鋪面抗滑特性之原理與檢測技術 [复制链接]

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摘 要2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

鋪面抗滑能力 (skid-resistance) 乃指鋪面抵抗其上行駛運具產生滑行現象之能力，其物理意義即為鋪面與運具間摩擦力之大小。其為影響公路行車及機場飛機起降安全之重要因素之一，此因素於雨天時影響更為顯著。在雨天狀況下，若公路或機場跑道之抗滑能力不足，將大幅提高運具產生水滑 (hydroplaning) 現象之機率，並可能提高公路車輛追撞、偏離車道、側撞、對撞等事故以及機場航機無法及時煞停現象之發生機率。為有效防止或減低此類意外事故之發生機率，鋪面抗滑能力之檢測相當重要，透過定期或非定期性鋪面抗滑能力資料之收集，主管機關可隨時監控鋪面抗滑能力之變化，並可做為鋪面養護時機之參考。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

鋪面抗滑能力之檢測方法有許多種，但其基本原理可概分為兩大類，第一類為量測車輛運行至某特定速度下鎖死輪胎 (軸) 所需力量，若此力量愈大表示摩擦力越大，顯示輪胎與鋪面表面越不易產生滑行現象，即表示該鋪面之抗滑能力越佳；第二類為使車輛運行至某特定速度下鎖死輪胎 (軸)，量測車輛自煞車開始動作至車輛完全煞停間所滑行距離，以計算鋪面表面與輪胎間之摩擦係數。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

本文將就影響鋪面抗滑能力之因素、常見鋪面抗滑能力檢測方法及本研究單位所擁有之抗滑儀GRIPTESTER等三項予以介紹，並提出抗滑檢測作業建議。 2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

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一、影響鋪面抗滑能力之因素2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

鋪面抗滑能力之高低主要係受到鋪面表面材料之特性影響，但其亦受到交通量與天候以及車輛特性等其餘外在因素影響，以下將各項影響因素區分為鋪面材料特性、環境因素與車輛因素等予以說明。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

1.1 鋪面材料特性：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
鋪面材料特性對於抗滑能力之影響可分為細質紋理 (microtexture) 與粗質紋理 (macrotexture) 兩部分討論。細質紋理所指即為骨材表面之觸摸感，其主要提供骨材與輪胎表面間之黏著力；粗質紋理則指骨材之大小、外型，柔性鋪面之骨材填塞狀況以及剛性鋪面表面之磨平情形均是粗質紋理之特徵。此紋理特性會使輪胎表面產生變形現象，在行進間將可耗損車輛前進動能，促使車輛停止。一般而言，在低速狀況下之抗滑能力多由細質紋理之黏著特性所提供，粗質紋理對於抗滑能力之貢獻並不顯著；但於高速狀態下，粗質紋理對於抗滑能力之貢獻程度則顯著提高。而若鋪面表面覆蓋有水膜或其他油性物質，則細質紋理黏著特性將無法產生作用，僅粗質紋理可提供鋪面之抗滑能力。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

1.2 環境因素：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
影響鋪面抗滑能力大小之環境因素包括交通量與氣候兩項。於交通量方面，由於車輛輪胎與鋪面表面之直接接觸將對骨材之細質紋理產生磨光作用；而在重車行駛頻繁之路段，骨材更可能產生磨損或轉位等現象，造成抗滑能力降低之情況。而對於柔性鋪面而言，表面之瀝青成分於完工初期可能因通車後受車輛輪胎帶離之故，而形成抗滑能力上升之情況，但隨後其抗滑能力則亦因上述原因而下降。是故英國運輸道路研究室 (transportation road research laboratory, TRRL) 所制定之公路抗滑能力標準即依貨車日交通量予以分級 [1]。於氣候因素方面多指公路或機場之降雨 (或雪) 量之高低，若降雨 (或雪) 量愈高，則相對而言鋪面抗滑能力之維護更形重要，需採用更高養護門檻，於大陸公路抗滑標準相關規範 [1] 中，即建議對降雨量較高或易結薄冰路段採較嚴格標準。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
1.3 車輛因素：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

車輛因素包括車輛行駛速度、胎壓、胎紋及輪荷重等項目，根據國外研究 [2] 指出，車輛行駛速度與胎壓之高低對於抗滑能力皆呈現反向關係，亦即較高車速或較高胎壓將導致抗滑能力降低。同一研究 [2] 亦顯示輪荷重與抗滑能力亦呈現反向關係，若輪荷重提高將使單位荷重之接觸面積減低，因而使摩擦係數降低。此外，車輛胎紋亦對抗滑能力有所影響，胎紋之功能原為提供雨天時鋪面與輪胎接觸面之排水而設計，故設計良好之胎紋將可避免表面產生水滑現象，提高抗滑能力，亦可提高車輛之煞車效能。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

綜合上述各項因素可知，鋪面抗滑能力之優劣可藉由鋪面材料特性予以量測與控制，但若擬提高抗滑特性，增進車輛或飛行器之煞車效能，則可由車輛特性加以控制，另於訂定鋪面完工或養護之抗滑標準時，亦需配合當地環境條件，以符合所需。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

二、鋪面抗滑能力檢測方法2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

鋪面抗滑能力之檢測多藉由鋪面表面摩擦力之量測得知，目前已開發使用之檢測儀器依其原理可區分為鎖輪式 (locked-wheel mode)、滑溜式 (slip mode)、偏搖式 (yaw mode)、英式擺錘法 (British pendulum) 以及日本動態摩擦測試儀等，茲分述如下：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

2.1 鎖輪式 (locked-wheel mode)：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
鎖輪式檢測法於檢測時乃以車輛拖動單測試輪或雙測試輪之鎖輪式檢測拖車，檢測開始時需於測試輪前方灑水，而後於拖車達到預定速度後將測試論鎖死，當輪胎鎖死滑行0.2sec以上，且溫度穩定後，記錄測試輪之正向力W與摩擦力F約1至3sec以完成檢測。檢測結果以抗滑數SN (Skid Number) 表示：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

(1)2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
該測試法之標準測試程序目前已經美國測試暨材料協會 (American Society for Testing and Materials，ASTM) 認證通過，訂於E274標準 [3] 中。圖1即為美國K. J. LAW公司所開發之標準鎖輪式抗滑檢測儀。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

2.2 滑溜式 (slip mode)：鎖輪式檢測法檢測所得者為輪胎鎖死狀態下之鋪面摩擦係數，但實際上於輪胎鎖死狀態下之摩擦係數並非最大。根據美國聯邦航空總署 (Federal Aviation Administration, FAA) 相關研究指出，摩擦係數於輪胎開始減速煞停後即急遽上升，並於短時間內達到最大值，其後將逐漸下降至鎖死時之摩擦係數值，其變化情況如圖2所示 [5]，圖中滑動數 (Slip，S) 之定義為：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
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圖1 K.J. LAW T1290鎖輪式抗滑力檢測儀 [4]2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

(2)2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
其中：W0為自由轉動狀態下輪胎之角速度2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
W：檢測時輪胎之角速度2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
為改善鎖輪式檢測法無法測得最大摩擦係數值之限制，滑溜式檢測法即改變鎖輪式於測試輪鎖死後方開始記錄之方式，而採連續記錄方式記錄煞車作動期間之摩擦係數值。本研究單位所擁有之GRIPTESTER即採此型原理所開發，其外觀如圖3所示。除GRIPTESTER外，另K. J. LAW與SAAB公司亦有依相同原理設計開發之抗滑檢測儀。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

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圖2 滑動數 (Slip) 與摩擦係數間關係圖 [5]2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

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圖3 Grip Tester滑溜式抗滑檢測儀 [6]2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

2.3 偏搖式（yaw mode）：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
上述兩類儀器所測得結果皆為正向摩擦係數，偏搖式檢測法則為量測鋪面之側向摩擦係數 (sideways friction factor)，其測試輪與行車方向偏斜固定角度，藉由記錄測試輪所承受之側向力與垂直正向力，即可得鋪面之側面摩擦係數。目前此類檢測方式之代表性儀器為Mu-Meter (如圖4所示) 與SCRIM (Sideways-Force Coefficient Routine Investigation Machine)。Mu-Meter之標準測試程序亦經ASTM認證通過，訂於E670標準 [7] 中。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

2.4 英式擺錘法 (British Pendulum)：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
以上所述各式檢測法皆屬於現地檢測法，並可於高速行駛下進行量測。若於實驗室內進行檢測，一般多採用英國道路研究實驗室 (British Road Research Laboratory) 所研發之英式擺錘試驗儀 (British Pendulum Tester) 進行。該試驗進行乃將橡膠類材料置於擺錘下方模擬膠胎，另於儀器下方置放鋪面類受測材料模擬鋪面，藉由計算擺錘擺動時因兩項材料摩擦而耗損之能量，即可得英式擺錘數 (British Pendulum Number，BPN)，其試驗程序亦已經ASTM認證通過，訂於E303標準 [8] 中。該試驗儀如圖5所示。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

2.5 日本動態摩擦測試儀：[10]2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
除英式擺錘試驗儀外，另一種可進行局部鋪面測試儀器為由日本所開發之動態摩擦測試儀。此項試驗儀特點為採用角速度代替直線速度，採用轉動方式加速，轉輪上置放三塊橡膠墊以模擬膠輪。測試時先將轉輪離地加速，待轉輪加速至預定速度後方將轉輪降下與地面接觸，由於摩擦力作用將使轉2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
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圖4 Mu-Meter偏搖式抗滑檢測儀 [8]2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

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圖5 英式擺錘試驗儀 [9]2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
輪速度漸減至零，此一測試階段所得數值將可模擬滑溜式儀器所測得之連續動摩擦係數。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

三、GRIPTESTER儀器簡介2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

本研究單位所擁有之抗滑檢測儀為英國Findlay Irvine公司所研發製造之GRIPTESTER，該儀器屬於滑溜式原理之三輪拖車檢測儀，其中兩輪為使拖車平衡之行走輪，第三輪為測試輪，為削減胎紋對於測試結果之影響，其測試輪乃採用光面胎。此外，此項儀器之特點尚包括下列八項：2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

1. 可得連續鋪面之抗滑值：如本文第二節所介紹之滑溜式儀器原理中所提及，滑溜式儀器雖可克服鎖輪式儀器無法量測最大動摩擦力之限制，但其作用原理仍須利用煞車系統之作動，故僅能採點狀量測；為克服此項限制，GRIPTESTER採用行走輪與測試輪不同齒比之設計方法，提供鋪面抗滑值之連續量測。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

2. 可採用不同測速進行量測：本項儀器之研發乃與英國Cranfield大學共同合作，故其使用目的除進行公路、機場跑道之檢測外，亦可供學術單位進行研究，此儀器除採定速進行量測外，亦可採用5 ~ 130公里時速進行量測，故可測得不同速度之抗滑值變化，有助於對鋪面抗滑特性之瞭解，進而對掌握其抗滑能力之變化更為確切。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

3. 可適用於公路與機場跑道系統：如上所述，因該型儀器可採用不同測速進行量測，故對於抗滑標準不一之公路與機場跑道皆可適用。此外，其電力系統、供水系統與後端資料處理皆因應公路與機場跑道不同特性而有不同設計，故為目前可得資料中唯一可同時應用於公路與機場跑道者。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

4. 儀器體積小、重量輕：此型儀器之重量僅有八十公斤，且採用拖行式與拖車式並行設計，其具有優點除容易搬運外，並可適用於多種特殊測量環境，如人行道之抗滑量測、以及鋪面標線抗滑特性量測，北歐國家亦將其應用於海上鑽油平台之抗滑特性量測，英國與美國海軍更將其應用於航空母艦跑道之抗滑量測。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

5. 操作與校估容易：於操作方面，此項儀器量測之資料輸出為電腦化處理，操作步驟簡易，且其校估方法設計為簡易與完整校估兩種模式，可視使用頻率選擇校估模式，於經常使用時可採用簡易校估，校估步驟少，所需時間約僅需10分鐘，且因其機體為獨立拖車設計，前導動力車輛另行購置或採用既有車輛加裝拖車頭，故可降低購置費用，提高校估與維修之彈性。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

6. 可應用局部與大範圍之量測：因此型儀器同時具有拖行式與拖車式兩種設計，故可彈性應用於局部與大範圍之量測。於局部量測上多屬單一地點之檢測，如對單一地點抗滑值之確認或局部整修完工後之驗收等；於大範圍量測如應用於鋪面管理系統路網層級之量測，可一次蒐集大範圍資料，以評估整體抗滑特性，並標示待改進地點。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

7. 輸出資料判讀容易：其輸出資料包括鋪面抗滑值、檢測速度與距離等；以機場檢測為例，其輸出資料為以長條圖標示每一區段之抗滑值，並採顏色標示該區段測速是否符合要求。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

表1為美國航空暨太空總署 (NASA) 於1989年針對包含Grip Tester在內之八種FAA認可之量測儀器所訂定之機場跑道抗滑值標準，包括最低標準、養護標準以及新建完工標準，機場管理當局可依循此標準判斷是否需針對機場跑道進行維修或養護作業。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

四、結 論2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

鋪面抗滑特性為代表鋪面安全性之主要指標，但於國內機場及公路鋪面主管單位既有之新工、養護管理策略中甚少提及。本文除提出其對運輸安全之重要性外，並就影響鋪面抗滑能力之因素、抗滑力檢測方法以及GRIPTESTER抗滑檢測儀之加以介紹。本研究單位目前已積極進行鋪面抗滑之相關研究，除就理論部分研讀整理其既有研究成果外，更以新購之抗滑儀實測多處機場及公路鋪面抗滑特性，以為國內基本資料之掌握及長期研究之基礎。希望藉由本文之說明，可給予國內提高國內各界對鋪面抗滑力監測之重視，進一步建立定期或非定期性之抗滑力量測機制，以納入公路或機場主管機關之鋪面管理系統中，以期藉由抗滑力之監控，有效消除肇事潛因，大幅提高運輸安全。2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.

參考文獻2éô--w/bbs.3c3t.com,WµÜ˜w¤L.
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