黄晓明：沥青路面抗滑性能研究现状与展望

0 引言

交通安全问题历来是世界各国共同面对的难题，通过对美国得克萨斯州571个道路交通事故点的调查分析表明，道路交通事故大多与路面抗滑能力下降有关。特别对于潮湿路面，轮胎与路面之间的接触在流体的影响下大幅度的衰弱，导致车辆在制动、转弯时容易出现滑移而失去控制（图1）。因此，要求道路路面雨天也应提供良好的抗滑性能以保证行车安全。

图1 雨天沥青路面水滑现象

针对沥青路面抗滑性能的研究，主要包括橡胶沥青路面摩擦机理、轮胎路面附着特性、轮胎水漂机理以及抗滑能力不足时整车稳定性等。沥青路面抗滑性能研究仍然存在许多问题，如：1）沥青路面纹理测试方法精确度较低；2）轮胎-路面接触模型不合理；3）路面抗滑性能衰变影响因素耦合作用未涉及；4）抗滑性能评价指标的片面性；5）抗滑层设计与养护未形成体系；6）排水沥青路面上水漂形成机理；7）现阶段无人驾驶车辆行驶安全性的研究热点（如制动稳定性、雨天安全行驶等）在沥青路面抗滑性能方面有待深入研究。以上这些问题严重制约着沥青路面抗滑性能的发展，亟待深入分析与探究。

沥青路面抗滑性能研究对于路表抗滑层设计、施工及养护都具有很重要的意义，在沥青路面面层类型决策和材料设计过程中，需要从橡胶-沥青路面摩擦机理出发，分析轮胎-路面附着特性及相互作用特点。考虑轮胎水漂发生规律并结合水漂发生时车辆行驶稳定性，对不同沥青面层抗滑能力进行评估与预测，并结合实体工程加以验证，掌握其长期使用过程中的变化规律，从而根据当地气候特点，合理选择沥青路面面层类型，使路面在长期使用过程中能提供适当的抗滑性能，减少因车辆与路面抗滑不足引起的交通事故。本文旨在归纳现有研究成果及理论中所存在的问题，总结目前路面抗滑性能研究的热点，指出沥青路面抗滑机理的发展方向。

1 沥青路面抗滑性能机理研究

轮胎与路面之间的抗滑性能是决定车辆操作稳定性（如制动性）的重要因素，良好的路表抗滑性能取决于轮胎与路面之间的接触特性。深入探讨轮胎与路面之间的摩擦形成机理、轮胎-路面附着特性及相互作用特点是分析轮胎-路面接触机理的前提，也是开展沥青路面抗滑性能研究的理论基础。

1.1 橡胶与路面间摩擦形成机理

研究发现轮胎与路面间的摩擦是非常复杂的现象，其摩擦系数的大小与接触压力、滑移速度、温度、路表特性、橡胶轮胎固有特性以及路表与轮胎的受污染情况等密切相关。轮胎摩擦学主要研究轮胎与路面相对运动或存在相对运动趋势时接触面间的摩擦、磨损和润滑。二十世纪30年代后期，机械-分子共同作用理论被提出，并应用固体摩擦理论从以下四个方面分析轮胎与路面之间的摩擦：

① 轮胎与路面间范德华力作用；

② 轮胎与路面间的粘附力；

③ 胎面橡胶的弹性变形；

④ 路面上小尺寸微凸体的微切削作用（图2）

图2 摩擦分力示意图

Kummar、Grosh、Kluppel及Persson等针对轮胎与粗糙路表之间的摩擦理论进行了一系列研究，认为路面与橡胶之间的摩擦力可以归结为粘附力和滞后变形的综合影响。粘附力是由于接触面剪切力特别对光滑洁净表面产生，滞后力与橡胶阻尼消散能量衰减有关（如图3所示）。

图3 基于路表分形理论的能量耗散示意图

橡胶滑过粗糙表面中引起的能量耗散是摩擦力的主要原因，并且认为橡胶与分形表面之间的粘附力进一步导致了滞后力的产生。在关于橡胶-路面接触机理的研究中，Persson考虑了闪点温度的影响同时又考虑了随机性和各向异性特征的表面以及弹性润滑层的影响，具有分形特征的粗糙表面可认为是离散的随机变量，粗糙表面的空间坐标可以通过傅里叶变换展开为不同维度的波的叠加，橡胶滑过分形表面时，在不同维度上产生能量耗散。

国内对橡胶轮胎与路面的摩擦学研究开始较晚，从涉及橡胶力学行为研究开始，主要采用理论与数值分析相结合的方法重点分析了橡胶轮胎磨损机理。如王吉忠等采用ANSYS有限元软件，对轮胎胎面橡胶块与刚性路面相互作用时的变形特性及接触应力分布规律进行了数值分析，东南大学黄晓明教授团队建立了橡胶胎面与柔性路面摩擦接触的数值分析模型。

1.2 橡胶-路面附着特性研究

在轮胎-路面的附着机理研究方面，1963年Kummer和Meyer提出了橡胶与路面的摩擦力主要来源于粘附力（adhesion）和滞后力（hysteresis）。实际上，轮胎-路面接触时由于胎面花纹块和路面纹理的存在导致胎面橡胶并未与路面完全接触；同时，由于车辆荷载并不是均匀分布在接触区域内，并且车辆运动时接触面积发生变化，最大摩擦系数可能在接触区域的任何部分发生，故对于轮胎与路面的接触分析要考虑胎/路附着特性而非摩擦特性。处于部分滑转或滑移情况下的轮胎出现弹性滑转现象，此时库伦定律不再适用，轮胎/路面接触区域分为粘着域和滑动域（图4）。

图4 轮胎弹性滑转示意图

在轮胎制动减速过程中，粘附力和滞后力在不同的减速阶段所占的比重均会变化。粘附力主要来源于轮胎中的橡胶分子与里面材料分子之间的分子键，相关研究指出粘附力主要受微观纹理影响。同时，该研究还表明水膜厚度的增加可以明显降低粘附力，故而粘附力的力学机理尤为复杂。目前关于附着力的相关机理解释，最具代表性的为Moore于1972年提出的理论模型，表明轮胎-路面附着力另一主要来源为滞后力，其主要原理为轮胎橡胶实体在路面接触滚动过程中不断产生挤压变形与形变恢复，该过程造成大量能量散失。

目前，关于路面附着系数估测的方法很多，主要分为基于原因（Cause-based）的预估方法及基于影响（Effect-based）的预估方法。基于原因（Cause-based）的预估方法是通过检测附着系数影响因素，如路面纹理（texture）和是否存在润滑体（lubricants）进行预估路面附着系数；基于影响（Effect-based）的预估方法是通过对不同滑移率下轮胎受力、变形以及噪音的影响，借助安置感应器的方式进行估计，具体见表1。其中，μ表示路面附着系数；s为轮胎滑移率。

考虑到最大制动减速度受路面峰值附着系数的限制，基于μ–s曲线的附着系数估算方法引入了路面峰值附着系数概念，符合路面抗滑性能随着时间衰减这一特性。因此，基于μ–s曲线的附着系数估算方法更接近于路面抗滑性能的实际状况，考虑路表峰值附着系数的时变性是未来进行预测沥青路面抗滑性能的一种主要途径。在潮湿粗糙路面上，轮胎滑动过程中发生变形并产生滞后力，在接触面形成湿牵引力，轮胎湿牵引力对汽车行驶安全性有显著影响（图5）。车辆在积水路面制动时，轮胎挤压水膜产生动水压力阻碍了轮胎与路面的接触，造成轮胎水漂现象。此时路面提供的摩擦力减小，汽车制动性能下降，容易引发交通事故。因此，路面附着系数是影响雨天路面行车安全、控制行车滑移的关键参数之一，故需要对轮胎路面相互作用时的机理进一步研究，以确定附着系数与轮胎滑移率的关系曲线。

图5 轮胎滑水过程受力示意图

1.3 轮胎与路面间相互作用

基于附着机理的理论研究，进行轮胎-路面实际接触机理数值求解计算，国外也已经有大量的学者进行过相应的研究。对于接触问题，目前最常使用的是隐式时间积分有限元算法。轮胎与路面相互作用需引入接触力学分析，涉及到轮胎材料的非线性、大变形及路表结构等，轮胎-路面在干燥和潮湿两种状态下的接触行为，如图6所示。

图6 轮胎-路面接触示意图

当汽车在雨天行驶时，轮胎与路面的接触状态会因为积水的存在而有所不同。美国国家航空航天局（National Aeronautics Space Administration NASA）为解决飞机着陆时的滑水问题而进行了试验研究，认为临界滑水速度与轮胎接地压强的平方根成比例。此后，国内外学者开始了与车辆相关的路面滑水研究，研究的主要内容包括降雨情况下轮胎、路面特性以及轮胎-路面的相互作用。在数值研究方法方面，目前针对路面水膜研究采用的数值模拟方式主要有计算流体力学（CFD）以及流固耦合欧拉-拉格朗日法（CoupledEulerian-Lagrangian CEL法），如图7所示。

图7 基于CEL法轮胎-路面-流体耦合作用模型

随着沥青路面的广泛应用及车辆安全性需求，目前研究存在以下不足：

（1）有限元方法无法模拟轮胎挤入路面纹理的细观状态，无法准确得到路表摩擦系数。同时，采用单个轮胎模型研究轮胎和积水路面的接触问题，无法反映整车受力状态。

（2）雨天条件下滑水模拟研究，主要通过减小轮胎路面摩擦系数来模拟积水条件，简化了轮胎-水膜-路面接触机理，不能全面反映路表积水对行驶状况的影响。

（3）关于汽车ABS状态下轮胎-路面相互作用机理，由于现场试验费用高且外界因素干扰较多导致测试结果存在误差。

2 沥青路面抗滑性能影响因素的变异性

变异性主要是指沥青路面抗滑性能影响因素的时变性，如路面材料特性、运营环境等随时间变化的变异性。沥青路面抗滑力变异性的主要原因如下：①固有特性的随机变异性，如路面材料强度和纹理特征、温度、湿度等。②专业储备不足引起的变异性，如分析模型的不确定性、理论适用性等。③统计的不确定性，主要是试验条件模拟和经验参数、交通荷载的精确度。这类变异性来源于试验误差的限制、时间依懒性、忽略因子之间的相关性以及统计分布不能完全反映实际状况造成的偏差等。

随着沥青道路的建设与投入使用，由于路面材料衰变性、运营环境变化及车辆参数变异性使得路表抗滑性能存在很大的时间依赖性，针对不同阶段（设计、施工及运营阶段）的沥青路面其抗滑性能具有显著差异性。

2.1 设计阶段

对于沥青路面设计阶段，主要受材料类型、矿料级配、沥青类型及品质、原材料存放及运输（环境因素：温度、湿度及通风条件）等外界因素干扰，这些因素统称为材料控制因素。路面抗滑性能同时取决于路表宏观和微观纹理形貌构造。宏观构造不但影响着轮胎的变形特性，还影响着路面摩擦体系中界面的接触形态。特别是在雨天行车，其构成直接决定了路面积水的排泄能力，从而影响着路面的抗滑性能，这种影响在车速较高时更加显著。微观纹理形貌构造能够增加轮胎和路面之间的咬合程度，是车辆在低速行驶过程中摩擦力形成的主要原因。设计阶段材料选控是确保路面良好抗滑性能的前提条件，不同变量的时变性导致表面轮廓不一的路面形貌。

在施工前期，进行原材料的种类和组成的结构特征的控制与监测，对路表微观纹理和宏观纹理均有显著的影响，因而对路面的抗滑性能有显著影响。因此，保证矿料的良好微观结构，并在运输及存放过程的较长时间里保持在一定的形态稳定性，是提髙路面抗滑特性的一个关键要素，也是进行抗滑表层沥青混合料级配设计的合理控制。

2.2 施工阶段

沥青路面施工过程中质量控制是实现较高抗滑性能的重要途径，需要严格控制矿料投放质量、沥青用量、矿料配合比设计及路表压实度等因素，同时考虑人为因素与时间要素的影响。严格按照设计要求进行逐步施工才能保证沥青路面全寿命周期内运营中具有良好抗滑性能，施工阶段各道工序监控是确保路面良好抗滑性能的关键。

2.3 运营阶段

对新建沥青路面，开始投入使用后随着车辆荷载作用，原有沥青薄膜的磨损导致沥青路面的摩擦系数值明显增大，但随着运营时间推移路面摩擦系数开始不断减小，经统计分析年降低幅度在20%左右，分别从车辆行驶速度、轮胎特性、交通荷载及气候变化进行分别阐述沥青路面在运营期间内抗滑行为，如表2所述。

表2 运营阶段抗滑性能不确定因素

综合分析，路面结构类型、原材料控制、施工技术是沥青路面初始抗滑性能的主要控制条件，道路运营阶段抗滑性能受到行车速度、轮胎特性、交通荷载及气候条件等多方面外界因素的综合作用。为了提高沥青路面的抗滑性能，需要从沥青道路设计阶段、施工阶段和后期运营阶段进行严格质量控制与养护。

3 沥青路面抗滑性能评价

沥青路面的抗滑性能是指行驶中的车辆在受到制动时，道路表面滑动所产生的抗滑力，通常用沥青路面的表面特征作为路面的抗滑性。路面抗滑性主要取决于路面表面纹理构造（即路面粗糙度），车辆低速行驶时取决于集料表面的微观纹理，高速行驶时由路表宏观纹理决定。目前，国内外对沥青路面抗滑性能的评价主要从路面摩擦系数和构造深度两方面进行考虑，由于测试仪器与原理的不同使得各种抗滑性能评价方法存在一定的局限性。

3.1 沥青路面纹理测试方法

现阶段，国内外沥青路面表面纹理的获取方法主要包括接触式测量和非接触式测量两类。其中，接触式测量方法是指利用传统仪器设备进行定点测量并读取相关指标或计算出构造深度、摩擦系数等参数来间接评价路面表面纹理状况。接触式测量方法在测试过程中会影响测量现场的交通，而且均无法获得具体的沥青路面宏观纹理和微观纹理数字化信息。非接触式测量方法均涉及路面表面纹理三维模型的数字化重构，其中激光测量法可以直接获取干燥沥青路面表面纹理数字化高程信息，但该方法不适用于路面潮湿情况的测量；其余三种方法均属于计算机数字图像逆向重构技术的范畴，近景摄影测量方法作为数字图像逆向重构技术的代表，能够重建路面纹理的三维模型并提取路表纹理信息，具有减少测试时间、提高测量效率等优点，但存在不可控的纹理信息损失的情况。

理论上，使用路表纹理三维参数进行评价路面抗滑性能符合未来智慧道路发展的需求，而图像处理是快速识别路表纹理信息的核心技术。因此，近景摄影测量技术的创新与应用亟待解决，在保证纹理信息完整性的同时提升纹理重建的精度与效率，从而更好地应用于无人驾驶车辆并确保其在沥青路面上的操作稳定性。

3.2 沥青路面抗滑性能评价模型

关于路表纹理测量的方法易受测试温度、湿度、速度等条件影响，可靠度不高，且无法确定车辆实际行驶过程中安全行为，需要综合考虑环境因素影响并根据对车辆运行状况进行评估与预测路面抗滑性能。目前，常用方法是在考虑行车速度的前提下，对沥青路面宏观构造和微观构造的测试结果进行统计分析，在大量数据的基础上得出了路面抗滑性能的评价模型，如表3所示。

表3 路面抗滑性能评价模型

1992年，世界道路协会（PIARC）采用47种路面纹理测试设备在不同国家的54个路段上进行路面抗滑性能检测设备对比与协调试验，根据试验结果提出了PIARC模型及国际摩阻指数（International Friction Index IFI）模型。PIARC模型的典型之处在于通过测试滑移速度并换算成标准摩阻数来表征路面摩擦状况，避免受到道路交通等因素影响。而国际摩阻系数IFI由速度数S_p和标准速度摩阻数F₆₀组成，任意一个行驶速度下摩擦系数值都可以通过这两个参数确定。目前，大多数国家均采用IFI作为路面抗滑性能的评价指标。

3.3 沥青路面抗滑性能衰变模型

在役沥青路面长期受到复杂交通荷载作用，将产生不同程度地材料退化和结构损伤，从而造成了抗滑性能不同程度地衰减。大量研究表明，路面抗滑性能的衰减主要是路面集料磨损、沥青品质降低、混合料级配不合理及交通运营环境恶劣等综合因素导致的，具有时间依赖性与变异性。

考虑到在役沥青路面抗滑功能失效的演化历程，沥青路面抗滑性能衰减规律的预测模型尚有欠缺，这对于大量运营中沥青路面良好抗滑功能状态评估极具实际意义。综合考虑目前的研究现状，亟需解决以下几个问题：

1）为了预测沥青路面抗滑性能的实际衰减过程，大多从影响因素着手通过拟合得到估算衰变模型，缺乏统一性，应全面考虑影响因素建立适合不同交通环境、不同路面类型的统一抗滑性能衰变模型。

2）评价在役沥青路面的抗滑性能时，随着路表抗滑功能衰退已不能满足设计初期的抗滑力，设计基准荷载已不能为控制参数，应采用现场随机交通流来描述荷载效应模型。

3）对既有沥青路面而言，其抗滑性能、车辆荷载等因素是与时间有关的随机变量，可以推导出基于时间变量的动态抗滑评价指标。而基于时变随机分析方法，实现沥青路面抗滑性能衰变规律的分析尚需要长期探索工作。

4）路面抗滑性能与车辆安全运行密切相关，无人驾驶车辆作为未来驾驶车辆的主流，其没有驾驶员操控，在雨雪天气路面抗滑性不足等路况下无人驾驶车辆操作稳定性需要道路监测中心供给的实时路面抗滑性能参数，从而实时自动控制车辆操作行为以确保车辆在不同制动工况下的安全性。

4 结论与展望

通过对沥青路面与车辆轮胎的摩擦接触模型、不确定性影响因素、抗滑性能评价模型与衰变规律等研究热点进行综述。目前沥青路面抗滑性能研究中存在很多问题，在今后的研究中应主要从以下几方面进行研究和探讨：

（1）作用于沥青路面结构的荷载和环境因素是随时间变化的，因此，沥青路面抗滑性能也随时间而发生变化，研究沥青路面抗滑性能的时变评价指标使得抗滑性能的评价更符合客观实际情况。

（2）沥青路面抗滑性中存在着设计变异、施工误差及运营环境变异等各种不确定性变量，这些不确定性都具有一定的随机性，因此，为全面、准确地考虑各种变量的变异性，应该将这些不确定性因素与路面抗滑性能结合以构建统一的沥青路面实时抗滑性能评价模型。

（3）无人驾驶技术是智能交通领域及智慧道路领域的先进技术，也是适应未来交通行业发展的必然需求。既有沥青路面长期经受各种不利荷载作用及自然环境影响，必然会存在材料退化、路面功能衰退问题。沥青路面抗滑性能时刻发生变化，建立基于时间效应的路面抗滑性能预测模型可为无人驾驶车辆的自动安全操作行为提供必要的抗滑需求感应参数。

在沥青路面工程中，增强无人驾驶技术与智能路面信息的融合性，提高无人驾驶车辆行驶安全性，是未来沥青路面设计准则与性能评价的发展趋势，也是提高沥青路面全寿命周期内服役水平的必然需求。因此，后续将开展无人驾驶车辆制动过程中沥青路面抗滑特性与感应需求的研究，提出一种能够实时、快速地采集高精度路表纹理信息的沥青路面纹理识别系统，探讨典型制动情景下无人驾驶车辆制动规律与沥青路面抗滑性能之间的联系，为后续无人驾驶车辆安全制动的研究提供实时、有效的路表抗滑需求感应参数，从而提高无人驾驶技术在智能道路中的应用与推广。