（道路与铁道工程专业论文）沥青路面表面特性对抗滑性能的影响研究.pdf

摘要 近年来随着我国高等级公路的飞速发展，路面行车安全日益引起人们的关注。路面抗滑 性能作为行车安全的主要保障之一。引起了交通各部门的普遍重视。本文通过对高等级沥青 路面的抗滑机理与影响因素研究分析，运用a b a q u s 有限元软件对不同路表轮廓的沥青路面 与胎面的摩擦接触模型进行模拟，结合摆式仪的理论模型和室内试验，对不同路表特性的沥 青路面的抗滑性能进行了分析，同时针对抗滑指标进行了研究。 首先，根据摩擦学理论，从产生轮胎与路面摩擦力的四个主要力学过程进行分析，揭示 了道路表面构造特征对道路抗滑性能的重要作用。以轮胎与路面间的湿摩擦模型为依据，得 到了不同条件下路表特性、行车速度、交通荷载和环境因素对道路抗滑性能的影响。根据道 路抗滑性能检测现状，介绍了目前使用的抗滑性能检测设备及其功能，并对目前道路抗滑性 能的评价方法进行了比较分析。 其次，介绍了路面微观和宏观构造的基本特征，引用理想粗糙面模型表征路面轮廓，考 虑路面轮廓的摩擦损耗，利用功能转换和合理假设推导了摆式仪测量中摩擦系数与摆升角和 路面轮廓的构造深度h 、粒径尺寸r 的理论表达式，引入实际接触面积与几何接触面积比值 的修正项，使得摆式仪的理论模型更加符合实际。 第三，考虑路面表面轮廓的影响建立了轮胎胎面与柔性路面的摩擦接触有限元模型，探 讨了车辆处于自由滚动和紧急制动过程中在不同路表轮廓影响下的轮胎路面接触压应力、 切向应力的响应，以得到路面抗滑性能与路表轮廓之间的相关规律。 最后，选用沥青上面层常用的6 种混合料形式制成车辙板，进行室内构造深度和抗滑摆 值的测定，分析了这两种抗滑指标的影响因素，验证了摆式仪理论模型的合理性，通过比较 分析得到考虑路表轮廓的预测摩擦系数综合反映了细构造和粗构造能更加真实地预测路面 的抗滑性能。 关键词：表面特性抗滑性能数值分析接触应力摩擦系数抗滑指标 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yi no b rc o u n t r yt h eq u e s t i o n so f d r i v i n gs a f e t yo bh i g h w a yh a v ec a u g h tp e o p i e se y e sp r o g r e s s i v e l y m i n i s t r yc o m m u n i c a t i o n sp a y a t t e n t i o nt os k i dr e s i s t a n c e 砒l a r g ew h i c hi so n eo fm a i ns a f e g u a r d sf o rd r i v i n gs a f e t y t b e m e c h a n i s mo fs k i dr e s i s t a n c ef o r m a t i o na n di n f l u e n c ef a c t o r sa r er a r c h e da n dt h em o d e l c o n s i s to f a s p h m tp a v e m e n ta n dt r e a dc o n t a c ti ss i m u l a t e du s i n gf | m he l e m e n tp r o g r a ma b a q u s s k i dr e s i s t a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n t sw i t hd i f f e r e n ts u r f a c et e x t u r e si sa n a l y z e dc o m b i n e dw i t h b r i t i s hp e n d u l u mt e s t e rt h e o r ym o d e la n dl a b o m t o r yt e s t , m e a n w h i l et h ei n d e xt oe v a l u a t et h e s k i dr e s i s t a n c ei sa l s os t u d i e d a tt h eb e g i n n i n g ，f o u rm a i nm e c h a n i c a lp r o c e s s e sp r o d u c i n gf r i c t i o nb e t w e e nt y r ea n d p a v e m e n ti sa n a l y z e dp o s t i n gs u r f a c et e x t u r ef e a t u r e sa f f e c ts k i dr e s i s t a n c es e r i o u s l y b a s e do nt h e w e tf r i c t i o nm o d e lb e t w e e nt y r ea n dp a v e m e n t ，u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sh o ws u r f a c et e x t u r e ， v e h i c l ev e l o c i t y , t r a 仿cl o a d sa n de n v k o n m e n tf a c t o r si n f l u e n ts k i dr e s i s t a n c ei sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo ft h ef r i c t i o nm e a s u r e ，t h ef r i c t i o nm e a s n x ee q u i p m e n t sa n df u n c t i o n a r ei n t r o d u c e d ，a n dm e t h o d st oe v a l u a t et h ep a v e m e n ts k i dr e s i s t a n c ea r ec o m p a r e da n da n a l y z e d s e c o n d l y , b a s i cf e a t h e r so fm i 盯o t e x t a r ea n dm a c r o t e x t u f ea r ei n t r o d u c e 正u s i n gt h e o r y c o a r s c n e s sm o d e ld e n o t e st h ef i g u r eo f p a v e m e n ts u r f a c e ，t a k i n gf r i c t i o nw a s m g eo f s u r f a c ef i g u r e i n t oa c c o u n t ，t h e o r ye x p r e s s i o no ff r i c t i o ni n d e xa n dp o n d u l a ra n g l e ，m e a nt e x t u r ed e p t hh a g g r e g a t es i z eri se l i c i t e dw i t hc o n v e r s i o no f w o r ka n de n e r g ya n dr e a s o n a b l es u p p o s e s o w i n gt o t h er a t i oo fa c t u a lc o n t a c ta c r e a g ea n dg e o m e t r i c a lc o n t a c ta c r e a g ei sc o n s i d e r e d ，t h i sb r i t i s h p e n d u l u mt e s t e rt h e o f ym o d e la c c e r d sw i t ht h ef a c tb e t t e r t h i r d l y , af m i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e li se s t a b l i s h e di n c l u d i n gr u b b e r 廿e a da n df l e x i b l e p a v e m e n t t b er e s p o n s eo fc o n t a c ts t r e s si nt h ec o n d i t i o n so fd i f i e r e n ti n t e r f a c i a lf r i c t i o n c o e f f i c i e n t sb e t w e e nt r e a da n ds u r f a c eu n d e rf r e e l yr o l l i n ga n de m e r g e n tb r a k i n gs t a t e sa r e d i s c u s s e d a n dp e r t i n e n tm e c h a n i s mo f s k i dr e s i s t a n c ea n ds u r f a c ef i g u r ei sr e c e i v e d f i n a l l y , s i xk i n d so fh o tm i x t u r ea s p h a l tu s e di nu p p e rs u r f a c ea r em a d ei n t or u tb o a r d s ， a n dm t da n db r i t i s hp e n d u l u mt e s t e r sa l et a k e n 1 1 ”m f l u e n c i n gf a c t o r so ft h e s ei n d e x e st o e v a l u a t et h es k i dr e s i s t a n c ea r ea n a l y z e d ，a n dt h er a t i o n a l i t yo f t h eb r i t i s hp e n d u l u mt e s t e rt h e o r y m o d e li sv a l i d a t e d w i t hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g ，t h eb r i t i s hp e n d u l u mt e s t e rt h e o r ym o d e l c o n s i d e r i n gt h ef i g u r eo fp a v e m e n ts u r f a c ew h i c hr e f l e c t s f r e et e x t u r ea n dc o a t e x t u r e s y n t h e t i c a l l yc a l lf o r e c a s tt h es k i dr e s i s t a n c eo f p a v e m e n tm o r ea u t h e n t i c a l l y k e yw o r d s ：s u r f a c et e x t 3 n e f r i c t i o nt o e f f i c i e n t s k i dr e s i s t a n c en u m e r i c a la n a l y s i sc o n t a c ts t r e s s i n d e xt oe v a l u a t et h es k i dr e s i s t a n c 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 其它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文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。 研究生签名圾鱼日期： 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、缩印或其它复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，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：丛鱼导师签名： 锄 孑二。 期：鲨巧 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 近年来，我国的公路建设迅猛发展，促进商品和各种要素在全国范围自由流动、充分竞 争，为本世纪头二十年，中国经济总量翻两番提供先决条件，公路的覆盖率和通达深度已成 为国家发展水平的重要标志之一。2 0 0 6 年末，我国高速公路里程达4 5 万公里，比2 0 0 2 年 末增加2 万公里，增长8 0 4 ，年均增长1 5 9 。截止到2 0 0 6 年底，全国除西藏自治区外， 各省( 区，市) 都建有高速公路，其中高速公路里程突破2 0 0 0 公里的省( 区、市) 达到6 个。现 代交通运输要求安全、快捷、经济、环保，对道路运营者来说，行车安全性是第一位的，有 此基础才能谈得上经济性和舒适性。根据公安部交通管理局的统计资料，2 0 0 6 年全国共发 生道路交通事故3 7 8 7 8 1 万起，造成8 9 4 5 5 人死亡，虽然各项指标较2 0 0 5 年同期分别略有降 低，但绝对数量仍然惊人，平均每6 分多钟就有一人死于交通事故，平均每1 分多钟就有一 人因交通事故而受伤。 产生交通事故的原因主要由人、车，路，环境、管理组成，但与路面的抗滑性能有十 分密切的联系。根据英、美、日等国的交通调查，雨天的交通事故约占总数的2 0 左右”j 。 调查结果分析表明这些事故的发生是直接由于路滑所导致的。汽车在公路上行驶时。时常会 由于轮胎打滑而产生事故。在交警部门调查时，车况良好，车速也在允许范围内，操纵又没有 失误，之所以出现因轮胎打滑而产生的事故，是由于路面太滑的缘故。公路部门则说，公路是 按国家标准修建的，路面粗糙度也是经过有关部门验收合格后，才交付使用的。另外，交警查 验事故地段的路面。也认为确属正常。造成事故的原因至今还难以判断。 轮胎与路面相互作用产生的抗滑力是提供安全性能的主要保障，并与路面的表面特性 和轮胎的表面特性关系密切。由于胎面和路面材料及表面形式的复杂性，轮胎在路面真实滚 动状态的不确定性都加大了研究接触抗滑力的困难程度。但大多数的抗滑课题研究忽略了路 面表面不平构造的影响从宏观力学的角度入手；为此以考虑路面凹凸不平的表面特性为切入 点研究其对抗滑性能的影响关系是路面抗滑领域研究的新的方向，也是将表面几何理论应用 在路面研究的先驱，对路面抗滑力的成因及控制的研究意义重大。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 轮胎胎面与路面摩擦接触研究 ( 1 ) 轮胎路面摩擦力的组成和产生机理 频繁发生的交通事故促使人们对路面抗滑能力和交通事故进行调查分析的同时，从摩 擦学、表面特性和汽车动力学等理论层次去探究路面抗滑能力在减少交通事故方面的作用机 理，认识到路面抗滑力主要受橡胶轮胎和路面之间的摩擦力的影响。如图1 1 所示，t a b o r 理论认为路面与轮胎间的摩擦力主要由三部分组成l z l ，分别为：附着分量e ，滞阻分量只和 凝聚分量c 。据研究，在这三个分量中，附着分量f 所占比例在90 以上，滞阻分量e 所占比例略小于1 0 ，而凝聚分量c 只占极小的一部分，一般可以忽略不计。以这3 种力 与垂直压力p 之比表示摩擦系数得： f = f p = f p + e p + 只p = 五+ 五+ z ( 1 - 1 ) l 东南大学硕士学位论文 图1 一l 轮胎与路面间的摩擦力组 轮胎与路面间摩擦产生的机理可归纳为以下四个力学过程唧，并由这四个力学过程的共 同作用形成了轮胎路面摩擦力的三分量。 轮胎与路面间分子引力作用 实践表明，当两个物体表面之间相距非常近时，其间的分子引力作用是相当可观的，这 种分子引力就构成了轮胎路面摩擦力中附着分量的一部分1 4 l 。但由于轮胎的橡胶分子和路 表材料分子间距离较大，在一般车辆荷载的作用下这种分子问引力作用并不明显，但在重载、 超载车辆作用下这种分子间引力作用更加明显。这种摩擦力除与轮胎和路面材料的性质有 关，还主要取决于轮胎和路面间实际接触面积的大小，它受路面状态，如污染、水膜、灰尘 及湿度等影响较大。 轮胎与路面间的粘着作用 试验表明”i ，与金属间的粘着类似，轮胎与路面间也会发生粘着作用n j 。对轮胎进行磨 损试验后，可在轮胎表面找到粘着在其上的路面磨粒。同样，在路面上可发现粘着在其上的 橡胶磨粒。另外，轮胎与路面间发生的静电吸引也是轮胎与路面间发生粘着的一个证明。将 轮胎与路面间粘着点剪断所需要的力就是摩擦力中附着分量的重要组成部分。由粘着作用而 产生的摩擦力主要取决轮胎与路面材料的性能、接触面之间的压力、路面状态以及轮胎与路 面间的实际接触面积。 路面上小尺寸微凸体的切削作用 在载荷作用下，路面上较小尺寸的微凸体会在胎面的局部产生较大的应力集中”j 。当胎 面上所产生的局部应力超过了其断裂强度时，在切向力的作用下，路面上尺寸较小的微凸体 就会对胎面形成微切削作用。这种微切削作用和一般金属摩擦学中的犁沟作用非常类似，微 切削过程中产生的阻力就是轮胎与路面间摩擦力中附着分量的一部分。许多轮胎摩擦表面的 扫描电镜照片都证明了轮胎与路面间微切削作用的存在口l 。由徼切削作用产生的摩擦力除与 轮胎及路面的材料性能有关外，它主要取决与较小尺寸微凸体的大小、分布情况及锋利特性。 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附着 分量占全部摩擦力的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1 2 中，d 可为路面的构造深度，圆弧形状的是 路面上的石科颗粒，上面的粗糙峰是集科的微观纹理即与轮胎真正发生接触的部分。 图l - 2 道路表面微观示意图 2 第一章绪论 图l - 3 是枯着作用和微切削作用组成的摩擦力模型1 9 1 。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，它是发生粘着作用的面积，滑动时发生剪切。另一为端面，这是微切削效应作 用的面积，滑动时硬峰推挤橡胶材料。这两种作用产生的摩擦力附着分量c 为： 剪切面 图l 一3 粘着作用与微切削作用摩擦力模型 f = t + p = 缸b 十s p 。 l 1 - 2 ) 这里，r 为剪切力，p 为微切削作用力，彳为粘着面积即实际接触面积，为粘着结点的剪 切强度，s 为微切削作用面积，见为单位面积上作用的阻力。 当接触表面处于塑性接触状态时，试验证明：毛的数值与润滑速度和润滑状态有关， 并十分接近软材料的剪切强度极限。这证明粘结结点的剪切通常发生在软材料内部，造成胎 面橡胶在磨损的过程发生材料迁移现象。见的数值决定于软材料性质而与润滑状态无关。 通常p ，值与软材料的屈服强度成正比，而硬峰嵌入深度又随软材料的屈服极限的增加而减 小，对于球体嵌入平面，可推得切削力与软材料屈服极限的平方成反比，即材料越硬，切削 力约小。 因此不同的路面轮廓形式影响着胎面与路面的实际接触面积a ，微切削作用面积s ；且 材料中的剪切强度极限和屈服强度也与表层的应力状态和几何接触有关，因此路面轮廓形式 对摩擦力附着分量只的影响很大。 轮胎橡胶的弹性变形 与金属材料不同、橡胶是一种弹性非常好的材料。在路面较大微凸体及胎面花纹等作用 下，胎面橡胶会反复产生较大的弹性变形，这种弹性变形所产生的变形力与弹性变形恢复力 的合力构成了摩擦力的滞阻分量。由于存在弹性滞后等的影响，弹性变形恢复力总是要小于 弹性变形力。不同胎面花纹的轮胎在纵向或横向产生纵向或横向摩擦力的能力也完全不同， 这充分说明了橡胶弹性变形对轮胎与路面间摩擦力产生的作用。 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： 仃= o ms i n 耐 ( 1 - 3 ) 东南大学硕士学位论文 式中：口一最大应力； 国= 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艿，应变公式如下： = 厶s i n ( “一回 ( 1 - 4 ) 式中：，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z k 为： = p ( f ) 础) = 扣掣出 将式( 2 3 ) 与式( 2 - 4 ) 代入( 2 5 ) 中得： 2 z | 譬 e o = e re 。i s i n 耐c o s ( 耐一回d t ； 积分可得： e m | = 霜口。s i n 8 ( 1 5 ) ( i - 6 ) ( 1 - 7 ) 轮胎橡胶的最大应力与最大应变之间有e 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： et：a,n(1-8) e m 将式( 2 - 8 ) 代入式( 2 - 7 ) 中。得： e | 。= 癌o r 2 。s i n 8 ( 1 - 9 ) 对于定距离l ，设车速为v ，则轮胎周期性变形的次数：月= 二- 厂= = - ，在距离l v2 7 r v 内，轮胎由于滞后作用需要消耗的能量 tm = h 乙= e 仃2 。s i n 8 ( i i o ) z v 由式( i - 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，回复变形的时间差和激励力的角速度。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变和材料特性有关， 当轮胎橡胶材料一定时，微凸体深度越大轮胎产生的最大应力越大弹性回复所需要的时间就 越长，这样轮胎受到的弹性滞后的能量损失就越大。轮胎能量损失还与轮胎周期变形的角速 度国有关，根据强迫振动理论搿与由路表较大徼凸体产生的激励外力的角速度一致，因此 由轮胎弹性变形产生的摩擦力中的滞阻分量还与路表较大微凸体的分布特征有关。 综上可知，道路表面微凸体的分布特征、几何形状影响着轮胎路面摩擦力产生的四个 力学过程从而成为路面抗滑性能重要影响因素。在传统的路面结构数值模型中没有考虑路表 轮廓的影响而以光滑的平面代替凹凸不平的真实路表，因此在研究路面抗滑性能时要着重考 虑路表轮廓影响。 4 第一章绪论 ( 2 ) 轮胎路面摩擦接触的数值分析 轮胎胎面是轮胎外部的橡胶层，它由基部橡胶薄层和顶部橡胶单元即胎面花纹或花纹 条组成。汽车行驶时，胎面单元承受压缩和剪切载荷作用。胎面单元与路面的接触状态决定 于单元的形状、尺寸和材料，路面状态和单元所受荷载。研究胎面与路面的相互作用过程中， 胎面橡胶的接地特性对于了解轮胎与路面摩擦接触的机理和载荷传递特性都具有重要意义。 随着有限元方法的迅速发展，许多学者利用有限元软件模拟复杂的胎面与路面的接触状态进 行数值分析，得到一系列的胎面接触特性规律u ”，主要集中在汽车工业领域研究重点为轮胎 胎面的优化设计。在路面领域传统的路面结构建模过程中忽略了胎面的影响直接将载荷作用 在路表面层，因此研究路面抗滑性能的数值模型目前没有出现。 1 2 2 路面表面构造对抗滑性能的影响 路面抗滑性能主要与路表的构造状况有关。第1 8 届世届道路会议路表特性委员会研究 发现路面抗滑力主要取决于路面表层的微观构造和宏观构造”q 。路表水的存在改变了层间 接触状态，引起抗滑性能的下降。此时轮胎与路面的接触有两种基本形式“：边界层润滑 型摩擦接触和弹性水动力润滑型摩擦接触。当两物体紧密接触时发生边界层摩擦，如图1 4 所示此时润滑膜只有几个分子层的厚度。弹性水动力润滑型摩擦与边界层摩擦相反。在较高 的车速的作用下，由于车轮前进方向的积聚而使轮胎产生弹性凹陷( 水的惯性和粘滞性阻力 是引起这种凹陷的原因) 并形成向上的压力，由此而导致摩擦力的急速下降，这种现象称为 水动力润滑， 轮胎前进方冉 - - - - - - - - - - - 一 水哩么 路面 轮胎前进方向 _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 水遮一么 路面 图1 - 4 边界层润滑型摩擦接触图1 - 5 水动力润滑型摩擦接触 如图1 5 ，实际上是部分边界膜润滑和部分弹性水动力润滑的混合状态。当速度再提高时将 会产生完全的水动力润滑。另一种重要的润滑形式( 在某种程度上归属弹性水动力润滑一类) 是“挤压膜润滑接触”，此时车速较高，轮胎较软，水被罩在轮胎的凹陷之内，见图1 - 6 。 轮胎前进方冉 - - - - - - - - 一 水八 路面 l 区：连续木曩i2 区：田断东囊l 3 区：千量接 图1 - 6 挤压膜润滑型摩擦接触图1 7 轮胎与路面间的湿摩擦模型 在水的作用下，轮胎与路面的接触面分为三个区，如图3 所示。第l 区为轮胎前路表面 5 东南大学硕士学位论文 的连续水膜区，是由高速行驶的车轮作用在路表面的积水上所引起的水的惯性力和滞阻力所 形成的，是一种动水压力润滑作用；第2 区由于车轮的挤压作用水膜被扩散，形成间断性的 薄水膜，此润滑膜通常只有几个分子的厚度；第3 区内水被彻底挤走，轮胎与路面的之间处 于干燥接触状态，可以提供行车所需要的抗滑力。 ( 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。从轮胎与路面间的摩擦基本模型可知，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 o 5 m m ，垂直 方向0 0 0 5 0 2 m m 的微观构造，或称石科的表面纹理。沥青路面的微观构造用摩擦系数仪 ( 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，常称此摩擦力为加速磨光值( 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。车辆低速行驶时，在其作用下水的惯 性力较小。则动水压力的润滑作用较小，所以此时图1 7 中l 区厚水膜降低抗滑力的作用并 不明显。由于车速较低，轮胎与路表面接触时间长，则3 区的接触面积较大，所提供的附着 分量c 也较大，并且此时由于胎面橡胶与路表凸构造接触充分使得轮胎的弹性变形量也比 高速行驶时更大，所以滞阻分量e 也有所提高。此时微观构造越大，轮胎与表面的附着力 也越大。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 n m 以上) 。轮胎和路面之间 的排水能力和租结构有关。 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，使干燥接触区面积增大，胎面与路面的接触形式呈边界润 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就不能及时排出， 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。车辆高速行驶时，轮胎与路表接触面积小，图1 7 中由3 区提供的有效附着力只 较小，再加上轮胎与路表接触时间短，即橡胶轮胎的弹性变形不充分，其所提供的滞阻力吒 也有下降。并且此时1 区的水膜由于惯性力增大而出现面积扩大和厚度增加的趋势，所以高 速时水的润滑作用加强，如果路面不能有很好的排水特性，其抗滑性能就会大幅度降低。 综上可知对于不同的道路服务水平和环境条件提高路面抗滑性能需要注意的重点也不 同”1 。在低等级公路或城市道路交叉口处等车辆行驶速度较低的路段，路表的微观构造对 抗滑力的影响重大；对于高速公路、城市快速路路表的宏观构造是提高路面抗滑力减少雨天 交通事故的决定因素。所以要根据道路的具体情况来考虑提高其抗滑性能的合理方法。在评 价路面抗滑能力时可考虑合理综合微观、宏观构造的影响达到全面评估道路的抗滑安全性能 的目的。 6 第一章绪论 1 2 3 抗滑性能检测评价研究 ( 1 ) 抗滑性能的检测现状 根据切入阶段的不同分为检测路面摩擦系数的直接力学模式和检测路表构造的间接几 何特征法两类，根据各自运载工具( 汽车、飞机等) 、交通类别( 城市道路、高速公路、机 场等) 、交通特点( 交通组成及其密度、车速等) 以及测试目的( 室内试验研究、现场测试 等) 等方面的特点，纷纷研制出各其特点的抗滑检测手段和设备。摩擦系数设备可分为定点 摩擦系数测试仪和连续式摩擦系数测试仪c f m e ( c o n t i n u a lf r i c t i o nm e a s u r ee q u i p m e n t ) 两种。目前使用的路面抗滑性能检测设备如下所示“q ： 摆式摩擦系数测定仪( 定点式摩擦系数检测设备) 摆式摩擦系数测定仪( 见图l - 8 最初由英国t r 2 r l 研制，然后在全世界许多国家被广泛使 用。其工作概念是根据能量守恒的定理，将摆臂势能损失转化为路面摩擦力所作的功，进而反 算出摩擦系数并通过摆式仪的摆值读出。8 0 年代交通部公路科学研究所的有关技术专家研制 出第一代国产摆式仪，后被订入我国相关的行业技术规范、规程中。国产摆式仪的基本工作 原理与英国产品相同，但在部分结构和材料等因素上存在一定差别，经十几年的使用与考察， 同时考虑到与国际技术标准的接轨，经过改进的新一代国产摆式仪已于2 0 0 0 年通过检定。摩 擦系数测定仪便于携带，操作简单，但只能在单点采样条件下测定一种速度下的摩擦系数。 图i - 8 摆式摩擦系数仪b p t 和e p 7 2 0 1 1 型英国横向摩阻力测试车s c r v i 锁定轮型( l o c k e dw h e e lt e s t e r ) ( 连续式摩擦系数检测设备) 锁定轮系统的滑移率为1 0 0 ，即测试轮在测试过程中完全滑动，不滚动。轮胎与路 面的相对速度就等于汽车的行驶速度。这种设备摩擦系数测试是连续的，并可以检测出摩擦 系数的峰值( 最大值) 。 这种设备的变化类型就是滑移率可以从o ( 自由轮) 变化到1 0 0 ( 锁定轮) 。锁定轮 型摩擦系数仪通常自备一个洒水系统，常用水膜厚度为o 5 m m 。常用的有美国的a s t m e - 2 7 4t r a i l e r , s k i dr e s i s t a n c et e s t e r ( p ) 等。 侧向力型( s i d ef o r c em e a s u r e m e n t ) ( 连续式摩擦系数检测设备) 侧向力型摩擦系数仪有一个与行驶方向成一定角度的测试轮。侧向力或转弯力与测试轮 旋转方向垂直。典型代表为s c r i m 英国设计的s c r i m ( 见图l o ) 是这种类型用于公路检 测的摩擦系数仪中的代表。它的测试轮的偏转角为2 0 0 ，自备洒水系统正常水膜厚度为1 m m 。测得的横向力与竖向荷载的比值为侧向力系数s f c 。 固定滑移率型( f i xs h pd e v i c e ) ( 连续式摩擦系数检测设备) 固定滑移率型摩擦测试仪在测试过程中，其测试轮不是完全锁定，而是在滚动的同时滑 动，并且滑移率比较小。固定滑移率型摩擦系数仪常用滑移率为1 0 一2 0 。这类设各能 够连续记录摩擦系数值。这类设备也是检测低速状态下的摩擦系数。 7 东南大学硕士学位论文 s a b 和r u n w a y 这两个摩擦系数仪都属于这种类型，他们主要为检测机场道面设计的。 有些机场工作人员对它们不满意，因为它们不能检测摩擦系数峰值并且在有冰或雪的跑道上 测试值与峰值相差很远。 可变滑移率型( v a r i a b l es h pd e v i c e ) ( 连续式摩擦系数检测设备) 可变滑移率型摩擦系数仪比较少。n o r s e m e t e r 是其中一种。它可以在任何滑移率情况 下进行测试。因为滑移率对测试结果是存在影响的，这使得其测试结果在分析非常复杂，不 便于使用。 断面类( t e x t u r ed e v i c e ) ( 构造深度检测设备) 现在断面类构造仪基本类型有三种它们是：激光断面仪、灯光扫描仪和探针跟踪仪，其 中激光断面仪是最普遍的。这三种都是通过检测粗构造的纵断面来计算其构造深度的。 激光断面仪应用广泛，它可以固定在摩托车的横粱，也可以装在汽车上，也可以进行手 推式检测。通常，激光断面仪发射光束并在另一个角度进行接收反射光来检测反射点的高度。 丹麦的d y n a t e s t 的激光断面仪r s p 就可以用来检测路表粗构造。 体积法( v o l u m e t r i c ) ( 构造深度检测设备) 体积法是将已知的材料在路面上摊铺成圆形，然后量出直径并可算出圆的面积，将体积 除以面积并可得到平均构造深度( m t d ) 。这种方法常称作铺砂法，因为多年来都是用砂子 进行的。为了更精确，建议使用细玻璃珠，而砂子仍然可以用。将已知体积的砂摊铺在所要 测试的路表面的测点上，量取摊平覆盖的面积砂的体积与所覆盖平均面积的比值。即为构造 深度。 流出仪( o u t f l o w ) ( 构造深度检测设备) 流出仪测试的工具是一个清洁的已知体积的圆筒容器，在圆筒和路面之间有一个橡胶 圆形套筒进行密封。在圆筒中注满水，然后测出水流出的时间。测量时间的方法有：用秒表 记录圆筒水位从一个筒壁标记处到另一个筒壁标记处之间的时间，或者用电子计时器记录悬 挂在圆筒内的两个电极之间落差的时间。这样测试构造的单位是；j ，因为正是构造决定 了出水率。在一个非常光滑的平面上，这个时间是无限长的。 ( 2 ) 抗滑性能评价现状 对于抗滑性能的评价，都是基于已有测试设备的检测数据，但在处理数据的方式上不尽 相同，可以将其分为两类： 单指标评价 在我国现行沥青路面设计规范中采用单指标分别从摩擦系数及路表面构造深度两个角 度进行规定路面抗滑性能，水泥混凝土路面规范以构造深度为指标对其抗滑指标进行要求。 路面的抗滑性能包括纵向和横向两个方面。纵向抗滑性能决定车辆在刹车时的滑行距离，对 避免追尾交通事故的发生有直接的决定作用，横向抗滑性能决定车辆的方向控制能力，尤其 对车辆在弯道行驶的安全性非常重要。因此，以摩擦系数来评价抗滑性能可以从这两个方面 进行。 1 ) 纵向摩擦系数( c f l ) 纵向摩擦系数是用一个刹车轮或一个滑动轮测定的。它是轮胎与路面间的水平力( e ) 与车轮的垂直力( c ) 的比值 c f l = 只e ( 1 1 1 ) 测定值随选定的实验条件( 如光滑的或有花纹的轮胎、水膜厚度、滑溜和车速) 而变。 8 第一章绪论 2 ) 横向摩擦系数( 侧向力系数s f c 和横向摩擦系数c f t ) 横向摩擦系数是选用一个有角度的轮在某一偏角下测定的。他表示车辆在曲线内以及紧 急驾驶横穿路面需要的抗滑能力，它是垂直于实验轮旋转平面的侧向力与轮重c 的比值。 例如，横向力测试车s c r i m 就是采用偏转轮( 偏转角2 0 度) 来测试的。 通过比较不同路面某一抗滑指标的差异来评价路面抗滑水平的优劣。采用的指标有各种 定义的摩擦系数( 如摆值、横向摩擦力系数、锁轮型和滑动型摩擦系数等) 或不同测试方法 反映构造深度( 如铺砂法和排水测定法等) ，据轮胎路面界面摩擦机理分析，车轮低速行 驶的摩擦系数在很大程度上取决于路面的微观构造，在潮湿路面上高速行驶时宏观构造逐步 变得重要，因此可以说这两种指标分别着重于从微观和宏观方面的构造特征来评价路面的抗 滑性能。这种方法的优点在于简单直观，容易判断：缺点在于抗滑性能本身是一定构造水平 下路面所固有的属性，不同的抗滑指标( 不同定义的摩擦系数、不同方法测定的构造特征等) 尽管都能从一定的侧面反映路面的抗滑水平，但反映都不全面，有时甚至会得出相互矛盾的 结果。即便是同一种抗滑指标，由于测量仪器之间的差异，其结果有时也很难用于直接比较。 模型评价 从所周知，沥青路面的抗滑性能是多种影响因素共同作用的结果，其内部机理非常复杂， 很难一一对其影响抗滑性能的范围和方向进行评估。目前常用的方法是在考虑行车速度的前 提下，以路面粗、细构造或以之为基础的统计量为变量，根据大量实测数据建立路面抗滑性 能的预估模型，常用的有p e n ns t a t e 模型、修正的p e n ns t a t e 模型和p i a r c 模型i i “。 前公认最好的是世界道路协会( p i a r c ) 于1 9 9 2 年根据大规模的路( 道) 面抗滑性能检测 设备对比与协调试验结果提出的p i a r c 模型，并在此模型中初次使用了国际摩阻指数i f i 的评价标。国际摩阻指数i f i 包括两个参数：速度数品和标准速度的摩阻数，砷，其表达格 式为：i f i ( f o ，昂) 用如下曲线( 图i - 9 ) 来判断路面抗滑性能是否满足要求及判定抗滑性能 不足的原因了。 ；醚 舞 鼍 遵度数如 图i - 9 国际摩阻指数i f i 示意图 。区? 抗滑性能良好? 占区? & 偏小，需改进路表粗构造 f 区j 偏小，需改进路表细构造i 口区j 配和均偏小，需改进路表粗构 造与细构造。 模型评价的优点在于同时考虑了车速、摩擦系数和构造深度等因素对抗滑能力的综合影 响，但对于路面材料自身抗滑属性所起作用有所屏蔽，因此更适用与路面养护管理系统对路 面抗滑状况的评价。路面的表面构造是一个从微观到宏观尺度上连续的不规则地凹凸分布， 9 东南大学硕士学位论文 并且呈现出一定的统计特征，由于不同的尺度具有不同抗滑特征，所以从路表的轮廓特性入 手来研究实现对其抗滑性能评价是值得尝试的。 1 2 4 提高路面抗滑能力的主要措施 路面的抗滑性能随着行车的磨耗和压密作用逐渐降低，在潮湿多雨季节极易造成交通 事故，提高沥青路面抗滑性能可以通过以下几种方法来实现j l ”： 采用抗滑性能好的沥青混合料形式如沥青马蹄脂碎石s m a ，透水沥青面层p a 、超薄 沥青混凝土( u t a ) ，包括对沥青混合料中抗滑石料( 也包括烧铝矾土、陶粒、矿渣等人造石料) 及改性沥青的使用、级配的设计和优选等。 采用工艺型抗滑封面结构，包括表面处治( 宏观和微观表处) 和刻槽等养护技术、嵌 压集料封层和透水封层技术、树脂系高分子材料( 环氧树脂、聚氨酯甲酸脂等) 面层( 嵌撒 粒料) 防滑处理技术等。 清除污染物和橡胶磨痕。 综合近几年我国高速公路沥青面层的抗滑现状发现存在以下几个问题： ( 1 ) 传统的路面结构数值模型没有考虑轮胎胎面和路面几何轮廓的影响，不能分析胎 面与路面的摩擦特性。 ( 2 ) 路面构造对抗滑性能影响重大，但其具体的影响方式和规律并不清楚。 ( 3 ) 抗滑指标( 摆值和构造深度) 的物理意义不明确与胎面与路面间抗滑性能的相关 性不好。 ( 4 ) 面层沥青混合料的抗滑性、水稳性和耐久性很难协调和平衡。 1 3 研究目的及主要内容 研究目的：从理论角度研究轮胎和不同表面构造形式的路面的相互作用：结合数值模拟 和室内实验方法分析路面的表面构造对抗滑性能的影响，进行考虑路表轮廓的抗滑指标的探 讨。 研究的主要内容： ( 1 ) 考虑轮胎与不同路面轮廓的路面的接触情况，利用理想粗糙面模型和物理原理建 立了橡胶轮胎与路面间的摩擦系数与摆升角度和路面轮廓的关系模型( 即摆式仪理论模型) 。 ( 2 ) 建立了考虑路面轮廓的轮胎胎面与柔性路面的摩擦接触数值模型，通过对胎面与 路面接触应力和抗滑系数的分析得到路面轮廓对抗滑性能的影响规律。 ( 3 ) 实测多种级配类型的车辙板试件在不同滑动距离下的摆升角度，分析此实测曲线 与摆式仪理论曲线的一致性：对多种级配类型由经验公式转换得到的摩擦系数和未考虑路面 轮廓以及考虑路面轮廓的预测摩擦系数进行分析，比较各种摩擦系数运用的合理性。 1 0 第二章影响抗滑性能的路表特性分析 第二章影响抗滑性能的路表特性分析 由前面轮胎路面摩擦力的产生机理和影响因素的分析可知道路表面的构造特性对抗滑 性能有重要影响，本章将对路表特性与抗滑性能的相关关系进行深入分析。 2 1 影响抗滑性能的构造尺度分析 2 1 1 路面构造尺度的分类 构造特征是沥青路面使用性能的主要影响因素之一，直接决定轮胎，路面接触界面所发 生的各种功能特性，如抗滑安全性、降噪功能、经济燃油性及轮胎磨损等，还决定着与交通 安全相关的喷溅、滚动特性，路面可以通过构造深度和构造密度来表示。第1 8 届世界道路 会议路表特性委员会根据波长范围将路面构造波长的不同划分为微观构造、宏观构造、大构 造、不平整度四种i l q ，见图3 一l ，图中也列出了不同构造对路面表面功能的影响。其中大构 造和不平整度对路面抗滑力的提高意义不大，相反会增加车轮的磨损和油耗，降低行车舒适 性，因此是沥青路面应避免的表面特性；微观