礦區重載路面摩擦測試及抗滑性能研究

冷紅松，劉 梅，賈濟坤，楊 剛，郜國凱

(1.貴州省安順公路管理局，貴州 安順 561000； 2.重慶交通大學，重慶 400074)

對于礦區來說，載重交通路面一般為瀝青材質，這種路面的表面功能性受到車輛載重的影響較大。一般情況下，礦區內部的路面使用壽命遠遠低于設計年限，一般在建成之后1～2年內就會發生嚴重損壞，產生這種情況的主要原因就是車輛超載嚴重，對于道路路面結構產生了嚴重破壞[1-3]。在這樣的路面條件下，礦區內車輛軸載重、速度快，在礦區內容易發生交通事故。研究表明，交通事故的發生率與礦區內路面的摩擦抗滑能力具有重要的聯系[4-5]。從礦區內行駛車輛的安全性出發，對于礦區內重載路面的抗滑安全性提出了要求。反映路面抗滑性能的重要性能指標是重載路面的摩擦系數，因此對礦區重載路面進行摩擦測試，并對其抗滑性能進行研究，有助于提升礦區內車輛的行駛安全。

國外關于汽車重載道路抗滑特性的研究早在20世紀20年代初就進行過，研究成果證實了汽車在道路潮濕的狀況下更易于出現車禍，并開發出了各種道路路面的抗滑特性檢測裝置[6]。我國對于瀝青路面的抗滑性能相對于國外來說，發展得較晚，從最開始誤差較大的“剎車法”到精確的擺式摩擦系數儀，我國對于路面抗滑性能的研究取得了重要的發展進程[7-9]。但是對于礦區路面來說，在對其進行摩擦測試與抗滑性能研究的過程中，缺乏對路面摩擦以及抗滑性能因素影響的分析，無法獲取到路面抗滑性能的衰減規律。因此，本文提出一種礦區重載路面摩擦測試方法，并在此基礎上，對路面的抗滑性能進行分析研究。

1 礦區重載路面摩擦測試

1.1 測試設備選擇

為了實現對礦區內部道路的摩擦測試，采用的是路面橫向力系數測試車。在該車上配備各種傳感器以及測量儀器，實現高效率、短時間的摩擦系數測試。選擇側向阻力系數，能夠確定在試驗過程中這種的標準車輪以恒定的車速向前行駛，當車輪與試驗車輛奮斗方向產生一定的角度差時，此時就會產生相應的側面摩擦阻力，從而測量標準車輪所能夠測定的恒定豎向荷載和摩擦阻力之間的比例，即為側向阻力系數[10-11]。整個試驗過程如圖1所示。激光構造深度儀能夠反映出路線的線性構造，動態摩擦系數測定儀中包括測試、記錄和操控3個模塊，在連續測量中能夠得到摩擦系數的變化線性關系。在以上測試設備下設定測試中的條件。

圖1 橫向力系數測試示意Fig.1 Schematic diagram of transverse force coefficient test

1.2 測定條件

在本文的礦區重載路面摩擦測試中，選擇的試驗路面為礦區內各種不同類型、不同等級的瀝青路面。在進行摩擦測試的過程中，保證測試路段的SFC值應盡量分布均勻。另外，在測試過程中，保證路面的條件改變量(如灑水量、溫度)等是一致的[12-13]。在測試過程中，令測試車輛的行駛速度保持在50 km/h，其他條件相同。另外，為了保證試驗的準確性，選擇的礦區道路需要具備以下條件：①保證礦區內用于測試的路段條件沒有嚴重的病害，例如裂痕、拱起、坑槽等，路面沒有嚴重影響行車的污染物。②測試場地需要選擇2個不同的類型，根據本文的試驗，分別為二級瀝青路面和主干瀝青路面。在選定的路面上，選取長直路段與彎曲路段，并在選定的路段上進行測試。

在該路面橫向力系數測試車中，所搭載的設備以及相關技術指標見表1。

表1 測試設備參數指標Tab.1 Parameter indexes of test equipment

2 試驗步驟

試驗選擇的礦區道路現場如圖2所示。

圖2 礦區道路現場Fig.2 Road scene of the mining area

在分析輪胎與重載路面之間關系的同時，發生的摩擦力以及摩擦現象可以用摩擦系數進行表示[14-16]。但是摩擦系數會受到外界環境的變化而發生變化，例如路面材質、表面紋理、環境中溫濕度、輪胎的自身特性以及道路情況等。車輛在路面上行駛時輪胎的受力分析如圖3所示。

圖3 車輛輪胎行駛受力分析Fig.3 Driving force analysis of vehicle tires

整個測試中路面的摩擦變化情況如圖4所示。

圖4 不同測試時間下路面表面的變化情況Fig.4 Changes of road surface at different test times

在正式測試之前，要根據各個設備的要求進行預熱10 min以上，保證測試過程中的數據穩定。測試車在駛入檢測道路之前，需要根據設備使用說明進行標定檢測，將經過標定的設備數據進行記錄保存。在測試開始之前，檢查測試輪胎情況，保證各個設備都能夠正常使用。在測試過程中，先讓測試車輛預跑500 m，然后進入待測試路段，檢測工作人員使用設備對行車數據進行精確的采集與記錄[17-18]。在選擇的不同路段上以相同的速度行駛，測量3次，并保證這3次的誤差在5%以內，否則應重新測量。在摩擦試驗中，摩擦作用設置為7 h，每隔1 h對路面的摩擦系數與構造深度進行1次檢測，路面構造深度是指一定面積的路表面凹凸不平的開口孔隙的平均深度，將激光構造深度儀安裝在測試路面路段，利用激光構造深度儀通過激光傳感器發射和接收漫反射信號原理，獲取路面一定間距長度內的平均深度數據。

在測試過程中，通過車上的配重塊實現車輛重載的控制。為了使試驗結果更加接近實際情況，試驗中采用的車輛配重最大為900 kg，試驗過程中輪胎與路面接觸面積的變化可以忽略不計[19-20]。使用溫度傳感器對路面的溫度進行監測，控制車輛進行往返摩擦作用，摩擦時間預先設定，摩擦測試完畢之后對路面的構造深度與摩擦系數進行測定。

3 試驗結果分析

在以上試驗下，能夠得到不同路段的摩擦抗滑測量參數，如圖5所示。

圖5 礦區重載路面抗滑測量參數Fig.5 Anti-skid measurement parameters of heavy load pavement in mining area

從圖5可以看出，隨著摩擦時間的增加，構造深度呈現了先增加后減小的趨勢。在以上的數據中，對礦區重載路面的抗滑性能進行分析。

3.1 路面摩擦系數與路表面構造深度的關系分析

在試驗中，車輛在50 km/h速度下，2種路面的動態摩擦系數與構造深度之間的相關性分析見表2。通過對不同路面進行對比測試可以看出，結構、材料等相同的二級瀝青路面路段中動態摩擦系數與構造深度間都具有較高的相關性，但是不同路齡不同路段的主干瀝青路面相關性較差。

表2 車輛在50 km/h速度下動態摩擦系數與構造深度之間的相關性變化Tab.2 Correlation changes between dynamic friction coefficient and construction depth of vehicles at 50 km/h speed

3.2 路面濕度對于抗滑性的影響分析

在試驗中，還測試了路面積水情況對于礦區重載路面抗滑性能的影響。本文在試驗中利用數值模擬對輪胎、水和路面之間的作用力進行耦合，在相同的滑動速度下，路面水膜厚度與摩擦系數之間的數據變化情況如圖6所示。

圖6 路面水膜厚度與摩擦系數之間的關系Fig.6 Relationship between pavement water film thickness and friction coefficient

由圖6中的測試數據可以看出，隨著水膜厚度的增加，2種路面的摩擦系數都隨之降低。輪胎在路面行駛過程中，由于輪胎在滑水中的抗滑力是由流體阻力所提供的，因此在考慮路面結構與水流移動情況下進行分析，可知水膜厚度的增加會降低路面的抗滑能力。

3.3 溫度對于路面抗滑性能的影響分析

針對試驗中的兩種類型的瀝青路面，動態摩擦系數與地面溫度的測試結果如圖7所示。從圖7可以看出，隨著地面溫度的升高，不同路段的動態摩擦系數平均值也隨之降低，說明抗滑性能不斷減弱。

圖7 不同地面溫度下測試路面的動態摩擦系數變化情況Fig.7 Dynamic friction coefficient changes of test pavement at different ground temperatures

3.4 討論

從以上的試驗測試數據分析可知，在礦區重載路面條件下，隨著摩擦時間以及次數的增加，二級瀝青路面與主干瀝青路面的構造深度總體上呈現下降趨勢；在此前提下，對不同構造深度的路面進行動態摩擦系數的測定。結果表明，隨著構造深度的增加，摩擦系數也增加，說明構造深度與摩擦系數之間呈現正相關關系。

綜上可以得出結論，隨著路面受到的摩擦增多，礦區重載路面的抗滑性能降低。在相同的車速與路面構造深度條件下，路面的水膜厚度對于摩擦系數的影響也是不可忽視的。隨著水膜厚度的增加，動態摩擦系數逐漸降低，礦區重載路面的抗滑性能降低。在其他條件相同的情況下，對比了不同路面溫度對于礦區重載路面抗滑性能的影響。地面溫度越高，2種路面的動態摩擦系數平均值越小，說明礦區重載路面的抗滑性能降低。

4 結論

針對礦區重載路面來說，保證一定的抗滑性，能夠在一定程度上保證車輛在礦區內的行駛安全。本文選擇了礦區內常見的二級瀝青路面與主干瀝青路面進行測試，在經過不同時長的摩擦后，首先測定2種路面的構造深度平均值，并測試了構造深度與動態摩擦系數之間的關系。并利用單一變量法驗證了路面水膜厚度、路面溫度對礦區重載路面抗滑能力的影響，為后續的礦區重載路面的抗滑保護提供了有效的參考數據。

但是由于礦區內重載路面的抗滑性能影響因素比較復雜，在研究中還有很多細致的工作需要完善。主要體現在：①由于試驗過程中條件有限，對于影響路面抗滑性的原因統計不夠全面；②對于抗滑性能的評價指標還有一定的優化空間，本文僅針對瀝青路面進行了分析，對于水泥等其他材質的路面還缺乏研究。在后續的研究中，針對以上問題，還需要進一步分析與研究。