水泥混凝土路面抗滑性能的影响因素分析

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

引言

水泥混凝土路面由于其强度大、耐久性能好、运营养护方便等特点在我国公路建设中得到了大量的使用。同时，公路建设过程中对于水泥混凝土路面需要设置一定比例的伸、缩缝防止出现大面积的道路病害[1,2]。对于长久使用的水泥混凝土路面，其表面会出现各种各样的病害：路面板的开裂、破损和路面整体的坑槽等[3]。这些病害的出现严重影响了汽车行驶的安全性能，部分路面抗滑性能的下降显著增加了交通事故发生的概率[4,5]。

国内外学者针对混凝土路面抗滑性能的分析已做过相应的研究[6-8]。胡勤[9]探讨了混凝土路面纹理化施工的技术难点和原理，阐述了纹理化施工在现代道路建设中的重要性。孟勇军等[10]针对桂北地区的混凝土道路结冰的危害，通过室内的车辙试验，分析了影响路面抗滑性能的因素。刘艳军等[11]从路面构造深度和影响路面摩擦系数两个方面分析了隧道水泥混凝土路面的抗滑性能。本文主要从组成水泥混凝土的水泥砂浆、路面的刻槽深度、中心间距三个方面探讨其对水泥混凝土路面抗滑性能的影响。

一、水泥混凝土路面抗滑机理分析

汽车行驶的安全性能与很多因数有关，其中道路路面的抗滑性能是汽车能够安全驾驶的关键因素[12,13]。

（一）当车辆在上坡方向时，其受力情况如下图1 所示：

如图1 所示，当车辆在上坡段行驶时，其主要受到的力有：车辆的动力（牵引力）Ffalse、车辆轮胎与地面的摩擦力F1、车辆的自重G和斜坡对车辆的反作用力F2。根据受力平衡可得：

上式中：θ、µ分别为斜坡的倾角、轮胎的摩擦系数；m、a分别为汽车的质量和加速度。从图1 的受力分析可以发现：车辆在上坡段的动力主要是其驱动力提供；同时，汽车的轮胎与斜坡的摩擦力使得车辆能够正常行驶，当摩擦力很小时，车辆会在斜坡上打转，无法行进。

（二）当车辆在下坡时，其受力情况如下图2 所示：

图2 车辆减速下坡时的受力分析Fig.2 Force analysis of vehicles decelerating downhill

如图2 所示，车辆的受力平衡方程为：

从图2 汽车下坡的受力分析可知：汽车的制动力完全是由轮胎与地面的摩擦力提供，且当汽车踩刹车时，此时的摩擦力是轮胎与地面的滑动摩擦。

（三）当车辆在弯道行驶时，其受力情况如下图3 所示：

图3 弯道车辆受力分析Fig.3 Stress analysis of vehicles in curve

此时的受力平衡方程为：

上式中：f1、f2分别为轮胎与地面在不同方向上的摩擦力；F、F2分别为车辆的驱动力和路面对车辆的反作用力。

车辆在转弯的过程中由于车速过快会产生滑移的现象。根据动能定理可知：当车辆行驶的速度时，此时的横向摩擦力为0；当车辆的速度大于v0时，此时单独考车辆的自重无法满足车辆的向心力的要求，需要考虑轮胎与地面的摩擦力提供一部分的向心力；当车辆速度继续增加到时，即，则车辆此时会出现向外侧的滑移现象。

二、水泥砂浆对水泥混凝土路面抗滑性能影响

（一）水灰比对水泥砂浆流变性能的影响

水泥砂浆作为水泥混凝土路面的主要材料，其流变性能直接影响着混凝土路面的相关性能[14-16]。本文通过不同骨料的水泥砂浆性能测试，分析水灰比对水泥砂浆流变性能的影响。本文设计的标准砂和机制砂在不同水灰比的情况下水泥砂浆的屈服应力和流动度情况如下图4 所示：

图4 水灰比对水泥砂浆流变性能的影响Fig.4 Effect of water-cement ratio on rheological properties of cement mortar

从图4 中可以发现：标准砂和机制砂制备的水泥砂浆屈服应力与水灰比呈相反的关系，机制砂的变化幅度明显大于标准砂，主要是由于机制砂增加了水泥砂浆的最大屈服应力，而当水灰比增加到大于0.65 时，机制砂与标准砂的屈服应力基本相同。其次，水泥砂浆的流动性能随着水灰比的增加呈现正向的关系。主要是由于水灰比增加时会导致水泥砂浆中的自由水增加，自由水的存在减小了内部颗粒之间的摩擦，使得砂浆的流动性能增加。

（二）水泥砂浆流变性能对混凝土路面抗滑性能的影响

表1 所示为不同水灰比下水泥砂浆的屈服应力和相应的磨损量

表1 不同水灰比下水泥砂浆的屈服应力和磨损量Table 4 Yield stress and abrasion of cement mortar under different water-cement ratios

从表1 中可以发现：相同水灰比配比下，机制砂的屈服应力大于标准砂，机制砂的磨损量小于标准砂；随着水灰比的增加，机制砂拌和的水泥砂浆屈服应力逐渐降低，磨损量逐渐增加。

图5 不同砂的单位面积磨损量与其屈服应力关系Fig.5 Relationship between the wear per unit area of different sand and its yield stress

图5 所示为不同砂的单位面积磨损量与其屈服应力的关系。从图中可以发现：不同砂拌和制得的水泥砂浆磨损量与砂浆的屈服应力呈反向关系，而且砂浆的屈服应力和其磨损量可以拟合为线性关系。因此，为了能够使水泥混凝土路面有良好的抗滑性能，可以选择机制砂作为水泥混凝土的拌合料。

三、水泥混凝土刻槽路面抗滑性能分析

（一）抗滑力模型的建立

本文采用Abaqus 有限元分析软件对汽车的轮胎和汽车与水泥混凝土接触进行建模分析。具体的轮胎模型如图6 所示：

图6 轮胎网格划分图Fig.6 Tire mesh map

根据实际的路面情况分析路面的刻槽宽度、深度和刻槽中心间距对水泥混凝土路面的影响。具体的刻槽参数如表2 所示。

表2 路面模型中刻槽构造的结构参数Table 2 Structural parameters of groove construction in pavement model

对汽车与水泥混凝土路面的边界条件进行假定后，轮胎与混凝土路面的接触为矩形，其接触模型如图7 所示。

图7 轮胎单元与路面接触云图Fig.7 Cloud image of tire unit in contact with road surface

（二）抗滑性能有限元计算模型分析

本文为研究水泥混凝土路面的抗滑性能，分别测试了不同刻槽深度、刻槽中心间距对其横向力系数（SFC）的影响。具体的测试结果如下图8 所示。

图8 刻槽间距对路面横向力系数的影响Fig.8 Influence of notch spacing on the lateral force coefficient of pavement

从图8 可以看出：随着水泥混凝土刻槽中心间距的逐渐增加，其横向力系数逐渐减少。其主要原因是当刻槽间距减小时，路面的刻槽更加密集，则水泥混凝土路面会更粗糙，增加了其摩擦系数，使得车辆和混凝土路面的摩擦更多，也进一步的增加了路面的抗滑性能。总体来说：当刻槽中心间距为15mm 时，其路面的横向力系数为55～58，相对于刻槽中心间距为20mm 和25mm，其路面横向力系数分别高出5和9。

图9 不同刻槽宽度的水泥混凝土路面的横向力系数Fig.9 Coefficient of lateral force of cement concrete pavement with different groove width

图9 所示为不同刻槽宽度对水泥混凝土路面的横向力系数影响关系。从图9 中可以看出：刻槽宽度越大的水泥混凝土路面，其横向力系数相对较大。刻槽宽度为5mm 时，其横向力系数为48～54，；而刻槽宽度为3mm 时，其横向力系数为39～42。其主要的原因是刻槽宽度越大，水泥混凝土路面的凹槽程度越大，路面的粗糙程度、轮胎与路面的接触面积等都随之增加。增大了水泥混凝土路面的抗滑性能。

四、结论

本文探讨了水泥混凝土路面的抗滑性能影响因素，得到的结论如下：

1.水灰比作为水泥混凝土的一个重要参数，对水泥砂浆的屈服应力和磨损量有很大的影响。在制备水泥混凝土的过程中，其磨损量随着水泥砂浆屈服应力的增加逐渐下降，而磨损性能不断提高。

2.水泥混凝土路面的横向力系数随着刻槽中心间距的不断增加呈现下降的趋势，表明增加水泥混凝土路面的刻槽中心间距有利于增加路面的抗滑性能。

3.水泥混凝土路面的横向力系数随着刻槽宽度的增加呈现上升的趋势，表明增加水泥混凝土路面的刻槽宽度有利于增加路面的抗滑性能。