基于胎路纹理变化的沥青路面力学性能衰减分析方法

张正基

关键词 沥青路面;胎路接触;力学性能;相关性分析

中图分类号 O313.5 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）04-0102-03

0 引言

道路工程作为我国交通运输的重要载体，其重要性不言而喻，按力学性能可将我国现有的路面分为刚度低，强度笑，弯沉大，对基层和路基得作用力大的柔性路面，和刚度大，强度高，弯沉小对基层与路基得作用力小的刚性路面。沥青路面作为柔性路面，其设计采用双圆均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论假定：

（1）各层均质，连续，各向同性，线弹性。

（2）最下层水平、竖直向下相无限延长，其余层水平相无限延长，厚度一定。

（3）各层分界面上得应力、位移完全连续（连续体系），或竖向应力位移连续，层间无摩擦力（滑动体系）。

（4）各层水平方向无限远处，最下层无限深处，应力位移都为零。

（5）不计各层自重。

显然，在柔性路面设计过程中只考虑各层之间竖向荷载作用而并未考虑层间摩擦力，这与实际情况是不符的，不同层之间显然存在较大的纵向、横向层间力，特别是作为道路顶面的抗滑面，其与轮胎直接接触，提供摩擦力驱动汽车。因此，不同的胎路接触方式、不同的抗滑结构的沥青路面，显然会使得路面表现出不同的力学性能。

该文以不同结构的沥青路面使用前后路表宏观纹理的变化为切入点，结合现有研究胎路接触特性的研究，提出了根据路表纹理演化以及摩擦系数变化研究沥青路面力学性能衰减的方法思路：通过制备不同的抗滑面的沥青路面试件，利用压力胶片纸法构建的胎路接触模型计算得到的胎路接触面积模拟轮胎实际接触情况，激光轮廓仪采集的3个级配沥青路面表观参数即宏观纹理表征沥青路面抗滑结构特征，再采用动态摩擦测试仪对工况的模拟并得出现有路面力学性能指数COF，最后选用统计学参数找出沥青路面力学性能表征参数，并对不同抗滑结构的沥青路面力学性能衰变进行分析。

1 胎路接触的力学机理

车辆在路面上行驶，轮胎和沥青路面之间存在竖向的承载力和与汽车行驶方向相反的摩擦力，因此研究沥青路面-轮胎接触的力学机理，也就是研究轮胎-路面之间的摩擦形成机理，对评价不同抗滑结构的沥青路面的抗滑性能以及对沥青路面的设计都具有十分重要的意义。目前普遍认为抗滑性能主要由以下4个方面提供[1-2]：

1.1 路面微凸体切削作用

在上部荷载作用下，胎面橡胶与路面紧密接触，路面表面微突体硬度大于胎面橡胶，导致微凸体嵌入胎面橡胶，出现应力集中[3]，在车辆行进过程中，轮胎路面之间的相对滑动产生的剪切力大于胎面橡胶剪切强度时，相对较软的橡胶表面会发生犁沟作用，这一点与金属之间的摩擦相似，多数学者也同样是通过金属摩擦学的相关知识对这种现象进行解释，有学者通过电子显微镜对轮胎表面进行观察，确实发现了切削痕迹，印证了对微凸体切削作用的猜想。这种切削作用下产生的阻力被称为摩擦力分量，微观纹理的丰富程度决定着接触面微凸体数量，微凸体数量越多胎路间出现应力集中的位置也就越多，切削作用产生的摩擦力也就越大，因此微观纹理的丰富程度直接对路面抗滑产生影响。此外，微凸体的排列方式、大小也会对摩擦力产生影响。在修筑沥青路面时，选择表面微观纹理丰富的集料尤为重要。

1.2 分子间作用力

当两个物体相互靠近时，在距离非常近的情况下物体间接触面会产生一种吸附力，这种吸附力称之为范德华力。当轮胎与路面在上部荷载作用下紧密接触时，轮胎与路面集料间也会产生范德华力。范德华力会对胎路间摩擦做出一定贡献，当胎路实际接触面积增大时，轮胎路面间相互接触的分子数量必然增多，因此分子间作用力对摩擦力的贡献与实际接触面积有关。此外，分子间作用力还与温度、相互接触的材料性质、接触面的污染程度有关[4]。

1.3 黏着作用

在上部荷载作用下，轮胎与路面紧密接触时，胎路间会发生黏着作用[5]。经过对轮胎和路面表面的观察发现，磨损后的轮胎表面有残留的路面集料颗粒，同时在道路表面也发现了损耗的轮胎橡胶颗粒，这一现象佐证了轮胎路面间黏着作用的存在。此外，轮胎路面间存在着静电吸引，这也成为了二者间存在黏着作用的又一证明。Fiala-Sakai将轮胎滚动过程中胎路接触面分为两个区域，即黏附区和滑动区，黏附区表示轮胎滚动时靠近路面与路面接触的一侧，滑动区则表示远离路面的一侧[4]。由于黏着作用的存在，行驶过程中，滑动区需要不断克服这种黏着作用，这也被称为摩擦力的黏着分量。黏着分量与胎路实际接触面积、接触面材料特性以及接触面的压强分布有关。

1.4 弹性变形

由于胎面橡胶是一种粘弹性材料，在荷载作用下，与沥青路面紧密接触，黏附区不断与路面接触产生弹性变形，而滑动区则因为胎路间压力消失而恢复弹性变形。车辆停在水平路面上时，胎面橡胶与路面表面接触，发生变形，接触面应力的合力在水平方向上为零。在车辆行駛过程中，接触面应力重组，合力不再为零，此时合力的方向与车辆行驶的方向相反，合力的大小称之为摩擦力的弹性变形分量。由于不同的胎面橡胶产生的形变也不相同，路面纹理状态也会影响压力分布，因此影响路面弹性变形的主要影响因素有：胎面花纹分布、路面表面级配类型等。

2 轮胎—路面接触特性的研究

2.1 现有胎路接触特性的试验研究

沥青路面的力学性能表现与胎路接触特性直接相关，而胎路接触特性与沥青路面表征形貌和胎路接触面积直接相关。因此，研究力学性能表现时需要对胎路接触面的积沥青路面表征形貌进行研究。

2.1.1 胎路接触面积表征

近年来，随着测试方法以及测试设备的进步，对胎路实际接触特性的表征也更加准确。在国内，俞淇[6]等采用压力板法对两种规格子午线轮胎进行静负载测试，在改变胎压、负载以及台面花纹的情况下，测量轮胎接地压力分布，并对测试数据进行了可视化处理，可为接地压力分布计算提供实测数据。葛述卿[7]基于ABAQUS建立的轮胎-路面接触有限元分析模型来模拟实际轮胎接地特性，对仿真结果进行处理后，得到轮胎接地面积公式，提出了接地形状系数的概念。但分析过程中道路有限元分析模型是简化的道路模型，与实际情况还有所差别。胡小弟[8-9]利用自主研发的轮胎接地压力测试仪，在改变轮胎胎压、花纹以及上部荷载的情况下，测量了重型货车和轻型货车与钢板间的压力分布。张淑文[10]等采用压力胶片纸法进行了轮胎路面实际接触面积的研究，并根据实际轮胎接触压强的大致范围确定了使用LLW和LLLW型压力胶片纸进行胎路实际接触面积测试。张肖宁、孙杨勇[11]利用自主研发的激光微距测量系统，测量集料表面纹理，并基于MATLAB平台计算分形维数，以分形维数的大小对路表微观纹理进行粗糙度评价，提出了粗集料的分形维数指标，给出了分形维数指标在沥青路面抗滑设计中的控制范围，此外国外的道路学者也对此进行了相关研究，提出了许多测试方法[12-13]。

2.1.2 沥青路面形貌表征

研究人员对沥青路面形貌进行了诸多研究，采用不同参数表征路表纹理，在沥青路面设计、验收和养护过程中都考虑了路面纹理对抗滑性能的影响。主要规定了表述宏观纹理构造深度的两个参数，铺砂法测定的平均构造深度MTD[14-15]和激光轮廓仪测定的平均断面深度MPD[16]。

（1）平均构造深度MTD。将已知体积的沙子或玻璃球在路面上均匀平铺成一个圆面积，体积与这个面积的比值为平均构造深度MTD。

（2）平均断面深度MPD。将路面断面取样长度平均分成两段，第一段最高峰值h1与第二段最高峰值h2的平均值与中线高度h的差值为平均断面深度MPD。MTD和MPD是两个表示纹理高度的参数，在国际摩擦指数IFI的计算中使用了这两个参数[9]。

3 数据可靠性和相关性分析

3.1 路表宏观纹理参数评价

3.1.1 稳定性分析

变异系数定义为标准差与平均值的比值，采用变异系数对数据稳定性进行分析时，可消除测量尺度和数据量纲的影响并筛选出胎路接触指标。

3.1.2 相关性分析

相关性分析可以有效地揭示事物之间统计关系的强弱程度，该文计算不同参数Pearson简单相关系数以反映不同变量之间统计关系的强弱。世界道路协会路表特性技术委员会PIARC对路面抗滑性能研究发现，同MTD一样，MPD同样显著影响着路面的抗滑性能，两者都可以作为路面形貌粗糙特性的表征参数。通过对不同路面纹理参数与MTD和MPD相关性分析，找出宏观纹理特征参数之间的关系。

3.2 抗滑指标参数稳定性分析评价

测试三块板的MTD、BPN以及动态摩擦系数COF，通过相关性分析对COF数据的准确性进行验证。

3.3 宏观纹理参数与抗滑指标的相关性

通过对测试三块板的宏观纹理参数通过相关性分析，找出各个路面纹理参数与抗滑指标的相关性。

4 结论

该文通过总结轮胎路面接触时的力学机理及测试方法、沥青路面的路表形貌指标，以及数据分析方法，提出了通过轮胎路面的接触特性研究沥青路面纹理以及力学性能衰变的方法，具体为通过对路面宏观纹理特征参数与路面形貌粗糙特性表征参数MTP与MPD的相关分析，将路面力学性能量化，可以得到沥青路面胎路接触部分结构的表征指标，再根据试验所成的抗滑面试件特征指标在一定工况下磨耗前后的变化，评估其力学性能衰变，最后通过比较不同结构，即SMA、AC、OGFC三种抗滑面的力学性能衰变规律，得到不同抗滑结构的沥青路面力学性能衰变。

参考文献

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[3]温诗铸. 摩擦学[M]. 北京：清华大学出版社， 1990.

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[5]王野平. 论轮胎与路面间的摩擦[J]. 汽车技术， 1999（2）： 10-14.

[6]俞淇， 戴元坎， 张凯. 静负荷下轮胎接地压力分布测试的研究[J]. 轮胎工业， 1999（4）： 11-15.

[7]葛述卿， 王保良. 轮胎接地特性分析及试验验证[J]. 机械设计与制造， 2017（7）： 233-235+239.

[8]胡小弟， 孙立军. 重型货车轮胎接地压力分布实测[J]. 同济大学学报， 2018（11）： 25-30.

[9]胡小弟， 孙立军. 轻型货车轮胎接地压力分布实测[J]. 公路交通科技， 2017（8）： 1-7+11.

[10]张淑文. 基于界面接触特性的多尺度沥青路面抗滑性能评价及应用研究[D]. 广州：华南理工大学， 2018.

[11]张肖宁， 孙杨勇. 粗集料的表面微观纹理的激光测量方法及分形性质研究[J]. 公路交通科技， 2011（1）： 19-24.

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[15]Acoustics ISO Standard 13473：  Characterization of pavement texture using surface profiles-Part l： Determination of mean profile depth [S]. International Standards Organization. Geneva， Switzerland， 1998.

[16]ASTM Standard Practice E 1960-98：  American society for testing and materials-Standard practice for calculating international friction index of a pavement surface [S]. Philadelphia：  Annual Book of ASTM Standards.

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