水泥路面抗滑性能提升策略研究

罗永强 时权 翁海玲 陈振侃

摘要：我国城市建设和交通运输行业的迅速发展，使得交通密度和行车速度不断增大，相应地对道路的技术规范和使用性能提出了更高的要求。目前对道路的技术标准已有比较成熟和完善的规定，而对影响行车条件和安全性的路面抗滑的功能性研究却进展缓慢，尤其是水泥混凝土路面的抗滑措施的研究。本文介绍了目前常见的增加水泥路面表面纹理构造的抗滑措施以及近几年较为新颖的几种加铺薄层抗滑材料与施工建造技术，以此总结出一些水泥路面抗滑设计的思路与经验。

关键词：水泥路面；抗滑；材料设计

1. 影响路面抗滑的主要因素

道路的抗滑能力大小与交通事故有着紧密的联系，而抗滑能力具体现在摩擦力的大小。摩擦力越小汽车的制动距离越大，从而更易引发交通事故；反之则不容易引发交通事故。摩擦系数大小是影响路面摩擦力的主要因素，而影响路面摩擦系数的主要因素有湿度、路面粗糙程度等。

1.1湿度

水泥混凝土路面在干燥状态下摩擦系数大，潮湿状态下摩擦系数小。交通调查结果显示^[1]，行车安全问题大多出现在下雨和潮湿的天气，因此湿度和摩擦系数成负相关的关系。

1.2路面粗糙程度

路面粗糙程度是影响摩擦系数的首要因素，路面越粗糙，轮胎的着地面积越大，摩擦系数越大。同时粗糙的路面能够阻碍路表形成水膜，从而增大摩擦系数，增大摩擦力。

1.3其他因素

当道路功能排水设计不合理时，可能出现路面积水，使得路表容易形成介于路面和轮胎之间的水膜；亦或是路表残留异物，如灰尘砂石等，都会降低摩擦系数，使汽车容易产生滑动。

当前增加水泥路面抗滑性能的措施主要是以刻槽等改变水泥路面纹理构造的形式增加路面表面粗糙度，从而增大摩擦系数来达到提高抗滑性能的目的。同时随着水泥路面修养护技术的发展，一些薄层抗滑材料也开始应用于提升水泥路面的抗滑性能。本文就改变水泥路面纹理构造和加铺薄层抗滑材料两个方面，分别简要介绍几项具备代表性的新型水泥路面抗滑技术。

2. 水泥路面纹理构造

2.1改变水泥路面纹理构造的抗滑措施

在低速行车条件下，水泥混凝土路面的抗滑性能通常能够满足要求，但在高速行车条件下常规的水泥混凝土路面的抗滑性能就难以满足要求。在服役初期水泥路面的抗滑性能可能满足要求，但经过一段时间的行车磨耗，其抗滑性能会很快衰减，摩擦力降低从而容易引发交通事故。

所以在交通量大、重型车辆较多以及高速行车情况下，通常采用专门刻槽的水泥路面。目前常见的几种路面纹理构造如表1所示^[2-4]。

表1 常见的路面粗纹理构造

名称	特点
粗麻布拉毛	施工操作简单，初期抗滑性能好，但其抗滑耐久性差，行车一段时间后抗滑能力显著下降。
刷饰纹理	用尼龙刷或竹扫帚使路面粗糙，操作简单，可以刷出纹理但很浅，抗滑耐久性差。
露骨路面	在刚铺筑的水泥路面上洒布缓凝剂与水的混合物，20h后将表面的砂浆冲掉使骨料外露，形成骨料路面，从而增加路面粗糙度。
碎石压入路面	在刚铺筑的水泥路面上撒布带有棱角的坚硬碎石骨料，用滚筒将骨料压入还未完全凝固的混凝土中，压入深度控制在骨料的2/3，使路面外露一层粗骨料层从而达到提高抗滑性能的目的。
齿耗拉槽	用钢筋或钢丝束制成的耙子拉槽，施工操作简单。拉出的槽纹较深，可以达到粗骨料层，因此其抗滑耐久性也较好。

2.2不同纹理混凝土路面的抗滑性能研究

表1列出了五种常见的增加路面粗糙度的方法，但其各方法的抗滑性能以及抗滑耐久性的性能对比还不够完善。结合噪音、经济性等因素，如何选择最优的方法还有待讨论，因此研究人员们展开了进一步研究。

针对露骨路面、横向刻槽路面以及拉毛路面的抗滑性能对比，蔡正森^[5]等人对不同路面进行抗滑摆值试验。试验结果表明，大粒径露石路面的抗滑性能最好，其次是小粒径露石路面、横向刻槽路面和拉毛路面。轮胎噪声测试结果显示横向刻槽路面噪声最大，之后分别是大粒径露石路面和小粒径露石路面。小粒径露石路面的噪声值相较刻槽路面降低了1.8dB，同时抗滑摆值仅比大粒径露石混凝土路面小1BPN，所以其抗滑与降噪的综合性能最好。

2.3纵横向刻槽水泥混凝土路面

研究表明，不同纹理路面中露石水泥混凝土路面的抗滑性能最佳，但其存在施工效果不易控制，路面耐久性较差等问题，所以刻槽式水泥混凝土路面仍有应用空间。通过对其刻槽形式以及尺寸的控制，以达到最好的抗滑效果，同时能保证其施工质量以及路面耐久性。

Mulian Zheng^[6]等人利用自行研制的摩擦系数测定装置对三种不同槽型（纵向刻槽L、横向刻槽T、纵横向刻槽LT）的试样进行了抗滑性能评价。另外进行了磨损试验对试样的抗滑耐久性进行评估。图1为纵横向刻槽试样（LT）。

图1.纵横向刻槽试样（LT）

(1)抗滑性试验

抗滑试验使用的旋转摩擦系数测试仪的结构如图2所示。在试验盘上安装试验滑块并施加一定荷载，然后将试验盘放置在路面上，发动机提供扭矩驱动圆盘以一定速度旋转。路面表面摩擦系数按式μ= 计算，N为驱动盘所需扭矩，G为垂直荷载，d为摩擦臂长度。

图2.摩擦系数检测装置（该测试仪包括:(1)速度控制装置，(2)发动机，(3)旋转轴，(4)外壳，(5)扭矩传感器，(6)数字显示仪，(7)称重板，(8)轴承，(9)试验盘，(10)橡胶滑块）

通过表2可知，LT槽型样本（5,5,30,6,4,10）的摩擦系数大约比T槽型样本（6,4,20）大46.2%。本试验使用的LT样本的防滑性明显优于T样本。同时通过方差分析法可知，对水泥路面抗滑能力影响最显著的因素是横向槽间距，之后分别是纵向间距，纵向宽度，横向宽度，纵向深度和横向深度。最后，试验结果表明，LT样品中（5,5,30,6,4,10mm）和（6,3,15,6,5,24mm）两种尺寸具有最好的抗滑性能。

表2 不同样品抗滑板实验结果（mm）

样品尺寸	（6,4,20)	(6,6,20)	(5,5,30,6,4,10)	(6,3,15,6,5,24)
μ	0.821	0.651	1.200	1.157

注：（横向宽度,横向深度,横向间距,纵向宽度,纵向深度,纵向间距)

（2）耐磨性实验

磨损试验机如图3所示。耐磨性试验操作如下：先记录样品初始质量（m1），然后用夹具将每个试样固定放置在磨损试验机的水平转台上，施加200N的荷载在样品上研磨30转后取下样品，对拂去表面研磨尘后的样品称重（m2）。用方程G= 计算每个样品单位面积的磨损损失。其中G是单位面积的磨损损失(kg/m²)，m1是原始质量，m2是磨损后的质量(kg)，0.0125是磨损面积(m²)。试验结果表明LT样品的防滑性能有所提高，但耐久性性能没有提高。

图3.磨损试验机

2.4水泥路面纹理化技术

纹理化技术^[7]首先由美国提出，它基于传统硬刻槽技术，能较好解决混凝土表面抗滑耐久性差的问题，同时能提高路面抗滑性能，降低路面行车噪声等。目前国内对该项技术的应用还属于起步阶段。

1. 技术简介

水泥路面纹理化技术通过使用高强度刃具，结合独特的等压无冲击方式，沿着顺车道方向对水泥混凝土路面浅表层进行切削，从而在水泥路表面形成沟壑状微条纹，如图4。

图4.纹理化施工后的水泥路面

水泥路面纹理化施工采用全机械化，一台纹理化施工车和一台扫路运输车为一组。在作业过程中，纹理化施工车将以车载激光标线为准点匀速前进刻槽，扫路运输车负责路面灰尘和碎石的清扫。纹理化施工技术的优势在于切削刃具的下刀深度可有计算机控制，从而保证纹理化刻槽的深度均匀，同时相比传统矩形刻槽技术，其施工效率更高。

2. 水泥路面纹理化技术特点

纹理化处理后的水泥路面特点为纵向和横向分别呈现带状拉槽和沟壑状，路面总体呈现为U字型，纹理深度在1~3mm，间距为5~9mm，其轮胎接地如图5所示。

图5.纹理化路面轮胎接地示意图

路表面浆层的耐磨耗性能是影响水泥路面抗滑耐久性的主要因素，采用纹理化施工的优势在于能较多的保留路面浆层，从而提高水泥路面的抗滑耐久性。同时由于U型槽深度较浅，所以轮胎在行车期间能完全贴合U型槽的弧度并作用于原路面，这时轮胎与路面的接触面积最大，轮胎与路面之间的能产生最大的摩擦，从而提高路面抗滑性能，减少制动距离保证行驶安全。另外在雨天或道路湿滑的情况下如果出现路面积水，丰富的路面纹理也能及时排走轮胎与路面间的水分，保证路面抗滑性能。

3. 纹理化施工水泥路面性能分析

横向力系数和构造深度是表征路面抗滑性能的主要指标，其中横向力系数能最为直接的表征路面抗滑性能^[8]。

崔通^[7]对已有的纹理化路面采用单轮式横向力测试车进行横向力系数检测，经温度和速度修正后的测试结果显示采用纹理化施工后的水泥路面的横向力系数SFC的代表值最高为72，最低为64，相较传统矩形刻槽路面，其横向力系数提高了18%~33%，这表明纹理化施工后水泥混凝土路面的抗滑性能得到了较大幅度提高。

3. 薄层抗滑材料的研究

水泥混凝土路面虽具有强度高、稳定性好等优点，但在通车服役后其宏观构造和微观纹理会被逐渐磨损，使其抗滑性能衰减。因此需要及时对旧水泥混凝土路面进行维修养护以保障其服务品质，但水泥路面抗滑性能的恢复也是维修养护工作中的重难点。针对这一现状业内技术人员进行了大量研发实践，开发了精铣刨加铺

^[9]、超薄罩面^[10]、微表处等技术^[11]，同时一些应用于水泥路面的抗滑薄层材料也应运而生。

3.1超薄树脂抗滑层

超薄树脂抗滑层是一种超薄、高粘的铺装材料，它的粘结剂是环氧树脂，并采用单一粒径碎石作为骨料，其优点在于施工工艺简单，交通干扰小，施工后可快速开放交通并可显著提高原路面的抗滑性能^[12-13]。

何伟杰^[14]等通过对已有的超薄树脂抗滑层实体工程进行跟踪检测，对其性能以及应用前景进行了探讨。检测内容包括摆式摩擦系数（BPN）、构造深度（TD）、横向力系数（SFC）以及及粘结强度。

1. 工程概况

该超薄树脂抗滑层实体工程为高速公路隧道路段，路面面层为水泥混凝土。由于该路段的车流量在通车2.5年的时间内迅速增加，同时在特重交通的作用下，其路面构造纹理磨损严重，导致其抗滑性能不足的问题日益突出。针对该路段的抗滑性能不足的问题，养护部门采用了超薄树脂抗滑层在隧道中段的快慢车道分别选取了800m进行试验段的铺筑养护，铺筑厚度5mm。

2. 性能效果分析

为充分评价超薄树脂抗滑层的使用效果，分别对干燥和潮湿状态下的超薄树脂抗滑层的抗滑值BPN进行了检测，然后采用手工铺砂法对试验段的构造深度TD进行了检测，接着采用横向力系数测试车对试验段工前一个月、工后一个月、工后一年的快慢车道的横向力系数SFC进行了检测。三项指标的跟踪观察结果显示超薄树脂抗滑层对原水泥路面的抗滑性能提升效果明显，并具有较好的抗滑耐久性。

除了上述性能表现外，确保抗滑层性能可以得到充分体现的前提是抗滑层与原水泥路面的优良粘结性能，通过拉拔仪测试了超薄树脂抗滑层试验段工后一个月的粘结强度。粘结强度检测结果如表3所示。

表3 超薄树脂抗滑层工后一个月的粘结性能

指标	试样编号					平均值
	1	2	3	4	5
拉拔强度/MPa	3.6	3.8	4.0	3.6	3.7	3.7

由表3数据可知试样的平均拉拔强度为3.7MPa，且都不低于3.6MPa。并且有效实验的试样破坏形式均为水泥混凝土体的破坏，这表明超薄树脂抗滑层与水泥路面之间的粘结强度大于原水泥路面的抗拉拔强度，所以在使用过程中抗滑层具有足够的粘结强度，不会出现因层间粘结强度不足或脱皮而产生的病害。

上述对路面BPN、TD、SFC以及现场拉拔试验的综合检测评价表明，超薄树脂抗滑层可使水泥路面的抗滑性能显著提高并在一定时间内维持较高水平，同时能保证足够的粘结强度，具有广阔的应用前景。

3.2超薄彩色抗滑表层材料Puas

Puas是一种铺装厚度1~2mm且颜色可调的新型超薄路面抗滑表层材料，它的粘结剂采用的是无溶剂的单组份聚氨酯胶凝材料（PDJJ），骨料采用的是彩砂骨料（PSG）。由于PDJJ的固化过程是通过与空气中的水发生化学反应实现而不用添加任何外掺固化剂，所以其整个固化过程无需加热，能在常温下进行，施工操作便捷且具有环保效益。Puas所采用的PSG粒径通常为40~80目，并且要求具备不褪色、耐腐蚀、无毒无味等优点。PSG由于其色彩丰富，所以常用于彩色路面，或做成各种具有警示或指引功能的图案等，具有较强的可塑性，应用场景广泛。PSG天然彩砂颜色种类如图6所示。

图6.PSG天然彩砂

1. 性能检测与评价

王火明^[15]等人通过试验研究了Puas的适用场景，抗滑性能以及材料粘结强度的抗老化性能。在对材料应用于不同底基层材料测试其粘结性能时，底基层材料分别选取了钢板、沥青混合料和水泥混凝土。试验结果表明当Puas分别应用于这3种底基层材料时，其粘结强度均大于3MPa，最大为6 MPa，粘结能力较好，说明在沥青路面和水泥路面的维修养护中皆可使用基于PDJJ的彩色抗滑表层；然后对不同配合比的Puas材料的摆式摩擦系数进行检测，评价其抗滑性能。试验的底基层类型同样为水泥路面，沥青路面和钢板。试验结果表明Puas试件的抗滑性能与PDJJ的用量有关而与底基层材料无关，Puas试件的摆式摩擦系数BPN在50与70之间，体现了良好的抗滑性能。材料的最佳抗滑性能是在PDJJ用量为5%左右时；最后试验为模拟Puas的光热老化情况采用了疝灯耐气候老化箱。老化参数如下：强度为600 w /m²的120 h连续光照，温度100 ℃，湿度50%。同时试验设置了对照组来分析评价Puas老化后强度的变化规律，对照组试件置于室内，其余条件与老化组试件一致。通过对两组试件的粘结强度、摩擦系数及磨耗损失量的测定发现，老化后的Puas试件粘结强度下降了5%~7%，磨耗损失量增加了3%~7%，但总体变化幅度不大。

3.3纳米MMT改性PMMA防滑涂层材料设计及其施工技术

路面、粘结剂图层加上彩色集料是现在常用的道路防滑结构^[16]。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是目前合成透明材料中质量较为优良的材料，价格也更便宜。PMMA树脂为无色液体，沸点101℃，密度0.940g/cm³，具有无毒环保的优点。它作为彩色防滑路用胶粘剂的基材，具有良好的化学稳定性和耐候性，PMMA树脂的缺点是容易脆性开裂，表面强度低。纳米MMT的化学结构式可写成：Na_0.7Al₃₃Mg_0.7Si₈O₂₀(OH)₄·nH2O，含有50%至70%的SiO₂，15%至20%的Al₂O_3，是一种天然矿物硅酸盐。

（1）纳米MMT改性PMMA防滑涂层材料施工工艺

水泥路面上的纳米改性双组分彩色防滑路面的施工过程如图7所示。施工主要分六个步骤：水泥路面基层抛光、水泥路面粗化处理、施工准备工作、密封底漆涂层并均匀渗透（不少于1.5kg/m²）、路面彩色集料摊铺施工、表面集料经养护干燥后清理。

路面抛光	粗化处理
施工准备	密封底漆涂层
彩色集料施工	养护干燥后清理表面集料

图7. 彩色防滑路面施工工艺图

（2）粘结强度研究

Yongqiang Zhong^[17]为了得到更好的粘接性能，将纳米MMT添加到聚甲基丙烯酸甲酯胶粘剂中。通过添加不同比例的MMT纳米粒子进行对比试验。在考虑力学性能和经济性能的同时，试验选择加入3%的纳米MMT与1%、2%、3%、4%、5%五种掺量的聚甲基丙烯酸甲酯固化剂进行粘接性能试验。试验结果显示PMMA的粘结强度范围为30MPa~35MPa，且粘结强度与固化剂含量呈负相关。添加3%的MMT后，聚甲基胺丙烯酸酯粘接强度在35MPa~40MPa之间，且添加3%纳米MMT后的粘结强度都大于不添加的材料。粘结强度的提高减少了彩色防滑路面的脱粒现象，大大提高了路面防滑的耐久性。

4. 水泥防滑路面研究展望

随着交通运输行业以及道路建设领域的发展，水泥混凝土路面逐渐被沥青混凝土路面所取代，但在一些乡镇道路的新建工程以及旧路面养护上仍有水泥路面的应用空间。如何减少交通干扰，短时间内完成水泥路面的修建与养护仍是现在道路工程研究的一大重点。

通过对上述水泥混凝土抗滑路面的材料与施工技术的了解，总结了需要进一步研究和探索的问题。

1. 新建水泥路面的表面处理

目前常用的新建水泥路面的表面处理方法为刻槽，刻槽包含纹路形式，尺寸构造以及施工复杂程度等问题。所以需要进一步研究抗滑性能好，抗滑耐久性优异，且具有高效施工效率的水泥路面表面处理技术。

2. 水泥路面的养护

薄层抗滑型材料的应用已成为目前水泥路面的养护的趋势。路面材料的抗滑性能和粘结层的粘结强度是评价薄层抗滑型材料性能的关键指标。粘结强度的大小决定了薄层材料的抗脱落性，从而决定了路面材料抗滑的耐久性。具有足够的粘结强度，价格低廉且易于摊铺的粘结剂具有广泛的应用前景。

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