基于輪胎與路面接觸壓力特性的路面抗滑性能評(píng)價(jià)方法

曹一翔 孫楊勇

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510500）

壓力感應(yīng)膠片是一種能快速測(cè)得壓力大小及分布的聚酯片，在分析兩物體接觸壓力分布特性方面已有大量應(yīng)用。1989年，國(guó)外Pezon R F等就開始嘗試?yán)脡毫δz片研究不同類型輪胎的路面接觸壓力分布[1]；2006年，Costanzi M等使用壓力膠片研究輪胎壓力分布與瀝青路面變形的關(guān)系[2]；2014年，Smail Hamlat等通過(guò)壓力膠片，得到重載貨車的輪胎與瀝青路面的壓力及壓力分布關(guān)系，研究瀝青路面耐久性和表面抗剝落性能[3]。國(guó)外將壓力膠片引入道路領(lǐng)域的研究開展較早，但研究主要集中在輪胎與路面的壓力大小及分布兩個(gè)方向上。在國(guó)內(nèi)，羅紹河等人利用壓力感應(yīng)膠片研究巖石連通空隙的分布[4]；2015年，華南理工大學(xué)李智等使用壓力感應(yīng)膠片研究輪胎與路面的有效接觸面積，壓力場(chǎng)分布及其應(yīng)力集中效應(yīng)等問(wèn)題[5]。

1 壓力感應(yīng)膠片工作原理及應(yīng)用

壓力感應(yīng)膠片是一種在受壓時(shí)膠片上出現(xiàn)紅色區(qū)域、色彩的濃度隨著壓力的改變而改變的聚酯片。本文采用雙片型壓力膠片，一片涂有一層微囊生色物質(zhì)，另一片涂有顯色物質(zhì)。膠片受到壓力時(shí)，微囊破裂，生色物質(zhì)與顯色物質(zhì)相互反應(yīng)，紅色區(qū)出現(xiàn)在膠片上。

壓力感應(yīng)膠片工作原理如圖1所示。

圖1 壓力感應(yīng)膠片工作原理

壓力感應(yīng)膠片最小測(cè)量面積0.1 mm2，精度±0.02 MPa。可通過(guò)計(jì)算軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的壓力膠片進(jìn)行處理：

（1）對(duì)膠片進(jìn)行掃描識(shí)別。

（2）對(duì)掃描后的色彩信息進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)不同范圍的荷載信息進(jìn)行變色區(qū)分，直觀體現(xiàn)荷載區(qū)域信息。

（3）對(duì)處理后的荷載信息進(jìn)行量化識(shí)別。

2 室內(nèi)模擬試驗(yàn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用壓力感應(yīng)膠片測(cè)試輪胎與路面的接觸壓力與壓力分布特性，其影響因素可分為壓力感應(yīng)膠片規(guī)格、車輛荷載、輪胎胎壓、輪胎類型和路面結(jié)構(gòu)類型。研究不同因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，不同因素的水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平

2.2 壓力膠片掃描結(jié)果及分析

對(duì)試驗(yàn)后的壓力感應(yīng)膠片進(jìn)行掃描分析，可以讀出每一點(diǎn)壓力值的大小，軟件直接給出接觸面積、平均壓力、最大壓力、車輪荷載以及測(cè)量面積等信息，并可計(jì)算出有效壓力比例（有接觸壓力部分的面積占輪胎與路面的總接觸面積的比例）、壓力響應(yīng)比例（某一壓力值的面積占有接觸壓力部分的面積的比例）等信息。

0.2～0.6 MPa和0.5～2.5 MPa的壓力感應(yīng)膠片在AC-13、MRS和水泥面板上的膠片掃描結(jié)果如圖2～圖7所示。

圖2 AC-13混合料的壓力感應(yīng)膠片掃描結(jié)果（0.2～0.6 MPa）

圖3 AC-13混合料的壓力感應(yīng)膠片掃描結(jié)果（0.5～2.5 MPa）

圖4 MRS壓力感應(yīng)膠片掃描結(jié)果（0.2～0.6 MPa）

圖5 MRS的壓力感應(yīng)膠片掃描結(jié)果（0.5～2.5 MPa）

圖6 水泥板的壓力感應(yīng)膠片掃描結(jié)果（0.2～0.6 MPa）

圖7 水泥板的壓力感應(yīng)膠片掃描結(jié)果（0.5～2.5 MPa）

由圖2～圖7可知，輪胎與水泥面板的接觸基本上為片狀完全接觸，與AC-13與MRS的接觸為點(diǎn)狀接觸，因?yàn)锳C-13與MRS的表面紋理比水泥面板更豐富。

（1）壓力膠片型號(hào)的確定。

對(duì)比相同條件下不同膠片類型測(cè)得的輪胎與路面接觸壓強(qiáng)，0.5～2.5 MPa型的膠片壓強(qiáng)明顯大于標(biāo)準(zhǔn)輪壓0.7 MPa。原因是因膠片的起點(diǎn)范圍0.5 MPa過(guò)大，導(dǎo)致小于0.5 MPa的壓力不能進(jìn)行染色，通過(guò)與0.2～0.6 MPa型號(hào)的膠片對(duì)比發(fā)現(xiàn)，存在大量小于0.5 MPa壓力的情況。采用0.2～0.6 MPa型號(hào)的壓力感應(yīng)膠片更利于準(zhǔn)確描述輪胎與路面的相互作用關(guān)系。相同條件下不同膠片類型測(cè)得的輪胎與路面接觸壓強(qiáng)如表2所示。

表2 輪胎與路面接觸壓強(qiáng) 單位：MPa

因此，在進(jìn)一步的試驗(yàn)及分析中僅采用0.2～0.6 MPa型號(hào)的壓力感應(yīng)膠片。

（2）評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定。

P（0.6，+∞）指壓力感應(yīng)膠片測(cè)得大于0.6 MPa的面積與有壓力接觸面積的比例，P（0.2，0.6）、P（0，0.2）以此類推。測(cè)量區(qū)域面積指輪胎與壓力膠片有接觸的投影面積；無(wú)壓力白色面積比例指在測(cè)量區(qū)域內(nèi)接觸壓力為0的面積占測(cè)量區(qū)域面積的比例。

由于數(shù)據(jù)所占篇幅較大，僅列在0.2～0.6 MPa型號(hào)膠片、2 kg/cm2新胎在空載的情況下測(cè)得室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，以此為例進(jìn)行分析。為了得到路面抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文對(duì)壓力感應(yīng)膠片的不同指標(biāo)與常規(guī)的擺值和構(gòu)造深度進(jìn)行回歸分析。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。壓力感應(yīng)膠片不同指標(biāo)與擺值及構(gòu)造深度相關(guān)系數(shù)結(jié)果如表4所示。

表3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

表4 壓力感應(yīng)膠片不同指標(biāo)與擺值及構(gòu)造深度相關(guān)系數(shù)

由表4可知，P（0.2，0.6）、P（0，0.2）和無(wú)壓力白色面積比例，3個(gè)指標(biāo)與擺值和構(gòu)造深度具有非常顯著的相關(guān)性。

為了評(píng)價(jià)不同路面結(jié)構(gòu)類型對(duì)以上三種指標(biāo)影響的顯著性，對(duì)其進(jìn)行方差分析，壓力感應(yīng)膠片指標(biāo)對(duì)不同路面材料類型的顯著性分析結(jié)果如表5所示。

表5 壓力感應(yīng)膠片指標(biāo)對(duì)不同路面材料類型的顯著性分析

由表5可知無(wú)壓力白色面積比例的P值大于0.05，所以不同路面結(jié)構(gòu)類型對(duì)無(wú)壓力白色面積比例的影響不顯著。

P（0.2，0.6）和P（0，0.2）的P值小于0.05，所以路面結(jié)構(gòu)類型對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)有極顯著的影響關(guān)系。

從P（0，0.20）的定義可以推斷，該值越大則輪胎與路面的接觸面積越集中，路面中突出的顆粒越豐富，抗滑性能越好，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果也證明這點(diǎn)。

對(duì)其他條件下的壓力膠片試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到規(guī)律相同的結(jié)果。

采用與常規(guī)抗滑指標(biāo)相關(guān)性好、對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)形式區(qū)分度強(qiáng)和物理意義明確的P（0，0.2）作為壓力膠片的抗滑評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）試驗(yàn)的影響因素分析。

為了全面分析不同的試驗(yàn)因素對(duì)指標(biāo)P（0，0.2）的影響效果，本文對(duì)表1中所列出的不同因素、不同水平的全試驗(yàn)中得到的P（0，0.2）值進(jìn)行多因素方差分析。

路面結(jié)構(gòu)類型對(duì)P（0，0.2）的影響最顯著，說(shuō)明指標(biāo)能夠有效區(qū)分出不同的路面結(jié)構(gòu)類型；影響效果其次是輪胎類型、車輛荷載和胎壓。

因此，為了增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果的可比性，應(yīng)控制試驗(yàn)的其他條件保持穩(wěn)定。

P（0，0.2）影響因素的方差分析結(jié)果如表6所示。

表6 P（0，0.2）影響因素的方差分析

3 室外現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了更全面評(píng)價(jià)壓力膠片的效果，本文還進(jìn)行了室外驗(yàn)證試驗(yàn)。采用0.2～0.6 MPa膠片、2 kg/cm2新胎和空載皮卡車的條件下，分別對(duì)AC-13瀝青路面、MRS和磨光嚴(yán)重的水泥路面和進(jìn)行測(cè)試。

在使用壓力膠片現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的地點(diǎn)，還使用了兩種常規(guī)的路面抗滑性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，即擺式摩擦儀和手工鋪砂法。將P（0，0.20）值分別與擺值、構(gòu)造深度進(jìn)行回歸分析，判斷其相關(guān)性。

不同的試驗(yàn)方法路面試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，P（0，0.20）值與擺值、構(gòu)造深度回歸分析結(jié)果如表8所示。

表7 不同試驗(yàn)方法路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

表8 P（0，0.20）值與擺值和構(gòu)造深度回歸分析

由表8可知，P（0，0.20）值分別與擺值、構(gòu)造深度有非常好的相關(guān)性，均成正相關(guān)，即P（0，0.20）值越大，則路面的構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)越大，路面抗滑效果越好。

室內(nèi)及室外試驗(yàn)結(jié)果證明P（0，0.20）可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面的抗滑性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從輪胎與路面的壓力大小及分布特性出發(fā)，研究路面抗滑性能。

（1）相比于0.5～2.5 MPa的壓力感應(yīng)膠片，0.2～0.6 MPa型號(hào)的壓力感應(yīng)膠片能更好地表征輪胎與路面的相互作用壓力分布及大小。

（2）壓力感應(yīng)膠片的P（0，0.20）值分別與擺值、構(gòu)造深度具有較好的相關(guān)性，均成正相關(guān)，即P（0，0.20）越大，路面抗滑性能越好。

（3）使用壓力感應(yīng)膠片測(cè)試輪胎與路面的壓力大小及分布時(shí)，路面類型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果P（0，0.20）影響最顯著，其次是輪胎類型、車輛荷載和胎壓。