馬 林，羅志光，李寶強(qiáng)，陳 搏，馮元生

(1. 廣東省公路建設(shè)有限公司,廣東 廣州 510600；2.廣東省公路建設(shè)有限公司江羅分公司,廣東 廣州 510699；3.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)

0 引言

由于隧道洞內(nèi)空間狹小，施工前期通風(fēng)困難，水泥混凝土以其施工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低、污染小、防火性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)特長(zhǎng)隧道的主要路面鋪裝結(jié)構(gòu)。由于隧道內(nèi)部密閉環(huán)境的濕度較大，水泥混凝土路面的砂漿耐磨性能較弱，隧道渠化交通程度較高，使得隧道水泥路面摩擦系數(shù)及耐久性明顯低于瀝青路面[1-2]。為了改善水泥路面的抗滑能力，一般使用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法增加路面粗糙度，傳統(tǒng)的做法有拉毛、拋丸、銑刨、刻槽等，近年來(lái)也有金剛石研磨、金剛砂水泥漿、露石水泥混凝土等處理方法，但因?yàn)樵靸r(jià)偏高、技術(shù)不成熟而難以大面積推廣應(yīng)用[3-5]。2012年國(guó)內(nèi)引進(jìn)了加拿大皇家空軍(RCAF)溫莎軍用機(jī)場(chǎng)跑道高仿形紋理化處理機(jī)車(chē)工作原理，研發(fā)了一種新型的弧形紋理化工藝與設(shè)備。近幾年在國(guó)內(nèi)湖北，浙江，廣東等省份完成了多項(xiàng)工程施工，包括張涿高速、增從高速、京珠北高速、廣河高速、江羅高速、江肇高速等長(zhǎng)大隧道或匝道水泥混凝土路面，取得良好的應(yīng)用效果[6-7]。

為了保證高等級(jí)路面行車(chē)安全，2014版水泥路面施工細(xì)則在原單一構(gòu)造深度指標(biāo)基礎(chǔ)上增加了橫向力系數(shù)指標(biāo)。橫向力系數(shù)可以直接反映路面抗滑性能，但是該設(shè)備昂貴，且對(duì)檢測(cè)路段長(zhǎng)度要求較高，屬于事后的評(píng)價(jià)，難以在設(shè)計(jì)階段對(duì)路面抗滑紋理提供指導(dǎo)建議。諸多研究表明，路面抗滑性能是道路的表面構(gòu)造、汽車(chē)輪胎、環(huán)境條件等多種因素綜合作用的結(jié)果[8-10]。而歸根到底，胎/路摩擦阻力來(lái)源于輪胎與路面的接觸界面，因此，其接觸特性是影響抗滑力的關(guān)鍵[11-12]。

因此，本研究采用近年來(lái)的高精度壓力膠片技術(shù)，獲取輪胎與新型紋理化路面的接觸印痕，使用MATLAB矩陣實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提出基于胎/路接觸特性的路面粗糙度評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于接觸力學(xué)角度驗(yàn)證路面紋理化構(gòu)造的有效性，以期為優(yōu)化水泥混凝土路面抗滑構(gòu)造設(shè)計(jì)與抗滑性能評(píng)價(jià)提供參考借鑒。

1 壓力膠片測(cè)試技術(shù)

1.1 原理簡(jiǎn)介

日本某公司在膠片產(chǎn)業(yè)有著很高的技術(shù)力量，研究采用其生產(chǎn)的Prescale壓力膠片。Prescale膠片主要應(yīng)用化學(xué)物質(zhì)受壓后的顯色反應(yīng)原理，通過(guò)在兩張膠片上分別涂膜微囊劑，其中一種為發(fā)色物質(zhì)，另一種為顯色物質(zhì)。不同壓力作用下，微囊劑破損程度不同，導(dǎo)致不同劑量的化學(xué)物質(zhì)參與顯色反應(yīng)，因而顏色密度有明顯區(qū)別[12]。Prescale膠片厚度極薄，單張膠片不足0.1 mm；其測(cè)量能識(shí)別的最小單元為0.125 mm×0.125 mm，因而可以較好地分辨路表宏觀與微細(xì)觀紋理對(duì)輪胎橡膠的嵌擠作用。膠片顯色反應(yīng)如圖1所示。

圖1 壓力膠片示意圖Fig.1 Schematic diagram of pressure film

采用雙片型膠片測(cè)試胎路的接觸應(yīng)力，輪胎接地印痕的顏色密度值經(jīng)過(guò)專(zhuān)用軟件處理后，形成數(shù)值量化的二維矩陣數(shù)據(jù)，如式(1)的形式表示。

(1)

式中，F(xiàn)(X,Y)為總接觸壓力值；f(M,N)為單點(diǎn)接觸區(qū)域內(nèi)的接觸應(yīng)力均值。

1.2 誤差分析

試驗(yàn)獲得的3張壓力膠片圖像，每1張都在推薦的時(shí)間內(nèi)分別重復(fù)掃描10次，每次掃描都必須重新標(biāo)定顏色密度與壓力的換算標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，然后選擇輸出各個(gè)壓力區(qū)間所對(duì)應(yīng)的接觸面積指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，從而進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的各類(lèi)誤差分析，誤差結(jié)果如圖2所示。壓力膠片可以較靈敏地采集到各個(gè)壓力區(qū)間的數(shù)據(jù)，重復(fù)試驗(yàn)的穩(wěn)定性較好，重復(fù)試驗(yàn)誤差在±5%以?xún)?nèi)。

圖2 膠片試驗(yàn)誤差Fig.2 Test error of pressure film

2 胎/路抗滑摩擦機(jī)理分析

隨著對(duì)胎/路接觸作用與抗滑機(jī)理的深入研究，發(fā)現(xiàn)輪胎抗滑力來(lái)源于胎/路接觸界面，界面特性的變化是最直接的影響因素[12-13]。胎/路接觸界面特性主要包括兩個(gè)因素，一是有效接觸面積，二是接觸應(yīng)力狀態(tài)[14-15]。從整體的宏觀界面來(lái)看，為了平衡車(chē)輛荷載作用，輪胎發(fā)生整體下沉變形已達(dá)到受力平衡狀態(tài)，主要體現(xiàn)在印痕的寬度與長(zhǎng)度變化。從界面內(nèi)部特征分析，路面的宏觀構(gòu)造、細(xì)觀尖銳棱角與破裂面的微觀紋理，加上胎面縱橫向交錯(cuò)的花紋，因而接觸界面呈現(xiàn)嚴(yán)重的非均勻受力狀態(tài)。路面的突起構(gòu)造與胎面橡膠發(fā)生咬合作用，其產(chǎn)生的嚙合作用力便決定了路面的抗滑力。

根據(jù)橡膠摩擦學(xué)理論，輪胎摩擦力主要由黏附力分量與阻滯力分量組成，如圖3所示[16]。其黏著摩擦因數(shù)與阻滯摩擦因數(shù)可表示為：

(2)

(3)

式中，μa為胎/路的黏著摩擦因數(shù)；Fa為黏附摩擦力；μh為胎/路的阻滯摩擦因數(shù)；Fh為阻滯摩擦力；Ai為輪胎的實(shí)際接觸面積。路面構(gòu)造的微觀紋理越豐富，則黏著摩擦因數(shù)越大，形成的黏附摩擦力越大。阻滯摩擦力伴隨著輪胎與粗糙構(gòu)造接觸產(chǎn)生的胎面體積變形導(dǎo)致的能量損失而出現(xiàn)，主要與宏觀構(gòu)造豐富度和胎面橡膠硬度有關(guān)。高速與雨天行車(chē)環(huán)境下，微觀紋理產(chǎn)生的黏附力較弱，路面抗滑性能主要由阻滯摩擦力產(chǎn)生。

圖3 路面摩擦力組成Fig.3 Composition of pavement friction

3 依托項(xiàng)目概況

廣東省江羅高速(江門(mén)至羅定)公路的兩座特長(zhǎng)隧道王北凹隧道(左幅3 751 m，右幅3 713 m)和三岔頂隧道(左幅3 191 m，右幅3 192 m)均采用水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)。隧道水泥混凝土路面建設(shè)時(shí)，引進(jìn)了新型的弧形紋理化技術(shù)。該技術(shù)使用等壓無(wú)切削的錐形刀頭對(duì)硬化路面進(jìn)行刻紋，紋理化處理后的水泥混凝土路面為連續(xù)的縱向條帶槽紋，與傳統(tǒng)刻槽不同的是該槽紋斷面呈弧形，深度0.4～3 mm，紋理寬度5～9 mm。紋理化示意與施工后效果如圖4所示。

圖4 新型紋理化技術(shù)Fig.4 New textured technology

隧道出入口分別設(shè)置300 m瀝青混凝土過(guò)渡段，瀝青膠結(jié)料為殼牌SBS改性瀝青，粗集料為廣東河源輝綠巖碎石。混合料為改進(jìn)型骨架密實(shí)GAC-16結(jié)構(gòu)，油石比4.8%，生產(chǎn)配合百分比為：12～18 mm 碎石∶6～12 mm碎石∶4～6 mm碎石∶0～4 mm機(jī)制砂∶礦粉∶水泥=40∶25∶6∶25∶3.0∶1.0。

4 基于壓力膠片技術(shù)的抗滑性能評(píng)價(jià)

4.1 試驗(yàn)流程

4.1.1試驗(yàn)輪胎的選擇

采用代表性較好的輕型貨車(chē)輪胎，具體輪胎結(jié)構(gòu)參數(shù)為：斷面寬度177.8 mm，輪輞直徑406.4 mm，單輪標(biāo)準(zhǔn)荷載13.2 kN，額定氣壓770 kPa。根據(jù)前期已有試驗(yàn)研究，為了保證輪胎與路面的充分接觸，同時(shí)考慮實(shí)際道路超載情況，本次試驗(yàn)采用超載20%工況(即單輪負(fù)荷為15.8 kN)，輪胎氣壓采用標(biāo)準(zhǔn)胎壓。為減少對(duì)試驗(yàn)輪胎的磨損，試驗(yàn)車(chē)輛在測(cè)試前進(jìn)行輪胎更換工作，以保證試驗(yàn)的精確度。

4.1.2壓力膠片規(guī)格的選擇

由于單規(guī)格壓力膠片量程的限制，單一規(guī)格膠片難以獲取完整的輪胎接地應(yīng)力。根據(jù)前期測(cè)試研究成果，載重汽車(chē)子午線(xiàn)輪胎與實(shí)際路面的接觸應(yīng)力值主要處于0～10 MPa區(qū)間。根據(jù)本研究的試驗(yàn)輪胎需要，需選擇多種規(guī)格膠片，主要型號(hào)為：LLLW(0.2～0.6 MPa)、LLW(0.5～2.5 MPa)、LW(2.5～10 MPa)。

4.1.3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)主要對(duì)隧道洞口瀝青路面、隧洞內(nèi)水泥混凝土一般段等位置進(jìn)行壓力膠片測(cè)試，并在同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造深度的測(cè)定，如圖5所示。

圖5 壓力膠片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.5 Field test of pressure film

4.1.4室內(nèi)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證隧道紋理化水泥混凝土路面的合理性，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)成型水泥混凝土車(chē)轍板試件，待養(yǎng)生成型后，采用PMW400-500 電液式脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)輪胎施加靜載，獲取未進(jìn)行紋理化試件和刻槽(槽寬4 mm，間距25 mm，槽深4 mm)試件表面的輪胎接觸應(yīng)力，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖6。

圖6 壓力膠片室內(nèi)試驗(yàn)Fig.6 Laboratory test of pressure film

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)超車(chē)道的入口瀝青路面(K219+ 110)、紋理化水泥路面起點(diǎn)段(K219+950)、水泥路面一般段(K221+200)、出口瀝青段(K222+200)的輪跡帶位置取點(diǎn)檢測(cè)，采用人工鋪砂法采集路面構(gòu)造深度指標(biāo)，采用載重汽車(chē)加載獲取試驗(yàn)輪胎與實(shí)際路面的接觸應(yīng)力分布。

4.2.1紋理化路面構(gòu)造深度

根據(jù)實(shí)測(cè)的路面構(gòu)造深度值，由圖7可見(jiàn)，出入口瀝青路面過(guò)渡段構(gòu)造深度略小于隧洞紋理化水泥路面，各點(diǎn)構(gòu)造深度均處于0.8～1.0 mm范圍，而刻槽路面構(gòu)造深度最大，高于瀝青路面與紋理化路面，但都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

圖7 隧道路面構(gòu)造深度Fig.7 Texture depth of tunnel pavement

4.2.2壓力膠片測(cè)試結(jié)果分析

汽車(chē)輪胎橡膠為典型的黏彈性材料，其充氣結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致輪胎在荷載作用下發(fā)生豎向變形。而實(shí)際路面的粗糙構(gòu)造與輪胎花紋表面接觸，尖銳的構(gòu)造峰對(duì)胎面橡膠產(chǎn)生嵌擠與咬合作用，因此其實(shí)際接觸狀態(tài)與傳統(tǒng)認(rèn)為的完全接觸差異明顯，輪胎接觸印痕如圖8所示。分別計(jì)算不同路面的有效接觸面積與平均接觸壓力，見(jiàn)表1。

圖8 不同路面的輪胎接觸印痕Fig.8 Tire contact prints on different pavements

表1 壓力膠片測(cè)試結(jié)果Tab.1 Measuring result of pressure film

根據(jù)壓力膠片測(cè)試結(jié)果(表1)，相同荷載與輪胎下，胎/路接觸印痕的長(zhǎng)度與寬度基本不變，而不同路面由于表面構(gòu)造粗糙度的差別，導(dǎo)致輪胎有效接觸面積各不相同。光面水泥板上的輪胎有效接觸面積最大，刻槽路面次之，紋理化路面與瀝青路面較接近，均為最小。根據(jù)單輪荷載計(jì)算有效接觸面積內(nèi)的平均接觸壓力，其規(guī)律與有效接觸面積規(guī)律一致。其中光面水泥板的平均接觸壓力最小，略高于均布荷載0.7 MPa，主要是因?yàn)檩喬セy塊導(dǎo)致的接觸應(yīng)力集中的影響；紋理化路面與瀝青路面最大，明顯高于光面水泥板與刻槽路面，說(shuō)明路面構(gòu)造的粗糙度影響較大。

根據(jù)壓力膠片測(cè)試結(jié)果，可以明顯看到，當(dāng)路面光滑平整時(shí)，輪胎與路面的有效接觸區(qū)域?yàn)橥耆浞纸佑|，印痕間隙主要取決于胎面花紋塊的影響。而在粗糙路面上，由于突起構(gòu)造的宏觀、微觀紋理的存在，導(dǎo)致輪胎印痕中出現(xiàn)很多空隙，與路面構(gòu)造的開(kāi)口空隙及構(gòu)造深度有關(guān)。從試驗(yàn)的角度驗(yàn)證了Persson推演接觸理論的準(zhǔn)確性[17]，輪胎與路面接觸狀態(tài)示意如圖9所示。為了評(píng)價(jià)路表粗糙構(gòu)造對(duì)胎路接觸程度的影響，排除輪胎花紋塊的干擾，提出采用實(shí)際路面的有效接觸面積與光面水泥板的輪胎接觸面積的百分比值表征路表構(gòu)造接觸充分程度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(4)

式中，ks為胎/路有效接觸率；As為實(shí)際路面的有效接觸面積；A0為光滑平面的輪胎接觸面積。

圖9 輪胎與路面的接觸狀態(tài)Fig.9 Contact status between tire and pavement

計(jì)算不同路面的有效接觸率指標(biāo)，如圖10所示。其中紋理化路面的有效接觸率最小，瀝青路面次之，刻槽路面最大，說(shuō)明輪胎與紋理化路面的為較顯著的非充分接觸狀態(tài)，與瀝青路面的接觸狀態(tài)接近，有效接觸率為70%左右；而刻槽路面上的有效接觸率約為85%，說(shuō)明刻槽路面構(gòu)造粗糙度低于瀝青路面與紋理化路面。

圖10 不同路面的有效接觸率Fig.10 Effective contact rates of different pavements

4.2.3基于接觸力學(xué)的抗滑性能評(píng)價(jià)

根據(jù)胎/路接觸抗滑機(jī)理，潮濕路面上的抗滑摩擦力主要由阻滯力分量提供。而粗糙路面構(gòu)造對(duì)輪胎的嚙合作用產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中效應(yīng)，文獻(xiàn)[18]對(duì)瀝青路面的應(yīng)力集中效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出應(yīng)力分布集中度指標(biāo)量化表征胎/路接觸應(yīng)力集中現(xiàn)象，計(jì)算公式如下：

(5)

式中，S為應(yīng)力分布集中度；A′為應(yīng)力集中區(qū)域，采用1.8 MPa以上的應(yīng)力值計(jì)算應(yīng)力集中；A為輪胎與路面的有效接觸區(qū)域；f(x,y)為胎/路界面的單點(diǎn)接觸應(yīng)力。

由圖11可見(jiàn)，出入口的瀝青路面表面的應(yīng)力分布集中度值最高，均約達(dá)70%以上；紋理化路面次之，約為60%～70%；刻槽路面最小，僅達(dá)到40%左右。而在無(wú)構(gòu)造光面水泥板上，輪胎應(yīng)力分布集中度為17.12%，主要由胎面花紋塊邊部的應(yīng)力集中導(dǎo)致。這說(shuō)明實(shí)際路面的粗糙構(gòu)造對(duì)輪胎接觸應(yīng)力的集中效應(yīng)不容忽視，而紋理化工藝明顯提高了路面構(gòu)造粗糙度，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)刻槽路面，甚至接近瀝青路面的紋理狀態(tài)。

圖11 不同路面的應(yīng)力分布集中度Fig.11 Stress concentrations of different pavements

4.3 接觸應(yīng)力集中與橫向力系數(shù)的相關(guān)性

對(duì)依托工程紋理化路段與進(jìn)出口瀝青路面過(guò)渡段采用橫向力系數(shù)車(chē)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)溫度與速度修正，并與某項(xiàng)目C40矩形刻槽路面進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同路面的橫向力系數(shù)Tab.2 SFCs of different pavements

由表2可得，不同路面的橫向力系數(shù)水平差異明顯，其中紋理化路面橫向力系數(shù)均處在優(yōu)良水平，合格率100%，略小于瀝青路面的3.3SFC，而刻槽路面的橫向力系數(shù)最低，小于瀝青路面11.1SFC。這說(shuō)明相比傳統(tǒng)刻槽工藝，紋理化工藝可以有效提升水泥路面的抗滑性能。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的輪胎接觸應(yīng)力分布集中度指標(biāo)與該路段橫向力系數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖12所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)為0.857，說(shuō)明輪胎接觸應(yīng)力分布集中度與路面橫向力系數(shù)具有良好的線(xiàn)性相關(guān)性。因此，基于接觸力學(xué)提出的應(yīng)力分布集中度可以作為表征紋理化水泥混凝土路面抗滑性能的指標(biāo)。采用壓力膠片試驗(yàn)方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，試驗(yàn)操作便捷，可方便開(kāi)展不同路面抗滑性能評(píng)價(jià)。

圖12 應(yīng)力集中與SFC的關(guān)系Fig.12 Relationship between stress concentration and SFC

5 結(jié)論

(1)基于輪胎的有效接觸特性，提出的有效接觸率指標(biāo)可以很好地表征汽車(chē)輪胎與路表構(gòu)造接觸的充分程度，輪胎的有效接觸率值越小，表明輪胎接觸界面的路表構(gòu)造越粗糙。

(2)從接觸力學(xué)的角度研究了胎/路接觸應(yīng)力集中現(xiàn)象，瀝青路面與紋理化水泥路面的應(yīng)力集中效應(yīng)均比刻槽路面、光面水泥板更加顯著，也驗(yàn)證了紋理化措施對(duì)路表粗糙構(gòu)造塑造的可行性。

(3)應(yīng)力分布集中度指標(biāo)與橫向力系數(shù)之間具有良好的線(xiàn)性相關(guān)性，粗糙構(gòu)造對(duì)輪胎橡膠的嚙合作用產(chǎn)生的應(yīng)力集中有助于提高路面的抗滑水平，可以采用應(yīng)力分布集中度指標(biāo)評(píng)價(jià)水泥混凝土路面的抗滑性能。壓力膠片測(cè)試技術(shù)穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單，為水泥路面的抗滑性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化提供了新的思路。