水泥混凝土路面抗滑性能的影響因素分析

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

引言

水泥混凝土路面由于其強度大、耐久性能好、運營養(yǎng)護方便等特點在我國公路建設中得到了大量的使用。同時，公路建設過程中對于水泥混凝土路面需要設置一定比例的伸、縮縫防止出現(xiàn)大面積的道路病害[1,2]。對于長久使用的水泥混凝土路面，其表面會出現(xiàn)各種各樣的病害：路面板的開裂、破損和路面整體的坑槽等[3]。這些病害的出現(xiàn)嚴重影響了汽車行駛的安全性能，部分路面抗滑性能的下降顯著增加了交通事故發(fā)生的概率[4,5]。

國內(nèi)外學者針對混凝土路面抗滑性能的分析已做過相應的研究[6-8]。胡勤[9]探討了混凝土路面紋理化施工的技術難點和原理，闡述了紋理化施工在現(xiàn)代道路建設中的重要性。孟勇軍等[10]針對桂北地區(qū)的混凝土道路結冰的危害，通過室內(nèi)的車轍試驗，分析了影響路面抗滑性能的因素。劉艷軍等[11]從路面構造深度和影響路面摩擦系數(shù)兩個方面分析了隧道水泥混凝土路面的抗滑性能。本文主要從組成水泥混凝土的水泥砂漿、路面的刻槽深度、中心間距三個方面探討其對水泥混凝土路面抗滑性能的影響。

一、水泥混凝土路面抗滑機理分析

汽車行駛的安全性能與很多因數(shù)有關，其中道路路面的抗滑性能是汽車能夠安全駕駛的關鍵因素[12,13]。

（一）當車輛在上坡方向時，其受力情況如下圖1 所示：

如圖1 所示，當車輛在上坡段行駛時，其主要受到的力有：車輛的動力（牽引力）Ffalse、車輛輪胎與地面的摩擦力F1、車輛的自重G和斜坡對車輛的反作用力F2。根據(jù)受力平衡可得：

上式中：θ、μ分別為斜坡的傾角、輪胎的摩擦系數(shù)；m、a分別為汽車的質(zhì)量和加速度。從圖1 的受力分析可以發(fā)現(xiàn)：車輛在上坡段的動力主要是其驅(qū)動力提供；同時，汽車的輪胎與斜坡的摩擦力使得車輛能夠正常行駛，當摩擦力很小時，車輛會在斜坡上打轉(zhuǎn)，無法行進。

（二）當車輛在下坡時，其受力情況如下圖2 所示：

圖2 車輛減速下坡時的受力分析Fig.2 Force analysis of vehicles decelerating downhill

如圖2 所示，車輛的受力平衡方程為：

從圖2 汽車下坡的受力分析可知：汽車的制動力完全是由輪胎與地面的摩擦力提供，且當汽車踩剎車時，此時的摩擦力是輪胎與地面的滑動摩擦。

（三）當車輛在彎道行駛時，其受力情況如下圖3 所示：

圖3 彎道車輛受力分析Fig.3 Stress analysis of vehicles in curve

此時的受力平衡方程為：

上式中：f1、f2分別為輪胎與地面在不同方向上的摩擦力；F、F2分別為車輛的驅(qū)動力和路面對車輛的反作用力。

車輛在轉(zhuǎn)彎的過程中由于車速過快會產(chǎn)生滑移的現(xiàn)象。根據(jù)動能定理可知：當車輛行駛的速度時，此時的橫向摩擦力為0；當車輛的速度大于v0時，此時單獨考車輛的自重無法滿足車輛的向心力的要求，需要考慮輪胎與地面的摩擦力提供一部分的向心力；當車輛速度繼續(xù)增加到時，即，則車輛此時會出現(xiàn)向外側(cè)的滑移現(xiàn)象。

二、水泥砂漿對水泥混凝土路面抗滑性能影響

（一）水灰比對水泥砂漿流變性能的影響

水泥砂漿作為水泥混凝土路面的主要材料，其流變性能直接影響著混凝土路面的相關性能[14-16]。本文通過不同骨料的水泥砂漿性能測試，分析水灰比對水泥砂漿流變性能的影響。本文設計的標準砂和機制砂在不同水灰比的情況下水泥砂漿的屈服應力和流動度情況如下圖4 所示：

圖4 水灰比對水泥砂漿流變性能的影響Fig.4 Effect of water-cement ratio on rheological properties of cement mortar

從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)：標準砂和機制砂制備的水泥砂漿屈服應力與水灰比呈相反的關系，機制砂的變化幅度明顯大于標準砂，主要是由于機制砂增加了水泥砂漿的最大屈服應力，而當水灰比增加到大于0.65 時，機制砂與標準砂的屈服應力基本相同。其次，水泥砂漿的流動性能隨著水灰比的增加呈現(xiàn)正向的關系。主要是由于水灰比增加時會導致水泥砂漿中的自由水增加，自由水的存在減小了內(nèi)部顆粒之間的摩擦，使得砂漿的流動性能增加。

（二）水泥砂漿流變性能對混凝土路面抗滑性能的影響

表1 所示為不同水灰比下水泥砂漿的屈服應力和相應的磨損量

表1 不同水灰比下水泥砂漿的屈服應力和磨損量Table 4 Yield stress and abrasion of cement mortar under different water-cement ratios

從表1 中可以發(fā)現(xiàn)：相同水灰比配比下，機制砂的屈服應力大于標準砂，機制砂的磨損量小于標準砂；隨著水灰比的增加，機制砂拌和的水泥砂漿屈服應力逐漸降低，磨損量逐漸增加。

圖5 不同砂的單位面積磨損量與其屈服應力關系Fig.5 Relationship between the wear per unit area of different sand and its yield stress

圖5 所示為不同砂的單位面積磨損量與其屈服應力的關系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：不同砂拌和制得的水泥砂漿磨損量與砂漿的屈服應力呈反向關系，而且砂漿的屈服應力和其磨損量可以擬合為線性關系。因此，為了能夠使水泥混凝土路面有良好的抗滑性能，可以選擇機制砂作為水泥混凝土的拌合料。

三、水泥混凝土刻槽路面抗滑性能分析

（一）抗滑力模型的建立

本文采用Abaqus 有限元分析軟件對汽車的輪胎和汽車與水泥混凝土接觸進行建模分析。具體的輪胎模型如圖6 所示：

圖6 輪胎網(wǎng)格劃分圖Fig.6 Tire mesh map

根據(jù)實際的路面情況分析路面的刻槽寬度、深度和刻槽中心間距對水泥混凝土路面的影響。具體的刻槽參數(shù)如表2 所示。

表2 路面模型中刻槽構造的結構參數(shù)Table 2 Structural parameters of groove construction in pavement model

對汽車與水泥混凝土路面的邊界條件進行假定后，輪胎與混凝土路面的接觸為矩形，其接觸模型如圖7 所示。

圖7 輪胎單元與路面接觸云圖Fig.7 Cloud image of tire unit in contact with road surface

（二）抗滑性能有限元計算模型分析

本文為研究水泥混凝土路面的抗滑性能，分別測試了不同刻槽深度、刻槽中心間距對其橫向力系數(shù)（SFC）的影響。具體的測試結果如下圖8 所示。

圖8 刻槽間距對路面橫向力系數(shù)的影響Fig.8 Influence of notch spacing on the lateral force coefficient of pavement

從圖8 可以看出：隨著水泥混凝土刻槽中心間距的逐漸增加，其橫向力系數(shù)逐漸減少。其主要原因是當刻槽間距減小時，路面的刻槽更加密集，則水泥混凝土路面會更粗糙，增加了其摩擦系數(shù)，使得車輛和混凝土路面的摩擦更多，也進一步的增加了路面的抗滑性能?？傮w來說：當刻槽中心間距為15mm 時，其路面的橫向力系數(shù)為55～58，相對于刻槽中心間距為20mm 和25mm，其路面橫向力系數(shù)分別高出5和9。

圖9 不同刻槽寬度的水泥混凝土路面的橫向力系數(shù)Fig.9 Coefficient of lateral force of cement concrete pavement with different groove width

圖9 所示為不同刻槽寬度對水泥混凝土路面的橫向力系數(shù)影響關系。從圖9 中可以看出：刻槽寬度越大的水泥混凝土路面，其橫向力系數(shù)相對較大?？滩蹖挾葹?mm 時，其橫向力系數(shù)為48～54，；而刻槽寬度為3mm 時，其橫向力系數(shù)為39～42。其主要的原因是刻槽寬度越大，水泥混凝土路面的凹槽程度越大，路面的粗糙程度、輪胎與路面的接觸面積等都隨之增加。增大了水泥混凝土路面的抗滑性能。

四、結論

本文探討了水泥混凝土路面的抗滑性能影響因素，得到的結論如下：

1.水灰比作為水泥混凝土的一個重要參數(shù)，對水泥砂漿的屈服應力和磨損量有很大的影響。在制備水泥混凝土的過程中，其磨損量隨著水泥砂漿屈服應力的增加逐漸下降，而磨損性能不斷提高。

2.水泥混凝土路面的橫向力系數(shù)隨著刻槽中心間距的不斷增加呈現(xiàn)下降的趨勢，表明增加水泥混凝土路面的刻槽中心間距有利于增加路面的抗滑性能。

3.水泥混凝土路面的橫向力系數(shù)隨著刻槽寬度的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，表明增加水泥混凝土路面的刻槽寬度有利于增加路面的抗滑性能。