基于胎/路嚙合效應的水泥混凝土路面抗滑性能評價

羅淑青，陳 博

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

1 胎/路嚙合效應

世界道路協會根據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造和宏觀構造。通常，水泥路面細觀構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。宏觀構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造接觸時，由于橡膠硬度遠低于路表構造強度，加上輪胎內部為非實體的充氣結構，因此橡膠輪胎在路面構造刺入部分發生大變形，同時與構造頂部產生擠壓接觸。路面上構成宏觀輪廓的凸起構造對胎面橡膠產生局部包裹、嵌入式變形，產生構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

壓力膠片的厚度很薄，各膠片厚度均為90 μm，最小測量區域為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生化學反應的試劑。當對壓力膠片施加壓力時，A膠片的微囊劑破裂，釋放的化學試劑與C膠片的顯色劑發生顯色反應。不同大小的壓力會使微囊劑化學物質釋放量有所差別，產生的顏色密度也不一樣。最后通過專用掃描軟件FPD-8010Win，可以把顏色密度轉換為數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

由于路表構造存在溝槽與間隙，隨著路面粗糙度的增加，輪胎與路面構造的有效接觸面積會發生變化。因而，采用壓力膠片響應區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造，輪胎胎面橡膠與路面完全接觸狀態下的印痕面積。本文采用光面無構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)應力極值

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

4 不同路面構造的胎/路嚙合效應評價

4.1 現場試驗

(1)根據《公路工程技術標準》的規定，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)根據試驗輪胎需要，需選擇多種規格膠片，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，連續致密)進行測試，并與傳統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 數據分析

分別對不同試驗路段進行壓力膠片試驗，并在對應點位分別測量路面構造深度與擺值摩擦系數，測試結果匯總如表2所示。

表2 試驗結果

(1)有效接觸面積與平均接觸壓力

根據表2試驗結果可得，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造與輪胎接觸區域較小，露尖構造刺入胎面橡膠，為典型的點接觸狀態，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。而刻槽路面的構造頂部較為平整，輪胎與構造頂部基本為完全接觸狀態，因此面積較大。其平均接觸壓力值規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構，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。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%的區域為胎面橡膠懸空無接觸狀態，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?？v橫向刻槽路面的接觸率較接近，約為85%，其構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，輪胎在宏觀構造的粗集料凸起顆粒上產生局部包裹、嵌入式變形，從而導致接觸界面的應力集中現象。路面構造越粗糙，與輪胎嚙合效應越強，產生的峰頂應力極值越大。從抗滑性能來說，應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，增加輪胎與干燥構造表面的接觸面積。

采用應力極值指標評價胎/路嚙合效應，根據表2可看出，瀝青路面的應力極值最大，約5.6 MPa；而HOG紋理化路面的應力極值略小，約5.1 MPa；縱橫向刻槽路面的輪胎應力極值為3.4 MPa與3.2 MPa，明顯遠小于瀝青路面。說明HOG紋理化處理技術可以有效提高輪胎與路面的接觸咬合程度。根據已有研究，路面構造越粗糙，輪胎與路表構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弧形紋理化技術可以提供致密的粗糙構造，相較傳統刻槽方式，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 與摩擦系數的相關性

為了驗證胎/路接觸特性與抗滑性能指標的相關性，分別建立構造深度、摩擦系數與有效接觸面積、應力極值的相關關系模型，見表3。雖然構造深度與摩擦系數均能跟胎/路有效接觸面積、應力極值建立良好的線性相關關系，但是相比構造深度，摩擦系數的相關性更好，其相關性約0.99。隨著輪胎與路面的有效接觸面積減少，胎/路應力極值的增大，路面摩擦系數增加。說明輪胎與路面的嚙合效應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造的粗糙程度。

表3 胎/路接觸特性指標與抗滑性能的相關性

5 結 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，得到以下結論：

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

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

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

(4)胎/路有效接觸面積與應力極值指標能夠表征胎/路接觸特性，其與構造深度及摩擦系數具有良好的相關性，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。