（道路与铁道工程专业论文）沥青路面的抗滑性分析及OGFC抗滑表层设计.pdf

摘要 随着高速公路的飞速发展，人们在享受越来越便利的快速交通的同时也面临着交通事 故的威胁。分析事故原因，路面的抗滑力不足是其中一个重要因素。提高道路的抗滑能力 今天已经成为道路设计时需要重点考虑的指标。 本文从摩擦、水力学理论出发，分析路面与轮胎的接触情况，分析积水对路面抗滑能 力的影响，从而说明了排水的重要性。用渗流的相关理论研究路面的排水情况，最后通过 o g f c 抗滑表层的设计与施工对排水路面的抗滑性能进行实践说明。 首先运用摩擦学知识对轮胎与路面干燥接触状态下摩擦力构成进行分析，分别对构成 摩擦力弹性滞后作用、粘着与微切削作用进行分析，说明石料纹理与构造深度对路面抗滑 性能的影响；根据轮胎的弹性滑转建立轮胎运动模型，建立滑移值与路面附着系数的关系。 其次通过弹性流体润滑理论对轮胎与路面之间存在水膜时轮胎的受力情况，得到发生 水膜润滑时轮胎所受的摩擦系数，从而从理论上说明路面积水对汽车安全行驶的危害。分 析了水膜润滑对沥青路面抗滑能力的影响之后，分析了轮胎在有路面积水情况下轮胎的滑 水现象。建立轮胎发生滑水时轮胎、路面和水膜的接触模型，通过轮胎在动水压力作用下 的力学分析对轮胎发生滑水时的临界车速进行理论推导。 接下来根据影响沥青路面抗滑的各种因素，对排水路面的抗滑性能进行了分析和探讨。 排水路面的抗滑性能源于沥青路面面层的较大的构造深度与它的排水功能。排水路面的空 隙率较大，采用的多为开级配的沥青混凝土，所以排水路面面层的构造深度比一般的抗滑 表层要大，有研究表明路面经历过长期使用后，排水路孤的构造深度衰减的最慢，从而提 高了排面抗滑性能的长期性。除了构造深度的因素外，排水路面出色的排水能力使得有路 面积水时的抗滑能力大大提高。由渗流知识原理对排水路面的排水性能进行了分析，得出 排水速度的理论公式，得出排水路面的渗水系数对临界车速的影响。 最后进行了开级配沥青磨耗层( o g f c ) 抗滑表层的设计研究，o g f c 设计在中国还 处于探索阶段，通过借鉴国外的成功经验以及对大孔隙混合料特性的分析提出了适合我国 的o g f c 抗滑表层的设计方法。通过对o g f c 试验路排水能力与摩擦系数的检测从实践方 面说明了排水路面出色的抗滑性能。 关键词：抗滑机理，路面与轮胎，路面抗滑，抗滑设计，排水路面，开级配沥青磨耗层 a b a s t r a c t a b a s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta tf u l ls p e e do f t h ee x p r e s s w a y ，p e o p l ef a c et h et h r e a to f t h et r a f f i c a c c i d e n tt o ow h i l ee n j o y i n gm o r ea n dm o r ec o n v e n i e n tf a s tt r a f f i c a n a l y s ec a u s eo fa c c i d e n t ， t or e s i s ts l i p p e r ys t r e n g t ha l li m p o r t a n tf a c t o ra m o n gt h e mr o a ds u r f a c e i m p r o v er e s i s t i n gt h e i n d e xt h a ts l i p p e r ya b i l i t yn e e d sc o n s i d e r i n ge s p e c i a l l yw h i l ea l r e a d yb e c o m i n gd e s i g no fr o a d t o d a yo f t h er o a d t h i st e x tp r o c e e d sf r o mr u b ，t h eh y d r a u l i c st h e o r y ，a n a l y s et h ec o n t a c ts i t u a t i o no f t h er o a d s u r f a c ea n dt i r e ，i ti sa n a l y s e dt h a tt h ew a t e ra c c u m u l a t i o nr e s i s t st h ei n f l u e n c eo f s l i p p e r ya b i l i t y o nt h er o a ds u r f a c e ，t h u se x p l a i n e dt h ei m p o r t a n c eo f d r a i n i n go f f w a t e r u s et h er e l e v a n tw a t e r d r a i n a g es i t u a t i o no nr o a ds u r f a c eo ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ft h ei n f l u e n t ，r e s i s ts l i p p e r yd e s i g n a n dc o n s t r u c t i o no f t o pl a y e rt od r a i no f f w a t e rt or e s i s tt h r o u g ho g f cs l i p p e r yp e r f o r m a n c eg o o np r a c t i c ep r o v er o a ds u r f a c ef i n a l l y i si ti si tg a i nk n o w l e d g et ot i r ea n dd r yt oe x p o s e dt os t a t ef r i c t i o n a lf o r c ei si ti si ta n a l y s e t og oo nt oc o m m i tr o a ds u r f a c eh a v et or u bt on s ea tf i r s t ，l a g g i n gb e h i n di nf o r m i n gf r i c t i o n a l f o r c ee l a s t i c i t yo nf u n c t i o n ，g l u e i n ga n dc u r i n gf u n c t i o nt oa n a l y s eal i t t l es e p a r a t e l y ，s t a t et h e b u i l d i n gs t o n e sl a m i n a t i o na n dc o n s t r u c tt h ei n f l u e n c et h a tt h ed e p t hr e s i s ts l i p p e r yp e r f o r m a n c e t ot h er o a ds u r f a c e ；i si ti si ts e tu pt i r es p o r tm o d e lt ot r a n s f e ra c c o r d i n gt oe l a s t i c i t yo f t i r et ot o s l i p ，i si ts l i pp e r s o nw h om o v ea d h e r et or e l a t i o no f c o e f f i c i e n tw i t hr o a ds u r f a c et oe s t a b l i s h h a v et h r o u g he l a s t i cf l u i dl u b r i c a t e dt h e o r yt of i r ea n dr o a ds u r f a c ew a t e rt i r er e c e i v e s t r e n g t hs i t u a t i o na tt h em e m b r a n es e c o n d l y ，i si tt a k ep l a c ew a t e rm e m b r a n et i r er e c e i v e d c o e f f i c i e n to f f r i c t i o nw h e nl u b r i c a t i n gt og e t ，p r o v ew a ya r e aw a t e rt od a n g e rt h a ta u t o m o b i l eg o s a f e l yt h e o r e t i c a l l y i ti sa n a l y s e dt h a tw a t e rm e m b r a n ei sl u b r i c a t e dt ot h ei n f l u e n c eo fr e s i s t i n g s l i p p e r ya b i l i t yo f r o a ds u r f a c eo f p i t c h ，h a v ea n a l y s e dt h ew a t e r - s k i i n gp h e n o m e n o no f t h et i r e i nt h e r ei sw a t e ro fa r e ao fw a y sc a s e so ft h et i r e s e tu pt i r eh a p p e nt i r e ，r o a ds u r f a c e ，w a t e r c o n t a c tm o d e lo f m e m b r a n ew h e nw a t e r - s k i i n g ，c a l l - yo nt h et h e o r yt od e r i v et h r o u g ht h ec r i t i c a l s p e e dw h i l em o v i n gm e c h a n i c su n d e rt h es t r e n g t hf u n c t i o no fw a t e rp r e s s u r ea n da n a l y s i n go f t h et i r et h a tw a t e r - s k i e st ot h ef i r e a n dt h e na c c o r d i n gt oi n f l u e n c i n gt h ep i t c hr o a ds u r f a c et or e s i s tv a r i o u sk i n d so f s l i p p e r y f a c t o r s ，r e s i s t i n gs l i p p e r yp e r f o r m a n c eo fr o a ds u r f a c eh a sc a r r i e do na n a l y s i sa n dd i s c u s s i o nt o d r a i n i n go f fw a t e r d r a i no f fw a t e rt or e s i s ts l i p p e r yp e r f o r m a n c ec o m ef r o mp i t c hr o a ds u r f a c e l a r g e rs t r u c t u r ed e p t ha n di t sw a t e rd r a i n a g ef u n c t i o no f e a c hm a ds u r f a c e t h es p a c er a t eo f t h e r o a ds u r f a c ei sr e l a t i v e l yg r e a tt od r a i no f f w a t e r ，t h eo n e st h a tw e r ea d o p t e da r em o s t l yt oo p e n o n eg r a d eo fb i t u m i n o u sc o n c r e t em i x e d ，d r a i no f fw a t e rr o a ds u r f a c es t r u c t u r ed e p t ho fe a c h t h a nr e s i s t i n gs l i p p e r yt o pl a y e rh e a v yg e n e r a l ，h a v er e s e a r c hi n d i c a t er o a ds u r f a c ei si ti si ta f t e r l o n g i n gr u n ，d r a i no f fw a t e rs t r u c t u r eo fr o a ds u r f a c em o s ts l o wt op a s st og ot h r o u g h ，t h u s i m p r o v e dt h el o n gp e r i o do f t i m et h a tt h ef a c er e s i s t ss l i p p e r yp e r f o r m a n c eo f a r r a n g i n g e x c e p t t h ef a c t o rt h a tc o n s t r u c td e p t h ，d r a i no f f w a t e rr o a ds u r f a c eo u t s t a n d i n gw a t e rd r a i n a g ea b i l i t yi s i th a v ew a ya r e ar e s i s t i n gs l i p p e r ya b a i t yr a i s eg r e a t l ya tt h ew a t e rt om a k e h a v eb e e na n a l y s e d b yt h ew a t e rd r a i n a g ep e r f o r m a n c eo nt h er o a ds u r f a c et od r a i n i n go f fw a t e ro fk n o w l e d g e p r i n c i p l eo f t h ei n f l u e n t ，d r a wt h et h e o r yf o r m u l ao f d r a i n a g es p e e d ，d r a wa n dd r a i no f f w a t e r t h ei m p a c to nc r i t i c a ls p e e do fi n f i l t r a t i o nc o e f f i c i e n to nt h er o a ds u r f a c e i si tm a k eg r a d em i xp i t c hw e a re n dt e a rl a y e r ( o g f c ) r e s i s ts l i p p e r yd e s i g nr e s e a r c ho f t o p l a y e rt og oo nf i n a l l y ，o g f ci sd e s i g n e db u ts t i l la tt h es t a g eo f e x p l o r i n gi nc h i n a ，t h ef o r e i g n s u c c e s s f u le x p e r i e n c ea n da n a l y s i so nb i gh o l em i x t u r ec h a r a c t e r i s t i ch a v ep u tf o r w a r do g f c a b a s l r a c t s u i t a b l ef o ro u rc o u n t r ya n dr e s i s t e dt h ed e s i g nm e t h o do f t h es l i p p e r yt o pl a y e rt h r o u g hu s i n gf o r r e f e r e n c e t h r o u g ht e s tt oo g f cw a yd r a i no f fw a t e ra b i l i t ya n dm e a s u r i n go fc o e f f i c i e n to f f r i c t i o nf r o mp r a c t i s er e s p e c tp r o v ed r a i no f fw a t e rr o a ds u r f a c eo u t s t a n d i n gr e s i s t i n gs l i p p e r y p e r f o r m a n c e k e y w o r d ：r e s i s t i n gs l i p p e r ym e c h a n i s m ，t h er o a ds u r f a c ea n dt i r e ，r o a ds u r f a c ei sr e s i s t e d s l i p p e r i l y ，d e s i g no fa n a i n s ts l i p ，d r a i no f fw a t e rr o a ds u r f a c e ，o p e ng r a d e d a s p h a l tf r i c t i o nc o u r s e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：带冷缝二一日期： 柚s 3 口 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保蟹期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：叁全垄导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国公路的发展对交通安全的需求 随着我国高速公路的飞速发展，交通量的增大，车速的提高，人们在享受现代化交通 所带来的便利的同时也面临着越来越多的受到交通事故的威胁。根据公安部交通管理局的 统计资料，2 0 0 4 年全国共发生道路交通事故5 1 8 万起，造成1 0 7 万人死亡，仅上半年导 致的直接经济损失就达1 3 亿元，从中可以看到交通事故带给人民和国家的损失是巨大的。 引起交通事故的原因是多方面的【l 包括人的因素，车的因素，道路的因素，气候的因 素等多方面的客观和主观因素，路面的抗滑性能不足是影响交通事故芨生的重要因素之一。 较好的路面抗滑性能能够降低交通事故的发生，在对一些事故多发地段的调查结果表明， 如果保持其他因素不变。提高路面的抗滑性能能够减少许多交通事故的发生。 我国高速公路建设初期，对道路的性能需求比较低，路面的抗滑性能没有受到足够的 重视。随着社会经济的发展、长远距离的运输须要车辆能达到较高的速度以满足运输时间 的需要，客运运输也要保证良好的舒适度等，人们对提高道路的使用性能需求的呼声越来 越高。当前我国的路面不仅需要承受更大的荷载、经久耐用，而且要能满足经济性、舒适 性、安全性等功能的需求。在公路的设计理念上要从过去的单一满足强度上转为保证结构 强度的基础上满足行车舒适性、抗滑等功能性方面上。 高速公路的最大特点就是行车速度快，目前我国高速公路的设计时速一般为1 0 0 t 1 2 0 k m h ( 不包括山区及其他特殊路段) 。由于汽车性能的不断改进提高导致高速公路上 实际的行车速度往往比设计时速更高，据近期对国内十几条高速公路的车速调查显示，8 5 的小轿车平均车速为1 3 5 k m h 。针对高速公路使用管理中人身安全第一的原则，车辆的高 速行驶对路面抗滑安全性能提出了严格的要求。所以现如今沥青路面的抗滑性能设计已经 成为沥青路面设计的焦点问题。 众所周知，轮胎与路面间的摩擦力是汽车驱动、制动及转向的动力来源，是保证车辆 安全行使的关键因素。因此，进行轮胎与路面间的摩擦特性的研究和分析能够从理论上了 解不同路面结构形式对车辆所能提供的摩擦力，为进一步合理的路面的抗滑设计提供了理 论的指导。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 抗滑性能影响因素研究 汽车行驶安全性的保证除人为因素外 轮胎与路面之间良好的摩擦。 影响轮胎与路面间摩擦的因素有很多 1 ) 轮胎对摩擦性能的影响1 0 1 一方面来自其有效的制动系统，另一方面来自 包括路面、轮胎以及轮胎与路面间的介质。 影响轮胎与路面摩擦的因素有：轮胎的种类、胎面花纹、充气压力及胎面磨损情况等。 ( 1 ) 轮胎类型 目前使用的轮胎主要有子午线轮胎、斜交线轮胎和带束斜交轮胎三大类。由于结构原 因，斜交线轮胎在滚动时，其交叉层将产生较大的挠曲并相互摩擦，从而使菱形部分机器 橡胶填料产生较大的弹性变形。由于弹性滞后等的影响，这种弹性变形将产生较大的滚动 阻力。另外这种挠曲作用还会使轮胎胎面与路面间产生一种揩拭运动，该运动将会改变轮 胎与路面在接触区域的相对运动或相对运动趋势，从而改变摩擦力方向。这将显著影响轮 东南大学硕士学位论文 胎有效摩擦力( 纵向摩擦力或横向摩擦力) 的大小。与斜交线轮胎相比，子午线轮胎的刚 度很大，在滚动时其胎壳内产生的弹性变形较小，因此由于弹性滞后等产生的滚动阻力就 较小。另外，子午线轮胎滚动时，其胎面与地面问的接触区域内不存在揩拭运动，它与地 面间能产生的有效摩擦力要比斜交线轮胎高的多。带束斜交线轮胎的摩擦性能介于斜交线 轮胎与子午线轮胎之间。 ( 2 ) 胎面花纹 轮胎花纹的主要作用就是增加胎面与路面间的摩擦力，以防止车轮打滑。轮胎花纹提 高了胎面接地弹性，在胎面和路面间切向力( 如驱动力、制动力和横向力) 的作用下，花 纹块能相应产生较大的切向弹性变形。切向力增加，切向变形随之增大，接触面的“摩擦作 用”也就随之增强，进而抑制了胎面与路面打滑或打滑趋势。这在很大程度上消除了无花纹 ( 光胎面) 轮胎易打滑的弊病，使得与轮胎和路面间磨擦性能有关的汽车性能动力性、 制动性、转向操纵性和行驶安全性的正常发挥有了可靠的保障。 ( 3 ) 充气压力 在坚硬的路面上，如果轮胎充气压力较低，则它在滚动中所产生的弹性变形就较大， 由弹性滞后而造成的滚动阻力也就越大。但较低的充气压力将有助于增加轮胎与路面间的 直接接触面积，从而提高轮胎与路面间的附着能力。与此相反，如果轮胎的充气压力较高， 则其滚动阻力就相对较小。轮胎与路面问的附着能力也将减小。虽然轮胎在坚硬的地面上 的滚动阻力随着胎压的增加而减少，但在土等变形地面上，胎压高时地面变形功将增大， 因而滚动阻力增大，而胎压低时地面变形减小，轮胎变形增大，弹性滞后损失增加，所以 对某一特定的地表条件存在一最佳的胎压值。 ( 4 ) 胎面磨损 胎面磨损后将显著降低胎面花纹的贮水和排水能力，从而使轮胎与湿路面间的摩擦系 数降低。胎面磨损后还将增加其切向刚度，使胎面在切向力作用下的变形情况与设计值发 生较大的差异，从而改变了轮胎与路面间摩擦力的方向。这会使有效摩擦力显著降低。 2 ) 路面对摩擦性能的影响 路面抗滑性能主要与路表的构造状况有关。路面抗滑力主要取决于路面表层的微观构 造和宏观构造”。 ( 1 ) 路面的微观构造 从摩擦学理论可知两个物体间的摩擦力在一般情况下起源于物体表面“微凸体”的存 在，光滑是相对的。从轮胎与路面间的湿摩擦基本模型知，路面摩擦力主要由源于分子间 引力的附着分量和源于橡胶变形的滞阻分量构成，而且以附着分量为主。路面微观构造所 表征的正是这种“微凸体”的规模和大小，是附着分量的主要成因，因此它为路面提供了 基本抗滑力，决定了摩擦系数的总体水平。如果说宏观构造是“粗”的概念，那么微观构 造就是“糙”的概念。 微观构造表示路面表面或集料被磨光的程度，指表层石料表面水平向o 0 5 m m ，垂 直方向o 0 2 m m 的微观构造，或称石料的表面纹理。沥青路面的微观构造与集料表面的 沥青膜被轮胎磨耗后表面的摩擦系数仪( 摆式仪) 作为替代测试设备。在室内常用规定时 间的磨光试验然后用摆式仪测定其摩擦力，常称此摩擦力为速磨光值( p s v ) 或简称 磨光值。因此，微观构造大的石料磨光值大。 微观构造对轮胎与面层表面的附着力有很大影响。它既影响低速时表层的抗滑能力。 微观构造大，轮胎与表面的附着力也大。因此，石料磨光值越大，石料的抗滑性能就越好。 ( 2 ) 路面的宏观构造 宏观构造定义为路面表面的凹凸( 肉眼可见的突起，约0 ，5 m m 以上) 。轮胎和路面之 间的排水能力和粗结构有关。常用粗糙或光滑来描述宏观构造。 2 第1 章绪论 宏观构造除对路面摩擦力构成中的滞阻分量有一定贡献之外，它的主要作用是为轮胎 与路面界面上的积水提供宣泄通道，使图中的干燥接触区面积增大，尽量使轮胎与路面处 于如图所示的边界润滑型摩擦接触。如果路面没有足够的宏观构造，则轮胎与路面界面上 的积水不能及时排出，在动水压力的作用下，轮胎与路面的实际接触面积就会减小。当这 种减小达到一定程度时，所谓的水漂现象就发生了。由于发生水漂时车辆的制动性能和方 向控制均已丧失，所以是十分危险的。由此可以看出宏观构造作用的重要性。 ( 3 ) 其他的影响因素 潮湿路面的摩擦系数受车辆行驶速度影响较大。由于摩擦系数随车速增加而减小，从 潮湿气候条件下的道路安全考虑行车速度时最重要的。面层的粗结构较小时，车速对潮湿 路面摩擦系数的影响特别重要。 路面上若有水，那么水就会削减轮胎与路面的摩擦作用，因为水会阻止轮胎与路面之 间接触及发生分子间结合。轮胎在潮湿路面上滚动时由于水的润滑作用，其与路面问的 摩擦系数将会显著下降。 我国研究指出，在粘性土地区，因路肩土被带上路面目i 起的滑酒性污染，可使表层的 摩擦系数摆值f 降低1 6 2 5 ，因此，在有土路肩的公路上，防止滑溜性污染是一个值得重 视的问题。当路面上存在油渍等污染物时，由于油渍具有很强的润滑作用，将使轮胎与路 面间的摩擦系数急剧下降，从而使车辆失去操纵性、制动性和驱动性。除油渍外，路面上 最常见的污染物是从轮胎上磨削下来的橡胶磨粒。橡胶磨粒能显著的降低轮胎与路面间的 摩擦系数，当路面潮湿时尤为严重。因此，应定期用水对路面进行冲洗，以清除路面污染。 以上的对于路面与轮胎问摩擦影响因素的分析，很多都是建立在试验与常识的基础上 的。比如说路面的粗糙度对摩擦能力的影响，通常人们都会有这样的一个概念，路面越粗 糙路面的抗滑能力越大，但是很少有人从理论的角度去研究为什么会有这样的结论。本文 正是立足于理论分析，用摩擦学的有关知识来解释路面的抗滑性能，并用弹流润、措理论对 轮胎发生滑水时的摩擦力的情况进行分析，解释轮胎发生滑水时丧失制动、转向性能的原 因。 1 2 2 排水路面研究概况 排水性沥青混合料起源于欧洲。1 9 6 0 年德国首次建设此种材料的路面，称为p o r o u s a s p h a l t ，即大孔隙或捧水型路面；在英国称为p e r v i o u s m a c a d a m ，即大空隙沥青碎石。在 美国，排水性沥青混合料一般用作路面的磨耗层，称为o p e n g r a d e d a s p h a l t f r i c t i o n c o i l r s e 简称为o g f c ，即开级配沥青磨耗层。从7 0 年代末以来，排水性沥青混台料在国外高 等级公路上得到了较多应用。例如，比利时于1 9 7 9 年开始铺筑了2 7 0 0 m 2 的排水性沥青路 面；法国在收税高速公路上1 0 的表面层养护也使用了多孔隙沥青混凝土。自1 9 9 0 年起， 因为多孔隙沥青混合料的堵塞问题和冬季养护问题，法国这种沥青混合料用量减少在市 区道路上不再使用。意大利高速公路上已大量使用多孔隙沥青混合料，以减少交通噪声、 改善雨天抗滑性能和消除溅水的危害。到9 0 年代初，在意大利已铺筑了1 2 1 0 6 m 2 的多 孔排水性沥青面层。荷兰公共工程部决定在交通量3 5 0 0 0 辆厌以上的所有道路上及要求低 噪声的道路上，特别在高速公路上尽可能使用排水沥青面层。 欧洲排水性路面的空隙率起初为1 5 ，为防止孔隙堵塞以维持排水功能，设计旆工时 往往将空隙率取为2 0 。美国因排水性路面粒径较小，以抗滑性能为主，轻微的堵塞对抗 滑性能不会有太大影响，因而空隙率只要求1 5 。对于混台料的设计，欧洲认为由于多孔 沥青混合料的特殊粒状结构，不能采用已有的配合比设计方法，特别是马歇尔法与劈裂试 验，同时对车辙试验的适用性也提出疑问。美国在o g f c 的配合比设计中没有采用力学试 验，这是因为已有了一定的经验积累，沥青用量根据粗集料的沥青当量，利用经验公式算 出沥青用量在6 以上。此外，还进行混合料中沥青的析漏试验。 东南大学硕士学位论文 日本从8 0 年代后期开始这方面的试验研究。虽然起步较晚，但发展较快，目前已形成 较为完善的排水性沥青混合料设计方法。为了研究排水路面技术方面的课题，日本建设省 委托土木研究所进行室内试验，并让各地建设局做了试验路，最终由日本道路协会指定并 发行排水路面技术指南。指南指出，排水路面面层部分的透水层厚度以4 5 c m 为准，但可 根据性能要求增减厚度。为了评价排水性沥青路面的耐久性，日本对车辙、平整度、开裂 率等一般的路面性能也进行了跟踪调查。跟踪调查表明，随着时间推移，排水性沥青路面 与普通沥青路面的车辙变化量几乎相同。可见，排水性沥青路面面层与普通沥青路面面层 具有同等程度的耐久性。日本认为，排水性沥青混合料因在马歇尔稳定度试验时与普通沥 青混合料表现不同，故用马歇尔试验进行排水性沥青混合料配合比设计并不合适，但可作 为参考的试验。此外，由于还没有确立与路面使用性能相对应的混合料强度的试验方法， 所以趋向于尽量多使用沥青，用以确保路面强度。因此，在现行的排水性混合料的配合比 设计中，最佳沥青用量= 最大沥青用量，而最大沥青用量通过析漏试验确定。为了防止排 水性沥青混合料骨料飞散和渗透水的侵蚀，日本大约从1 9 9 0 年开始使用专门为排水性沥青 路面研制的高粘度改性沥青。最近日本道路公团规定，所有管辖的新建或改建的高速公路 表面层必须采用排水性沥青路面。 我国到目前为止还未对排水性沥青路面进行全面系统的研究，只在个别工程实践中有 过尝试。北京交通部公路科学研究所曾在二级公路上作过试验段，使用半个月，空隙已被 泥土填满，根本就不能排水了；上海市等在高架桥上傲过一些试验。由于未能开展系统深 入的研究，我国在这方面的研究成果也鲜见报道。对排水路面的抗滑性能的研究也很欠缺， 对排水路面的抗滑性能只有定性上的了解，知道排水面层的渗透系数越大排水性能越好， 很少有人从理论角度来定量说明排水路面的渗透系数对抗滑性能的影响。本文从渗流知识 原理出发，推导渗透系数与排水速度的关系，从理论上研究排水路面的抗滑性能。 1 3 研究目的及主要内容 研究目的：从理论角度研究轮胎、路面以及路面积水的相互作用：分折排水路面的抗 滑特性，进行o g f c 抗滑表层的设计。 研究的主要内容： 1 ) 从摩擦学理论出发对轮胎与路面之闯的接触进行分析，从理论上说明路面的构造深度 对摩擦力的影响；对轮胎滚动时发生的弹性滑转现象进行分析，通过建立理论模型以及数 学分析，得出轮胎滑移值与路面附着系数的关系。 2 ) 考虑有水的情况下轮胎与路面的接触情况，用弹流润滑理论分析路面积水对轮胎所受 摩擦力的影响进行分析，理论说明轮胎发生滑水时制动、转向能力的丧失；对轮胎的滑水 进行分析，用力学与水力学知识推导出轮胎滑水发生时的临界车速，得出临界车速与轮胎 接地压强的关系。 3 ) 从三个方面对排水路面的抗滑性能进行详细的分析，排水路面的构造深度对抗滑的影 响；排水路面的透水系数大使得在一定的降雨强度能不发生路面径流；当降雨强度很大发 生路面径流时，用渗流知识计算轮胎与路面接触界面上的动压水的排出时间，并分析其对 临界滑水速度的影响。 4 ) 借鉴国内外的成果经验进行o g f c 抗滑表层的设计的研究，提出o g f c 的设计方法、 控制指标等一系列设计过程；通过试验路对o g f c 抗滑表层的摩擦特性和排水特性进行检 验。 - 4 第2 章轮胎与路面的接触分析 第2 章轮胎与路面的接触分析 滚动轮胎受到的摩擦力主要包括两个部分：粘附摩擦力和滞后摩擦力。粘附摩擦力是 作用在表面的摩擦力，而滞后摩擦力是由于轮胎橡胶的滞后引起的，作用于轮胎本身。轮 胎的摩擦可咀分为三种类型：滑动摩擦、滚动摩擦和润滑摩擦。 滑动摩擦是由轮胎与路面的粘附和轮胎橡胶的滞后损失引起的，在干燥的路面上，轮 胎与路面的摩擦以粘附摩擦为主；在潮湿的路面上以滞后损失为主，试验表明，滑块在润 滑良好的橡胶上摩擦时，具有高滞后损耗的橡胶的摩擦力较大。 粘弹性的体积效应和表面效应对滚动阻力的影响较大【l “，滚动摩擦的阻力主要由下面 四个方面产生。第一，随着引起滑动的力的增加，胎面单元的滑移区也在增大，从微观滑 动向宏观滑动转变。第- - ，当轮胎的胎面在粗糙的路面上运动时，耍经受连续的压缩和松 弛作用，由于橡胶本身的特性，压缩过程需要的能量比松弛过程的多，这个能量之差就是 弹性滞后损失。第三是塑性变形的能量损失，只有在轮胎的负荷较大而路面的刚性较低时 才链发生。第四是粘附效应，发生粘附效应时的滚动疆力较大。 由于降雨在路表面产生一层水膜，当轮胎行驶过后会发生润滑摩擦，轮胎与路面问的 附着系数将会显著降低。润滑摩擦的形式包括弹性流态动力润滑、粘性润滑和微弹流润滑 等，与车辆的行驶速度、路表的水膜厚度、路面的粗糙程度以及轮胎的花纹形式有关。本 文将在下一章中讨论路面积水对路面抗滑性能的影响。 2 1 轮胎的弹性滑转 轮胎滚动时由于路面和轮胎材料的弹性性能不同，引起接个接触接触区在轮胎边缘切 线方向的变形不同，导致有一种滑动的趋势，而摩擦力抵制这种滑动的行为。在接触区域 的某些区域，摩擦力能够抑制这种滑动的趋势，则这些区域不发生滑动，称为粘着区域( 或 者静止区域) ；但在另外一些区域，摩擦力达到了极值，滑动就产生了，这些区域称为滑动 区域。则轮胎与路面的接触区可以分为两个部分：粘着区域厶和滑动区域如，静止区域发 生静止摩擦。滑动区域发生滑动摩擦。这是轮胎在正常行驶过程中的运动状态。 只要轮胎发生转动，不管是驱动还是制动，粘着区域总是在接触区的前端。轮胎在制 动状态时。滑动区域的滑动方向是朝向粘着区域的；而在驱动状态时，滑动区域的滑动方 向是背离粘着区域的。 在刹车的状态下，轮胎的胎面没有进入接触区之前，由于拉应力的作用，胎面已经被 拉长了。在静止区域，轮胎的胎面和路面没有产生相对运动，产生粘附力( 静止摩擦力) ； 滑动区域向粘着区域滑动，产生滑动摩擦力。而在驱动的情况下，胎面是在被压缩的状态 下进入接触区的，当胎面离开粘着区域向滑动区域滑动，被匝缩的胎面就开始产生弹性恢 复，胎面伸长。这就是轮胎产生弹性滑转的原因，导致轮胎的平动速度r 和胎面旋转，不 同，即滑动率。 轮胎发生弹性滑转现象时，受力状态见图2 - l 。 一5 东南大学硕士学位论文 图2 1 驱动轮弹性滑转示意图 法向荷载b 由整个接触面积来承担，在粘着区域的作用力有法向反力忍和静上卜摩 擦力，二，在滑动区域如的作用力有法向反力岛和滑动摩擦力b 6 。轮胎受到的竖向荷载 尼由路面产生的反力儿和忍承担，路面对轮胎的附着力，二和e 6 使得轮胎向前运动，静 止摩擦力r 。小于轮胎在此区域滑动时产生的摩擦力，即路面对轮胎的水平方向楚个作用 力小于整个接触区域发生滑动时产生的摩擦力。其作用力之间的关系见式( 2 l ) 。 隰 依= 量 ( 2 ，1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中： 仉附着因数。 从式2 1 中可知路面的附着系数要小于路面的滑动摩擦系数。这是因为轮胎在滑动域 产生由路面反力恐b 产生滑动摩擦力足；，吠。，在附着域由路面反力足。产生一定的静止 摩擦力，该静止摩擦力小于此附着域发生滑动时的摩擦力。随着驱动力矩或者制动力矩的 最大，粘着区域减小，附着力随之变大，附着力晟不等于作用在车轮上的法向荷载b 与摩 擦系数芦的乘积。附着因数他的含义是：作用在整个接触面上的水平反力和法向荷载之比。 附着因数和摩擦系数的概念是不同的，因为在整个接触区蠛包括粘羞和滑动两个部分，当 轮胎胎面的滑转面积或者滑移面积扩大到整个接触面积时附着力就等于摩擦力。 6 - 第2 章轮胎与路面的接触分析 2 1 2 轮胎与路面间摩擦力产生机理 2 2 1 摩擦力构成分析 1 ) 弹性滞后产生的摩擦力 轮胎是由橡胶及其复合材料构成的复合材料结构，橡胶及一些帘线均是粘弹性的材料。 在轮胎滚动过程中，橡胶对变形产生粘弹性阻力，这个阻力成为轮胎滚动阻力的主要部分， 有研究表明由弹性滞后产生的摩擦力占整个摩擦力的1 0 左右。 当轮胎经受周期性的变形时，由于橡胶复合材料的粘弹性，产生了能量损失”“。假设 粘弹性材料受到随时间正弦变化的应力，即： 盯2e r ms m 耐 式中：盯。一最大应力； ( 2 4 ) = 2 矿f 一频率。 此时应变也随时间正弦变化，但落后于应力一个相位角占，应变公式如下： s = s 。s 试耐一占) ( 2 _ 5 ) 式中：s 。一最大应变。 由于应变落后于应力的变化，发生滞后现象，则每一循环变化中就要消耗能量e 为 e l o s s 伽磁归如) 警西 将式2 4 与式2 - 5 代入式2 _ 6 中可得： 2 z p e l o s ，= o m c 。s _ f s i n t o t c o s ( o ) t 一8 ) a t ； 积分可得： e h ；= z o m o c r as i n 6 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 轮胎橡胶的最大应力与最大应变之间有e 1 为轮胎橡胶的复模量，可以通过试验测得，它与 最大应变和最大应力的关系为： e 一：曼 s “ 将式2 - 9 代入式2 7 中，得： e m 。= 碰盯2 ms i n 6 ( 2 ，9 ) ( 2 1 0 ) 由式2 - 1 0 可以看出，影响轮胎能量损失的因素有粘弹性材料受到的最大应力，最大应 变以及回复变形的时间差。轮胎的最大应力与最大应变之间存在对应的关系，受到橡胶材 料特性的影响，两者之间的相位差与轮胎橡胶的最大应交和材料特性有关，当轮胎橡胶材 料一定对，轮胎产生的最大应力越大弹性回复所需要的时间就越大，这样轮胎受到的弹性 滞后的能量损失就越大。 7 东南大学硕士学位论文 2 ) 粘着与微切削作用产生的摩擦力 当两个固体表面接触时，由于表面粗糙。实际接触只发生在表观面积的极小部分上。 实际接触面积的大小和分布对于摩擦力起着决定性的影响。粘着作用与微切削作用构成的 摩擦力占全部摩擦力的9 0 左右。 轮胎与路面接触时，实际上只发生轮胎橡胶与路面面层上石料的微观粗糙峰之间的接 触，这是决定路面抗滑性能的重要方面。图2 - 2 中，d 可为路面的构造深度，圆弧形状的 是路面上的石料颗粒，上面的粗糙峰是集料的微观纹理即与轮胎真正发生接触的部分。 图2 - 2 道路袭面微观示意图 图2 - 3 是粘着效应和微切削效应组成的摩擦力模型【1 4 】。摩擦副中硬表面的粗糙峰在法 向荷载作用下嵌入橡胶表面中，假设粗糙峰的形状为半圆柱体。这样。接触面积由两部分 组成：一为圆柱面，它是发生粘着效应的面积，滑动时发生剪切。另为端面，这是微切 削效应作用的面积，滑动时硬峰推挤橡胶材料。这是因为这两种效应产生的摩擦力，为： 图2 - 3 粘着效应与微切削效应摩擦力模型 ，= r + 尸= a + s p ( 2 一1 1 ) 这里，t 为剪切力，p 为微切削作用力a 为粘着面积即实际接触面积，九为粘着结点的 剪切力，s 为微切削作用面积，p 为单位面积上作用的姬力。 2 2 ，2 构造深度对摩擦力的影响 设有两种使用相同石料的路面，构造深度分别为西，面，d _ ， d 2 ，分别对这两种路面进 行分析。 1 ) 由弹性滞后引起的能量损失的比较： 根据假设，当构造深度为西很小时路面上平均应力近视为： 尸 q 2 i 2 _ 2 式中；p 一轮胎荷载 一厂一轮胎与地面接触时的表观面积； 因为此时路面在轮胎压力作用下发生变形，图2 4 中的虚线表示路面在轮胎作用下的变形 这时轮胎与路面的接触可以近视看作路面的表观面积。 一8 第2 章轮胎与路面的接触分析 石料颗粒 乒到卿， 基准面 7 口月曰乒。 图2 - 4 路面构造深度简化图 构造深度为也时，石料虽然在轮胎压力作用f 发生变形，但此时轮胎还不足以接触到 路面的基准面上，轮胎荷载由这部分石料所承担，设接触面积为一，路面上的平均应力为： p a q 2 石2 盂吒 j 3 将其代入式2 - 1 0 中，求出构造深度为西路面上轮胎弹性滞后引起的能量损失为： r 2 ， e 12j 匠。口l s i n & s2 厄仃1