基于胎/路嚙合效應(yīng)的水泥混凝土路面抗滑性能評價

羅淑青，陳 博

(1.廣東省公路工程質(zhì)量監(jiān)測中心，廣東 廣州 510515；2.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣東 廣州 510641)

1 胎/路嚙合效應(yīng)

世界道路協(xié)會根據(jù)振幅及波長將水泥混凝土路面紋理分為四類，如表1所示。

表1 水泥混凝土路面紋理分類

影響路面抗滑性能的主要是細觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造。通常，水泥路面細觀構(gòu)造采用麻絮拖掃方式制作，在混凝土整平后的初凝階段，在水泥砂漿表面通過拖拉麻絮清除表面浮漿，并留下細觀印痕，為水泥路面提供主要的表面摩擦系數(shù)。宏觀構(gòu)造主要采用壓紋或刻槽方式獲得，主要提供降雨時的路面排水通道，降低路表水膜，加快輪胎滾動過程的排水速度。

當輪胎橡膠與凹凸不平的路面構(gòu)造接觸時，由于橡膠硬度遠低于路表構(gòu)造強度，加上輪胎內(nèi)部為非實體的充氣結(jié)構(gòu)，因此橡膠輪胎在路面構(gòu)造刺入部分發(fā)生大變形，同時與構(gòu)造頂部產(chǎn)生擠壓接觸。路面上構(gòu)成宏觀輪廓的凸起構(gòu)造對胎面橡膠產(chǎn)生局部包裹、嵌入式變形，產(chǎn)生構(gòu)造頂部的切向黏附力和法向阻滯力，共同組成胎/路摩擦力。

2 壓力膠片測試技術(shù)

壓力膠片的厚度很薄，各膠片厚度均為90 μm，最小測量區(qū)域為0.125×0.125 mm2。膠片分為兩片，一片上面均勻的涂著微囊劑，另一片上面涂著與膠囊破裂后的試劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的試劑。當對壓力膠片施加壓力時，A膠片的微囊劑破裂，釋放的化學(xué)試劑與C膠片的顯色劑發(fā)生顯色反應(yīng)。不同大小的壓力會使微囊劑化學(xué)物質(zhì)釋放量有所差別，產(chǎn)生的顏色密度也不一樣。最后通過專用掃描軟件FPD-8010Win，可以把顏色密度轉(zhuǎn)換為數(shù)值矩陣進行計算分析。

3 胎/路接觸特性評價指標

(1)有效接觸面積

由于路表構(gòu)造存在溝槽與間隙，隨著路面粗糙度的增加，輪胎與路面構(gòu)造的有效接觸面積會發(fā)生變化。因而，采用壓力膠片響應(yīng)區(qū)域面積來表征輪胎與粗糙路面的實際接觸面積。

(2)印痕輪廓面積

印痕輪廓面積指的是不考慮路面粗糙構(gòu)造，輪胎胎面橡膠與路面完全接觸狀態(tài)下的印痕面積。本文采用光面無構(gòu)造水泥板的輪胎印痕計算輪廓面積。

(3)平均接地壓力值

單輪荷載與接觸面積的比值，定義為平均接地壓力值，以此表征實際路面上的輪胎接觸壓力水平。

(4)應(yīng)力極值

由于壓力膠片系統(tǒng)存在褶皺的噪聲影響，難以獲得粗糙構(gòu)造頂部的應(yīng)力最大值，因此，參考文獻，根據(jù)應(yīng)力值的累計概率分布，以95%分位值作為路面構(gòu)造頂部的接觸應(yīng)力極大值。

4 不同路面構(gòu)造的胎/路嚙合效應(yīng)評價

4.1 現(xiàn)場試驗

(1)根據(jù)《公路工程技術(shù)標準》的規(guī)定，采用輕型貨車走向花紋全鋼絲子午線輪胎作為試驗輪胎，選用單輪負荷15.8 KN、胎壓770 KPa工況進行試驗。

(2)根據(jù)試驗輪胎需要，需選擇多種規(guī)格膠片，主要型號為：LLLW(0.2～0.6 MPa)、LLW(0.5～2.5 MPa)、LW(2.5～10 MPa)。經(jīng)過靜載作用2 min，獲得的膠片印痕。

(3)對近年來用于水泥路面的新型HOG(弧形)紋理化路面(1.5 mm深，8 mm寬，連續(xù)致密)進行測試，并與傳統(tǒng)的縱向刻槽水泥路面(4 mm深，5 mm寬，槽間距22 mm)、橫向刻槽水泥路面(5 mm深，5 mm寬，間距20 mm)、GAC-16瀝青路面進行對比，同時以光面水泥板為參照。

4.2 數(shù)據(jù)分析

分別對不同試驗路段進行壓力膠片試驗，并在對應(yīng)點位分別測量路面構(gòu)造深度與擺值摩擦系數(shù)，測試結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 試驗結(jié)果

(1)有效接觸面積與平均接觸壓力

根據(jù)表2試驗結(jié)果可得，不同路面的輪胎有效接觸面積有明顯差別，其中瀝青路面上的有效接觸面積最小，HOG路面次之，之后為縱向刻槽路面與橫向刻槽路面，而光面水泥板上的輪胎印痕面積最大。說明瀝青路面表面的突起構(gòu)造與輪胎接觸區(qū)域較小，露尖構(gòu)造刺入胎面橡膠，為典型的點接觸狀態(tài)，因而其有效接觸面積最小。而水泥路面中，HOG紋理化工藝較為致密，雖然其深度較小，但是在輪胎接觸界面，依然接觸不到溝槽底部，因而其有效接觸面積也較小。而刻槽路面的構(gòu)造頂部較為平整，輪胎與構(gòu)造頂部基本為完全接觸狀態(tài)，因此面積較大。其平均接觸壓力值規(guī)律與有效接觸面積相反，瀝青路面的輪胎平均接觸壓力值最大，HOG紋理化路面次之，光面水泥板最小。

(2)有效接觸率分析

光面水泥板測試的有效接觸面積為輪胎印痕輪廓面積，定義有效接觸率指標來表征輪胎與粗糙路面接觸的充分程度，如式(1)所示

(1)

式中，A為輪胎與路面的有效接觸面積，mm2；A0為輪胎與光面地面的印痕輪廓面積，mm2。

輪胎橡膠并非完全的柔性結(jié)構(gòu)，而實際路面也并非平整平面，故輪胎與路面的實際接觸并不是完全的充分接觸狀態(tài)。對于瀝青路面，其有效接觸率約為65%，說明在輪胎的有效接觸界面上，約35%的區(qū)域為胎面橡膠懸空無接觸狀態(tài)，而主要為集料與集料之間的縫隙，可以為雨天路面提供排水通道。HOG紋理化路面的有效接觸率略小于瀝青路面，主要與紋理的寬度與深度有關(guān)。縱橫向刻槽路面的接觸率較接近，約為85%，其構(gòu)造間隙主要為矩形溝槽，可通過減小溝槽間距來增加胎/路界面的排水通道。

(3)應(yīng)力極值分析

從輪胎與瀝青路面接觸機理來看，輪胎在宏觀構(gòu)造的粗集料凸起顆粒上產(chǎn)生局部包裹、嵌入式變形，從而導(dǎo)致接觸界面的應(yīng)力集中現(xiàn)象。路面構(gòu)造越粗糙，與輪胎嚙合效應(yīng)越強，產(chǎn)生的峰頂應(yīng)力極值越大。從抗滑性能來說，應(yīng)力集中有助于提高輪胎滑移過程中的阻滯力分量，從而縮短剎車制動距離。路面水膜較薄時，應(yīng)力集中亦有助于通過擠壓作用刺破水膜，增加輪胎與干燥構(gòu)造表面的接觸面積。

采用應(yīng)力極值指標評價胎/路嚙合效應(yīng)，根據(jù)表2可看出，瀝青路面的應(yīng)力極值最大，約5.6 MPa；而HOG紋理化路面的應(yīng)力極值略小，約5.1 MPa；縱橫向刻槽路面的輪胎應(yīng)力極值為3.4 MPa與3.2 MPa，明顯遠小于瀝青路面。說明HOG紋理化處理技術(shù)可以有效提高輪胎與路面的接觸咬合程度。根據(jù)已有研究，路面構(gòu)造越粗糙，輪胎與路表構(gòu)造嵌擠咬合程度越密切，行車制動距離越短，表明路面抗滑性能越好。對于水泥路面，HOG弧形紋理化技術(shù)可以提供致密的粗糙構(gòu)造，相較傳統(tǒng)刻槽方式，HOG紋理化有助于改善水泥路面的粗糙度，提升路面抗滑性能。

4.3 與摩擦系數(shù)的相關(guān)性

為了驗證胎/路接觸特性與抗滑性能指標的相關(guān)性，分別建立構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)與有效接觸面積、應(yīng)力極值的相關(guān)關(guān)系模型，見表3。雖然構(gòu)造深度與摩擦系數(shù)均能跟胎/路有效接觸面積、應(yīng)力極值建立良好的線性相關(guān)關(guān)系，但是相比構(gòu)造深度，摩擦系數(shù)的相關(guān)性更好，其相關(guān)性約0.99。隨著輪胎與路面的有效接觸面積減少，胎/路應(yīng)力極值的增大，路面摩擦系數(shù)增加。說明輪胎與路面的嚙合效應(yīng)有助于提高路面抗滑性能，而胎路有效接觸特性能夠直接反映路面構(gòu)造的粗糙程度。

表3 胎/路接觸特性指標與抗滑性能的相關(guān)性

5 結(jié) 語

基于輪胎與路面的真實接觸作用機理，采用壓力膠片技術(shù)開展汽車輪胎與不同路面的有效接觸特性評價研究，得到以下結(jié)論：

(1)輪胎與路面的接觸狀態(tài)為典型的點接觸狀態(tài)，隨著路面構(gòu)造粗糙度的增加，輪胎有效接觸面積減小，對應(yīng)的平均接觸壓力增大。

(2)根據(jù)輪胎與不同路面的接觸狀態(tài)，建立了有效接觸率指標，可以有效評價輪胎與路面構(gòu)造接觸的充分程度。

(3)輪胎與路面的嚙合效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象有助于提高路面抗滑性能，建立輪胎接觸應(yīng)力極值指標能夠量化評價胎/路嚙合效應(yīng)，相較水泥路面的傳統(tǒng)刻槽方式，HOG紋理化技術(shù)有助于改善水泥路面構(gòu)造的粗糙度，提升路面抗滑能力。

(4)胎/路有效接觸面積與應(yīng)力極值指標能夠表征胎/路接觸特性，其與構(gòu)造深度及摩擦系數(shù)具有良好的相關(guān)性，進一步驗證了胎/路有效接觸特性能夠直接反映路面抗滑水平。