基于胎路紋理變化的瀝青路面力學(xué)性能衰減分析方法

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 O313.5 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）04-0102-03

0 引言

道路工程作為我國交通運輸?shù)闹匾d體，其重要性不言而喻，按力學(xué)性能可將我國現(xiàn)有的路面分為剛度低，強度笑，彎沉大，對基層和路基得作用力大的柔性路面，和剛度大，強度高，彎沉小對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、豎直向下相無限延長，其余層水平相無限延長，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)，層間無摩擦力（滑動體系）。

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

（5）不計各層自重。

顯然，在柔性路面設(shè)計過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，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算得到的胎路接觸面積模擬輪胎實際接觸情況，激光輪廓儀采集的3個級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，再采用動態(tài)摩擦測試儀對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)計學(xué)參數(shù)找出瀝青路面力學(xué)性能表征參數(shù)，并對不同抗滑結(jié)構(gòu)的瀝青路面力學(xué)性能衰變進行分析。

1 胎路接觸的力學(xué)機理

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)機理，也就是研究輪胎-路面之間的摩擦形成機理，對評價不同抗滑結(jié)構(gòu)的瀝青路面的抗滑性能以及對瀝青路面的設(shè)計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]，在車輛行進過程中，輪胎路面之間的相對滑動產(chǎn)生的剪切力大于胎面橡膠剪切強度時，相對較軟的橡膠表面會發(fā)生犁溝作用，這一點與金屬之間的摩擦相似，多數(shù)學(xué)者也同樣是通過金屬摩擦學(xué)的相關(guān)知識對這種現(xiàn)象進行解釋，有學(xué)者通過電子顯微鏡對輪胎表面進行觀察，確實發(fā)現(xiàn)了切削痕跡，印證了對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路面抗滑產(chǎn)生影響。此外，微凸體的排列方式、大小也會對摩擦力產(chǎn)生影響。在修筑瀝青路面時，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)兩個物體相互靠近時，在距離非常近的情況下物體間接觸面會產(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，輪胎與路面集料間也會產(chǎn)生范德華力。范德華力會對胎路間摩擦做出一定貢獻，當(dāng)胎路實際接觸面積增大時，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摩擦力的貢獻與實際接觸面積有關(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，胎路間會發(fā)生黏著作用[5]。經(jīng)過對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將輪胎滾動過程中胎路接觸面分為兩個區(qū)域，即黏附區(qū)和滑動區(qū)，黏附區(qū)表示輪胎滾動時靠近路面與路面接觸的一側(cè)，滑動區(qū)則表示遠(yuǎn)離路面的一側(cè)[4]。由于黏著作用的存在，行駛過程中，滑動區(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。黏著分量與胎路實際接觸面積、接觸面材料特性以及接觸面的壓強分布有關(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，而滑動區(qū)則因為胎路間壓力消失而恢復(fù)彈性變形。車輛停在水平路面上時，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。在車輛行駛過程中，接觸面應(yīng)力重組，合力不再為零，此時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)時需要對胎路接觸面的積瀝青路面表征形貌進行研究。

2.1.1 胎路接觸面積表征

近年來，隨著測試方法以及測試設(shè)備的進步，對胎路實際接觸特性的表征也更加準(zhǔn)確。在國內(nèi)，俞淇[6]等采用壓力板法對兩種規(guī)格子午線輪胎進行靜負(fù)載測試，在改變胎壓、負(fù)載以及臺面花紋的情況下，測量輪胎接地壓力分布，并對測試數(shù)據(jù)進行了可視化處理，可為接地壓力分布計算提供實測數(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模擬實際輪胎接地特性，對仿真結(jié)果進行處理后，得到輪胎接地面積公式，提出了接地形狀系數(shù)的概念。但分析過程中道路有限元分析模型是簡化的道路模型，與實際情況還有所差別。胡小弟[8-9]利用自主研發(fā)的輪胎接地壓力測試儀，在改變輪胎胎壓、花紋以及上部荷載的情況下，測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行了輪胎路面實際接觸面積的研究，并根據(jù)實際輪胎接觸壓強的大致范圍確定了使用LLW和LLLW型壓力膠片紙進行胎路實際接觸面積測試。張肖寧、孫楊勇[11]利用自主研發(fā)的激光微距測量系統(tǒng)，測量集料表面紋理，并基于MATLAB平臺計算分形維數(shù)，以分形維數(shù)的大小對路表微觀紋理進行粗糙度評價，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)計中的控制范圍，此外國外的道路學(xué)者也對此進行了相關(guān)研究，提出了許多測試方法[12-13]。

2.1.2 瀝青路面形貌表征

研究人員對瀝青路面形貌進行了諸多研究，采用不同參數(shù)表征路表紋理，在瀝青路面設(shè)計、驗收和養(yǎng)護過程中都考慮了路面紋理對抗滑性能的影響。主要規(guī)定了表述宏觀紋理構(gòu)造深度的兩個參數(shù)，鋪砂法測定的平均構(gòu)造深度MTD[14-15]和激光輪廓儀測定的平均斷面深度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圓面積，體積與這個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是兩個表示紋理高度的參數(shù)，在國際摩擦指數(shù)IFI的計算中使用了這兩個參數(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)評價

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)對數(shù)據(jù)穩(wěn)定性進行分析時，可消除測量尺度和數(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)計關(guān)系的強弱程度，該文計算不同參數(shù)Pearson簡單相關(guān)系數(shù)以反映不同變量之間統(tǒng)計關(guān)系的強弱。世界道路協(xié)會路表特性技術(shù)委員會PIARC對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)。通過對不同路面紋理參數(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)定性分析評價

測試三塊板的MTD、BPN以及動態(tài)摩擦系數(shù)COF，通過相關(guān)性分析對COF數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進行驗證。

3.3 宏觀紋理參數(shù)與抗滑指標(biāo)的相關(guān)性

通過對測試三塊板的宏觀紋理參數(shù)通過相關(guān)性分析，找出各個路面紋理參數(shù)與抗滑指標(biāo)的相關(guān)性。

4 結(jié)論

該文通過總結(jié)輪胎路面接觸時的力學(xué)機理及測試方法、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，具體為通過對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，評估其力學(xué)性能衰變，最后通過比較不同結(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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