉴于集料棱角性对沥青混合料性能的影响非常显著，国外众多学者纷纷对集料棱角性的评价方法展开研究。国外在集料表面物理特性方面的研究主要是采用数字图像处理技术，获取集料的二维或三维图像后，通过对图像几何尺寸的测量和灰度图像像素处理、并分别采用数理统计方法、分形理论和小波理论等来定量描述了集料的形状、纹理和棱角特性，对不同集料的表面物理特性进行了详细的分类。其测量设备昂贵、测量和处理方法也比较复杂，后期的测量和处理方法也相对困难。

（2）Heping Xie采用激光扫描设备开展了集料表面物理特性的研究，获取岩石断裂表面的二维数字信息，根据分形维数理论定量研究了断裂表面的粗糙程度，通过与传统的几何统计参数相比，认为采用分形维数D来描述岩石断裂面粗糙程度是适宜的。孙杨勇使用激光三角测量技术测量破碎砾石表面形貌特征参数，并采用盒维数尺寸计算方法及MATLAB软件对玄武岩表面细微结构进行分析，研究结果表明，粗集料表面分形维数越大，道路的防滑性能越好。

（3）美国学者 Thomas Fletcher等采用AIMS集料图像处理系统对粗细集料颗粒的形状、棱角和表面纹理特性进行了研究。采用该系统获取了集料表面灰度图像，采用小波理论对集料表面纹理进行了分析，并根据数据平方和的算术平均值来定量评定集料表面纹理情况；对于集料棱角性，获取集料的单色照片后，采用当量椭圆指数AI对定量描述集料的棱角性；在集料形状分析过程中，分别获取集料颗粒的三维方向主轴长度，以球状指数 SF 定量评定了集料颗粒的形状。W.A. Tasong等采用Talysurf 120L表面轮廓仪分别测量了玄武岩、石灰岩和石英岩集料颗粒的表面纹理，采用算术平均偏差评价了光滑面、锯断面和自然断裂面三种不同情况集料表面纹理的粗糙程度。

（4）Chengyi Huang采用试验测试纹理方法和数据从属系统方法（DDS）研究被轮胎磨耗前后集料磨光特征变化情况，研究结果认为，在行车荷载及粗集料错位过程中相互摩擦等作用，粗集料表面微观纹理构造显著降低，而对宏观纹理构造变化较小。Luce，Anthony等开发出了一种针对粗集料抗磨耗性能测试的新方法，即采用成像系统来评价粗集料磨光对结构特征产生的影响，结果表明微德瓦尔测试方法可实现在短时间内对集料磨光值的测试。

（5）英国运输与道路研究试验室针对路面抗滑性能进行了多年研究，研究结果认为路面抗滑性能取决于路面的细纹理和粗纹理，其结构特征在车轮滑溜中起主导作用。国际道路协会常设委员会认为，沥青路面纹理是影响路面抗滑性能的主要因素，并根据纹理平面尺寸和高度方向尺寸表征路面纹理，并将它分为四类：微观纹理、宏观纹理、粗大纹理和不平度。

（6）为此，ASTM、SHRP及Superpave等对粗集料及其在沥青路面中的应用做出了较严格的规定，要求粗集料必须经过一系列力学、化学及物理试验，严格控制集料的质量。物理性能指标包括集料级配、轮廓特征、棱角性、表面纹理等，力学性能指标包括集料磨耗、耐久性、磨光值等，化学性能指标包括集料坚固性、有机物含量等。

（7）日本和欧洲定义粗最长和最薄比例超过3：1为针片状，美国SHARP计划规定粗集料最长和最薄比例超过5：1为针片状，并提出了设计交通量大于 万时，针片状粗集料比例不得超过10%。据美国国家沥青技术中心（NCAT）给出的建议，认为实际工程中最长和最薄比例超过5：1的粗集料含量几乎接近于零，在实际应用中没有意义。

（8）我国相关规范对沥青混合料粗集料棱角性并没有明确的测试方法和技术指标，但国内相关学者已经开始进行了深入研究。王金安[12]和其他学者采用激光扫描技术对集料表面粗糙度和表面纹理进行了研究，对岩石断裂表面形态直接测量，并使用随机过程变量的分形理论分析方法，定量地描述岩石表面粗糙度。谭忆秋等测量九种不同骨料表面纹理轮廓曲线，由激光轮廓仪测试，使用轮廓滤波器方法。骨料纹理可分为宏观结构和微观结构，算术平均偏差，轮廓算术平均波长和偏斜度作为评价指标。应用几何统计方法，表面纹理粗糙度进行评估。最后的分析结果表明，该评价指标的算术平均偏差最适合描述骨料表面纹理的粗糙度，算术平均偏差越大，表面粗糙度的纹理越复杂。张肖宁等采用激光三角测量系统，是对路面常见的破碎砾石，玄武岩等粗骨料表面纹理测量的一种技术。研究表明，微观纹理粗骨料表面分形维数较大的粗糙度更复杂，更有助于提高路面抗滑性能。东南大学的倪福建使用图像分析技术，并建立了一系列的图像指标，粗骨料量化形态学研究其物理参数，如几何形状的外观，边缘，表面粗糙度和纹理以及对沥青混合料的剪切性能等作用。研究表明，粗集料必须在适当的范围内，通过控制轮廓形状、棱角和表面纹理的指标，可以控制平、尖锐边缘的颗粒含量。

（9）在最大粒径和集料岩性相同的情况下，影响路面纹理特征的主要因素是集料级配和集料表面微观构造特征，包括轮廓形状和棱角性，它们对沥青混凝土路面的抗滑性能有极大影响。通常具有明显细微凸出的粗糙表面的集料，在碾压后能互相嵌挤锁

结且具有很大的内摩擦角，所构成的沥青混合料较之表面平滑的集料所构成的混合料具有较高的抗剪强度，良好的宏、微观构造深度，从而使路面表面具有良好的抗滑性能。针片状颗粒应尽可能避免，因为如果针片状颗粒含量过高，则容易在拌和、压实及交通荷载作用下发生碎裂，不利于颗粒间的嵌锁，同时还可能改变原有的设计级配，导致路面构造特征发生改变，进而影响路面的抗滑性能。集料表面纹理粗糙程度还可以影响沥青混合料内部的孔隙结构（如孔隙大小、形状和连贯情况），因而，可以对路面表面的宏、微观构造表现出不同的影响程度。另外，当集料表面纹理粗糙时，有利于增加沥青与集料的接触面积，增强粘附力，即其他因素固定时，集料表面纹理越粗糙，吸附沥青数量越多，集料与沥青胶浆的粘附性性能就越好，在车轮搓揉荷载作用下集料也就不易从路面表面脱落，从而保障了路面表面构造特征的。

4. 结语

综上所述，在国内为了提高沥青路面的抗滑性能，通常的做法是采用特定级配的玄武岩和花岗岩质集料做SMA沥青路面或做薄层抗滑表层，在进行材料组成和配合比设计时，较少考虑集料自身特性（包括表面微观构造特征、物理力学性能和化学性能）及其对沥青混合料内部及表面构造特征的影响，这导致在不产玄武岩或花岩的地方修建抗滑表层不能就地取材，从而增加了路面建设的造价。另外，修建后的沥青路面随着行车荷载的反复作用，其表面构造特征的变化主要取决于集料的微观构造特征、物理力学性能和化学性能。因此，为了更好地指导集料在公路沥青路面建设中的应用，掌握沥青路面抗滑性能与路面表面构造特性及与集料表面构造特征的内在关联性十分有必要。

[文章编号]1619-2737（2017）03-21-575

[作者简介] 贾圣东（1982.02-），男，汉族，籍贯：内蒙商都人，学历：工学博士，职称：高级工程师，工作单位：贵州高速公路集团有限公司。