張正基

關(guān)鍵詞 瀝青路面;胎路接觸;力學(xué)性能;相關(guān)性分析

中圖分類號(hào) O313.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）04-0102-03

0 引言

道路工程作為我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)闹匾d體，其重要性不言而喻，按力學(xué)性能可將我國(guó)現(xiàn)有的路面分為剛度低，強(qiáng)度笑，彎沉大，對(duì)基層和路基得作用力大的柔性路面，和剛度大，強(qiáng)度高，彎沉小對(duì)基層與路基得作用力小的剛性路面。瀝青路面作為柔性路面，其設(shè)計(jì)采用雙圓均布荷載作用下的多層彈性連續(xù)體系理論假定：

（1）各層均質(zhì)，連續(xù)，各向同性，線彈性。

（2）最下層水平、豎直向下相無(wú)限延長(zhǎng)，其余層水平相無(wú)限延長(zhǎng)，厚度一定。

（3）各層分界面上得應(yīng)力、位移完全連續(xù)（連續(xù)體系），或豎向應(yīng)力位移連續(xù)，層間無(wú)摩擦力（滑動(dòng)體系）。

（4）各層水平方向無(wú)限遠(yuǎn)處，最下層無(wú)限深處，應(yīng)力位移都為零。

（5）不計(jì)各層自重。

顯然，在柔性路面設(shè)計(jì)過(guò)程中只考慮各層之間豎向荷載作用而并未考慮層間摩擦力，這與實(shí)際情況是不符的，不同層之間顯然存在較大的縱向、橫向?qū)娱g力，特別是作為道路頂面的抗滑面，其與輪胎直接接觸，提供摩擦力驅(qū)動(dòng)汽車。因此，不同的胎路接觸方式、不同的抗滑結(jié)構(gòu)的瀝青路面，顯然會(huì)使得路面表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。

該文以不同結(jié)構(gòu)的瀝青路面使用前后路表宏觀紋理的變化為切入點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有研究胎路接觸特性的研究，提出了根據(jù)路表紋理演化以及摩擦系數(shù)變化研究瀝青路面力學(xué)性能衰減的方法思路：通過(guò)制備不同的抗滑面的瀝青路面試件，利用壓力膠片紙法構(gòu)建的胎路接觸模型計(jì)算得到的胎路接觸面積模擬輪胎實(shí)際接觸情況，激光輪廓儀采集的3個(gè)級(jí)配瀝青路面表觀參數(shù)即宏觀紋理表征瀝青路面抗滑結(jié)構(gòu)特征，再采用動(dòng)態(tài)摩擦測(cè)試儀對(duì)工況的模擬并得出現(xiàn)有路面力學(xué)性能指數(shù)COF，最后選用統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)找出瀝青路面力學(xué)性能表征參數(shù)，并對(duì)不同抗滑結(jié)構(gòu)的瀝青路面力學(xué)性能衰變進(jìn)行分析。

1 胎路接觸的力學(xué)機(jī)理

車輛在路面上行駛，輪胎和瀝青路面之間存在豎向的承載力和與汽車行駛方向相反的摩擦力，因此研究瀝青路面-輪胎接觸的力學(xué)機(jī)理，也就是研究輪胎-路面之間的摩擦形成機(jī)理，對(duì)評(píng)價(jià)不同抗滑結(jié)構(gòu)的瀝青路面的抗滑性能以及對(duì)瀝青路面的設(shè)計(jì)都具有十分重要的意義。目前普遍認(rèn)為抗滑性能主要由以下4個(gè)方面提供[1-2]：

1.1 路面微凸體切削作用

在上部荷載作用下，胎面橡膠與路面緊密接觸，路面表面微突體硬度大于胎面橡膠，導(dǎo)致微凸體嵌入胎面橡膠，出現(xiàn)應(yīng)力集中[3]，在車輛行進(jìn)過(guò)程中，輪胎路面之間的相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的剪切力大于胎面橡膠剪切強(qiáng)度時(shí)，相對(duì)較軟的橡膠表面會(huì)發(fā)生犁溝作用，這一點(diǎn)與金屬之間的摩擦相似，多數(shù)學(xué)者也同樣是通過(guò)金屬摩擦學(xué)的相關(guān)知識(shí)對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行解釋，有學(xué)者通過(guò)電子顯微鏡對(duì)輪胎表面進(jìn)行觀察，確實(shí)發(fā)現(xiàn)了切削痕跡，印證了對(duì)微凸體切削作用的猜想。這種切削作用下產(chǎn)生的阻力被稱為摩擦力分量，微觀紋理的豐富程度決定著接觸面微凸體數(shù)量，微凸體數(shù)量越多胎路間出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置也就越多，切削作用產(chǎn)生的摩擦力也就越大，因此微觀紋理的豐富程度直接對(duì)路面抗滑產(chǎn)生影響。此外，微凸體的排列方式、大小也會(huì)對(duì)摩擦力產(chǎn)生影響。在修筑瀝青路面時(shí)，選擇表面微觀紋理豐富的集料尤為重要。

1.2 分子間作用力

當(dāng)兩個(gè)物體相互靠近時(shí)，在距離非常近的情況下物體間接觸面會(huì)產(chǎn)生一種吸附力，這種吸附力稱之為范德華力。當(dāng)輪胎與路面在上部荷載作用下緊密接觸時(shí)，輪胎與路面集料間也會(huì)產(chǎn)生范德華力。范德華力會(huì)對(duì)胎路間摩擦做出一定貢獻(xiàn)，當(dāng)胎路實(shí)際接觸面積增大時(shí)，輪胎路面間相互接觸的分子數(shù)量必然增多，因此分子間作用力對(duì)摩擦力的貢獻(xiàn)與實(shí)際接觸面積有關(guān)。此外，分子間作用力還與溫度、相互接觸的材料性質(zhì)、接觸面的污染程度有關(guān)[4]。

1.3 黏著作用

在上部荷載作用下，輪胎與路面緊密接觸時(shí)，胎路間會(huì)發(fā)生黏著作用[5]。經(jīng)過(guò)對(duì)輪胎和路面表面的觀察發(fā)現(xiàn)，磨損后的輪胎表面有殘留的路面集料顆粒，同時(shí)在道路表面也發(fā)現(xiàn)了損耗的輪胎橡膠顆粒，這一現(xiàn)象佐證了輪胎路面間黏著作用的存在。此外，輪胎路面間存在著靜電吸引，這也成為了二者間存在黏著作用的又一證明。Fiala-Sakai將輪胎滾動(dòng)過(guò)程中胎路接觸面分為兩個(gè)區(qū)域，即黏附區(qū)和滑動(dòng)區(qū)，黏附區(qū)表示輪胎滾動(dòng)時(shí)靠近路面與路面接觸的一側(cè)，滑動(dòng)區(qū)則表示遠(yuǎn)離路面的一側(cè)[4]。由于黏著作用的存在，行駛過(guò)程中，滑動(dòng)區(qū)需要不斷克服這種黏著作用，這也被稱為摩擦力的黏著分量。黏著分量與胎路實(shí)際接觸面積、接觸面材料特性以及接觸面的壓強(qiáng)分布有關(guān)。

1.4 彈性變形

由于胎面橡膠是一種粘彈性材料，在荷載作用下，與瀝青路面緊密接觸，黏附區(qū)不斷與路面接觸產(chǎn)生彈性變形，而滑動(dòng)區(qū)則因?yàn)樘ヂ烽g壓力消失而恢復(fù)彈性變形。車輛停在水平路面上時(shí)，胎面橡膠與路面表面接觸，發(fā)生變形，接觸面應(yīng)力的合力在水平方向上為零。在車輛行駛過(guò)程中，接觸面應(yīng)力重組，合力不再為零，此時(shí)合力的方向與車輛行駛的方向相反，合力的大小稱之為摩擦力的彈性變形分量。由于不同的胎面橡膠產(chǎn)生的形變也不相同，路面紋理狀態(tài)也會(huì)影響壓力分布，因此影響路面彈性變形的主要影響因素有：胎面花紋分布、路面表面級(jí)配類型等。

2 輪胎—路面接觸特性的研究

2.1 現(xiàn)有胎路接觸特性的試驗(yàn)研究

瀝青路面的力學(xué)性能表現(xiàn)與胎路接觸特性直接相關(guān)，而胎路接觸特性與瀝青路面表征形貌和胎路接觸面積直接相關(guān)。因此，研究力學(xué)性能表現(xiàn)時(shí)需要對(duì)胎路接觸面的積瀝青路面表征形貌進(jìn)行研究。

2.1.1 胎路接觸面積表征

近年來(lái)，隨著測(cè)試方法以及測(cè)試設(shè)備的進(jìn)步，對(duì)胎路實(shí)際接觸特性的表征也更加準(zhǔn)確。在國(guó)內(nèi)，俞淇[6]等采用壓力板法對(duì)兩種規(guī)格子午線輪胎進(jìn)行靜負(fù)載測(cè)試，在改變胎壓、負(fù)載以及臺(tái)面花紋的情況下，測(cè)量輪胎接地壓力分布，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化處理，可為接地壓力分布計(jì)算提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。葛述卿[7]基于ABAQUS建立的輪胎-路面接觸有限元分析模型來(lái)模擬實(shí)際輪胎接地特性，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理后，得到輪胎接地面積公式，提出了接地形狀系數(shù)的概念。但分析過(guò)程中道路有限元分析模型是簡(jiǎn)化的道路模型，與實(shí)際情況還有所差別。胡小弟[8-9]利用自主研發(fā)的輪胎接地壓力測(cè)試儀，在改變輪胎胎壓、花紋以及上部荷載的情況下，測(cè)量了重型貨車和輕型貨車與鋼板間的壓力分布。張淑文[10]等采用壓力膠片紙法進(jìn)行了輪胎路面實(shí)際接觸面積的研究，并根據(jù)實(shí)際輪胎接觸壓強(qiáng)的大致范圍確定了使用LLW和LLLW型壓力膠片紙進(jìn)行胎路實(shí)際接觸面積測(cè)試。張肖寧、孫楊勇[11]利用自主研發(fā)的激光微距測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量集料表面紋理，并基于MATLAB平臺(tái)計(jì)算分形維數(shù)，以分形維數(shù)的大小對(duì)路表微觀紋理進(jìn)行粗糙度評(píng)價(jià)，提出了粗集料的分形維數(shù)指標(biāo)，給出了分形維數(shù)指標(biāo)在瀝青路面抗滑設(shè)計(jì)中的控制范圍，此外國(guó)外的道路學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了許多測(cè)試方法[12-13]。

2.1.2 瀝青路面形貌表征

研究人員對(duì)瀝青路面形貌進(jìn)行了諸多研究，采用不同參數(shù)表征路表紋理，在瀝青路面設(shè)計(jì)、驗(yàn)收和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中都考慮了路面紋理對(duì)抗滑性能的影響。主要規(guī)定了表述宏觀紋理構(gòu)造深度的兩個(gè)參數(shù)，鋪砂法測(cè)定的平均構(gòu)造深度MTD[14-15]和激光輪廓儀測(cè)定的平均斷面深度MPD[16]。

（1）平均構(gòu)造深度MTD。將已知體積的沙子或玻璃球在路面上均勻平鋪成一個(gè)圓面積，體積與這個(gè)面積的比值為平均構(gòu)造深度MTD。

（2）平均斷面深度MPD。將路面斷面取樣長(zhǎng)度平均分成兩段，第一段最高峰值h1與第二段最高峰值h2的平均值與中線高度h的差值為平均斷面深度MPD。MTD和MPD是兩個(gè)表示紋理高度的參數(shù)，在國(guó)際摩擦指數(shù)IFI的計(jì)算中使用了這兩個(gè)參數(shù)[9]。

3 數(shù)據(jù)可靠性和相關(guān)性分析

3.1 路表宏觀紋理參數(shù)評(píng)價(jià)

3.1.1 穩(wěn)定性分析

變異系數(shù)定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，采用變異系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，可消除測(cè)量尺度和數(shù)據(jù)量綱的影響并篩選出胎路接觸指標(biāo)。

3.1.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可以有效地揭示事物之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系的強(qiáng)弱程度，該文計(jì)算不同參數(shù)Pearson簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)以反映不同變量之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系的強(qiáng)弱。世界道路協(xié)會(huì)路表特性技術(shù)委員會(huì)PIARC對(duì)路面抗滑性能研究發(fā)現(xiàn)，同MTD一樣，MPD同樣顯著影響著路面的抗滑性能，兩者都可以作為路面形貌粗糙特性的表征參數(shù)。通過(guò)對(duì)不同路面紋理參數(shù)與MTD和MPD相關(guān)性分析，找出宏觀紋理特征參數(shù)之間的關(guān)系。

3.2 抗滑指標(biāo)參數(shù)穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

測(cè)試三塊板的MTD、BPN以及動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)COF，通過(guò)相關(guān)性分析對(duì)COF數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 宏觀紋理參數(shù)與抗滑指標(biāo)的相關(guān)性

通過(guò)對(duì)測(cè)試三塊板的宏觀紋理參數(shù)通過(guò)相關(guān)性分析，找出各個(gè)路面紋理參數(shù)與抗滑指標(biāo)的相關(guān)性。

4 結(jié)論

該文通過(guò)總結(jié)輪胎路面接觸時(shí)的力學(xué)機(jī)理及測(cè)試方法、瀝青路面的路表形貌指標(biāo)，以及數(shù)據(jù)分析方法，提出了通過(guò)輪胎路面的接觸特性研究瀝青路面紋理以及力學(xué)性能衰變的方法，具體為通過(guò)對(duì)路面宏觀紋理特征參數(shù)與路面形貌粗糙特性表征參數(shù)MTP與MPD的相關(guān)分析，將路面力學(xué)性能量化，可以得到瀝青路面胎路接觸部分結(jié)構(gòu)的表征指標(biāo)，再根據(jù)試驗(yàn)所成的抗滑面試件特征指標(biāo)在一定工況下磨耗前后的變化，評(píng)估其力學(xué)性能衰變，最后通過(guò)比較不同結(jié)構(gòu)，即SMA、AC、OGFC三種抗滑面的力學(xué)性能衰變規(guī)律，得到不同抗滑結(jié)構(gòu)的瀝青路面力學(xué)性能衰變。

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