水泥混凝土路面的新型纹理参数研究

何小刚, 吴 迪, 刘 波, 陈 搏, 张彬辉

(1.中交二公局东萌工程有限公司， 西安 710119； 2.华南理工大学 土木与交通学院， 广州 510641)

由于隧道内外路面光照度、温湿度不同，隧道内部涌水及滴水特殊路段长时间行车油污、尾气污染及车辆轮胎沾水导致路面湿滑等情况的存在，致使隧道路面在使用初期容易出现抗滑性能衰减过快的问题，行车安全存在重大隐患[1-2]。水泥混凝土路面依然是长大隧道铺面的主要结构形式，通常使用横向刻槽，纵向刻槽及纵横向组合刻槽的形式提高路面摩擦力。但是诸多工程经验显示，刻槽的水泥路面虽然可以保证较大的构造深度水平，但是表面的纹理粗糙度依然不够，体现在初始抗滑水平偏低和长期抗滑耐久性不足。这一方面与水泥混凝土耐磨特性有关，另一方面受到路面构造形态的影响[3-4]。

2012年，索朗机工坊推出了一种新型纹理化技术(代号HOG，意为“野猪”形态)，其沿着行车道方向上，在水泥混凝土路面表层切削出一些致密的波浪形纹理，其粗糙的表面特性显著改善了水泥路面的抗滑性能，近年来在湖北、广东等省份的高速项目得到应用[5]。不同于普通锯片刻槽，经HOG纹理化处理后路面呈现具备良好镶嵌性的纵向波浪形浅纹理。工程表明，纹理化路面处治的构造深度均匀，交验的横向力水平接近沥青路面；此外，HOG水泥混凝土路面纹理化技术可改善路面平整度，降低行车噪声污染，增加行车舒适性。根据近期隧道行驶状况的调研，发现高速行驶速度下(超过 100 km/h)，车辆在隧道致密的纹理化路面上行驶存在明显的“发飘”现象，对行车稳定性有较大影响。不少项目反馈，HOG纹理化程度过高将导致转向阻力矩过大，易引发剧烈的行车侧向摆振效应。目前纹理化技术并无明确的规范标准，纹理参数的选择主要依靠经验和试验路段选取，因此，有必要对水泥路面纹理化参数的合理化选取技术开展研究。

为了进一步改善水泥纹理化路面的抗滑性能，减少车辆行驶的摆振问题，本文分别选取不同的刀组间距参数和纹理深度、宽度参数组合，分别进行正交试验设计，在充分考虑路面抗滑性能和行车稳定性双目标控制的基础上，确定合理的纹理化参数组合。

1 纹理化技术介绍

1.1 HOG纹理技术

HOG水泥混凝土路面纹理化技术是采用高强度刃具和独特的等压无冲击方式在新旧水泥混凝土路面浅表层沿顺车道方向切削出致密的波浪形纹理。该技术克服了铣刨机刻纹过程中容易出现突起位置“脱皮露骨”与低洼位置“漏刻留白”的问题。HOG水泥混凝土路面纹理化技术将切削刀具设计改为非旋转式的，能够在每个刀头接触点随路面高低不同做出相应变化，并通过控制刀头的非刚性受力来控制对路面粗集料的冲击破坏。作用在刀头上的压力恒定这一特有的作业方式可以实现纹理深度一致，同时也避免了旋转刀具的作业方式对路面造成的冲击导致路面出现肉眼难以观察的小裂痕，从而影响路面耐久性。纹理化技术路面效果如图1所示。

图1 纹理化路面

1.2 纹理化技术对抗滑性能的影响

HOG纹理化技术处理后路面呈现良好镶嵌性的纵向波浪形浅纹理，其宏观构造凹槽可以有效排除路表积水，降低水膜厚度，增加了轮胎与路面构造凸起峰的有效接触面积，从而保持轮胎/路面之间处于“干燥接触”状态，提供较好的摩擦力。同时，路面经纹理化技术处理后，其弧形的纵向凹槽可以更好贴合车辆轮胎，增加轮胎与槽内微观构造的有效接触面积，能提供很好的侧向防滑性能，即保证水泥混凝土路面宏观构造的前提下，有效恢复路面微观纹理，提高轮胎与路面的黏附摩擦力。

1.3 纹理化技术对行车稳定性的影响

汽车转向时，一方面受制于车辆转动系统所产生的机械阻力，另一方面受制于胎路接触产生的接触阻力。从胎/路接触力学的角度分析，实际纹理化路面构造较为复杂，其与轮胎的啮合作用使得接触界面产生非均匀分布的作用力，因此轮胎转向过程受到啮合状态下非均匀的摩擦阻力与侧向力作用(图2)。隧道纹理化路面通过纵向波浪形构造与胎面花纹块之间的纵向沟槽的接触作用限制车辆的直线运行和曲线转弯，车辆的导向通过胎/路之间的侧偏力实现，同时，侧偏力对前进车辆产生侧向导向力矩[6]。当车辆偏离纹理化槽纹方向时，侧向力矩随之增大，因此车辆的转向阻力也随之增大。当行车速度过快时，侧向阻力容易演变为危险系数较高的倾覆力矩，使得车辆的侧向行驶稳定性得不到保证，甚至导致侧翻事故的发生。相较于沥青路面，纹理化路面转向阻力矩更大，因此，行车过程的回正力矩也往往较大，克服转向阻力矩需要对方向盘施加更大的回正力矩。

图2 轮胎与纹理化路面的导向作用

2 室内纹理化试验模具研发

目前国内已有多项工程采用纹理化路面施工技术，该技术施工后效果良好，但是由于其引进时间较短，纹理化隧道路面的长期路用性能有待进一步跟踪监测。而其纹理参数的选择主要依靠经验确定，其数值的可靠性需要进行室内试验进一步检验。因此，开发一种室内纹理化模具制备不同纹理参数组合的试件进行检测与试验，对优化实际纹理化路面的抗滑性能与行车稳定性至关重要。根据纹理化机车的刀头(图3)与纹理化处理后的槽纹效果，自主研发了一套用于室内纹理化试验的纹理化套模与配套刀具，该模具主要实现两个功能：一是控制纹理的宽度与走向的平顺性，二是严格控制槽纹几何形状和有效深度。

图3 纹理机车刀头

虽然实际的纹理机车刀具为平头锥形，但是其有效作用位置仍然是锥头的小圆柱体，因此，经过不同纹理宽度、深度的计算，室内试验拟采用特定尺寸的圆弧刀头进行纹理化雕琢工艺，进行初步筛选，确定的刀头作用尺寸如表1所示。

表1 纹理化参数

表2 水泥主要技术指标

表3 集料主要技术指标

表4 天然中砂主要技术指标

根据以上思路，设计并加工了配套的4个钢丝套模与15 把纹理刀具，考虑套模的钢丝直径的干扰，对刀头进行了进一步的切削优化，模具设计如图4所示(已申请发明专利：ZL2018103863504)。

图4 纹理试验模具设计

3 原材料及室内纹理化试件制备

3.1 试验材料及配合比

水泥采用中材天山(云浮)牌P.O42.5水泥。集料选用阳春石场生产的石灰岩碎石，规格分档分别为10～30 mm、10～20 mm、5～10 mm碎石，各档原材料的各项指标经检测符合规范要求。采用天然中砂，细度模数为2.77，含泥量为0.8%。以上原材料主要指标如表2～表4所示。减水剂采用江苏超力建材科技有限公司CNF-3。其中试验混凝土采用配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比

经检测该配合比水泥混凝土的28 d抗压强度为44.1 MPa，抗弯拉强度5.39 MPa，坍落度为39.4 mm，符合设计要求(30～50 mm)。

3.2 室内纹理化试验试件制备过程

试验室的室内水泥混凝土纹理化(图5)试件实施方法如下：

图5 室内纹理化操作示意

1)按照水泥路面配合比设计，充分搅拌水泥混凝土，在300 mm×300 mm×50 mm的模具中振动成型试件，直至试件密实，表面泛浆平整。

2)待试件成型后，混凝土凝结固化前，使用刮尺刮掉试件表面1.6～3 mm左右厚度的表面浮浆，使水泥混凝土试件表面与模具表面持平。

3)套上研制的钢丝套模，使钢丝紧贴水泥混凝土试件表面。

4)人工手持纹理刀具，刀头沿着两条钢丝之间行走，划出圆弧形的沟槽，每两条钢丝之间重复划割两次，保证沟槽畅通不变形。

5)重复以上步骤，直到试件表面完全布满圆弧形沟槽为止。

6)把水泥混凝土试件放置在标准养护室养生 7 d，取出试件，使用纹理刀具在原来的沟槽位置做进一步的雕刻，刮掉表面浮浆，恢复纹理构造的粗糙纹理，即完成试件表面的纹理化处理。

4 正交试验设计

通过采用不同水平下的路面纹理参数，探究纹理化参数对水泥混凝土路面抗滑性能与行车稳定性的影响，进而研究影响路面结构使用性能的主要因素。

4.1 正交试验方案

选用L9(34)正交表安排试验，正交试验因素水平如表6所示，其中A、B、C分别表示纹理宽度、纹理深度、间距，每个因素为3个水平。

表6 正交因素水平表

4.2 评价指标的选定

4.2.1 构造深度

按照《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60—2008)，采用人工铺砂法测试纹理化试件构造深度，以此评价路面的排水能力和宏观构造情况。

(1)

式中：V为标准砂的体积，25 cm3；D为摊平后的砂圈平均直径，mm。

4.2.2 应力集中分布度

根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30—2014)对水泥混凝土路面抗滑性能评价规定，采用横向力系数SFC60进行路面抗滑性能评价，但是SFC需要通过现场测试获得。由于本研究采用室内试验，摆值摩擦系数不能用于评价高等级路面抗滑性能，根据前期的研究成果，轮胎接触应力集中度与横向力系数具有原理上和试验结果的良好相关性。采用高精度压力胶片测试系统(基本原理为通过两张聚酯胶片上的化学物质在不同压力作用下发生显色反应，不同的颜色密度代表不同的压力值)，获取轮胎与路面接触应力，计算胎/路接触界面的应力集中分布度[7]。其数学表达为

(2)

式中：kf为应力集中分布度指标，%；S′为应力集中区域(大于1.8 MPa的应力分布区)面积，mm2；S为轮胎有效接触区域面积，mm2；f(x,y)为轮胎有效接触区域上的单点应力值，MPa。

4.2.3 原地转向阻力矩

转向阻力矩是由于地面和转向轮之间的相互作用以及转向系统内部摩擦而产生的，该阻力矩反馈到方向盘上，影响驾驶员对车辆的操纵。根据前期的研究成果，可以使用转向阻力矩来评价行车的稳定性[8-10]。计算公式为。

(3)

式中：Mr为原地转向阻力矩，N·m；x、y为单点接触压力距离接触面中心点的坐标值，m；μ为胎面橡胶与路面摩擦系数，可使用摆式仪测定。

4.3 试验结果分析

为了计算结果看起来简便、直观形象、简单易懂，采用极差分析法进行分析[11-12]。极差R反映了各列因素水平变动时，计算指标的变动幅度(即试验结果最大值与最小值之差)。极差R越大，说明该因素对试验指标的影响越大，于是依据极差R的大小即可判断因素的主次。

4.3.1 各因素对构造深度的影响

由表7表明，纹理参数对水泥混凝土路面构造深度的影响程度不同。纹理深度的极差最大，即纹理深度是影响路面构造深度的主要因素，该规律与构造深度测试原理和几何理论规律吻合。纹理间距的极差次之，纹理宽度最小。根据极差分析结果，为了保证路面构造深度，推荐使用纹理组合为A1B3C1。

表7 各因素水平下路面构造深度

4.3.2 各因素对胎/路应力集中分布度的影响

采用压力胶片测试系统采集试验轮胎与纹理试件接触应力，并计算应力集中分布度，结果见表8。分析可得，纹理深度的极差最大，说明水泥路面纹理深度是影响轮胎接触变形的主要因素，纹理宽度次之，刀组间距最小。根据胎/路抗滑作用机理，接触应力集中效应说明轮胎与构造啮合充分，有助于提高路面抗滑性能，但应力集中会加快路表构造磨损[5]。为了提高路面构造与轮胎的啮合效果，推荐使用纹理组合A3B3C2方案。若考虑水泥混凝土强度不足，为了延长纹理化路面构造的磨耗寿命，可使用纹理组合方案A1B1C3。

表8 各因素水平下胎/路应力集中分布度

4.3.3 各因素对胎/路转向阻力矩的影响

根据轮胎接触应力分布，计算汽车轮胎在纹理化路面上的原地转向阻力矩，结果见表9。极差分析结果表明，纹理宽度的极差最大，槽纹的宽度是影响行车转向稳定性的主要因素，刀组间距次之，纹理深度最小。因此，可以看出转向阻力矩最大的纹理组合为A1B3C1，即纹理最致密时，水泥混凝土路表构造的行车导向效应最显著。为了减少行车导向效应，提高行驶稳定性，应尽量避免使用这种纹理组合，相反，应使用转向阻力矩较小的组合A2B2C2。

表9 各因素水平下胎/路转向阻力矩

4.4 纹理参数优化组合的确定

将各因素水平下对应的正交试验结果累计值绘制成趋势点线图，如图6所示。

图6 正交试验趋势指标图

分析正交试验趋势指标图得知，3个因素对4个指标的主次关系如下：对于构造深度，影响显著性从大到小为纹理深度>刀组间距>纹理宽度，纹理深度是影响水泥路面构造深度的最主要因素，为保证路面排水效果，降低水膜厚度，隧道路面须适当提高构造深度至0.8～1.2 mm范围，因此B取B3。对于应力集中分布度，影响显著性从大到小为纹理深度>纹理宽度>刀组间距，较大纹理深度可增加轮胎变形，提高路表粗糙度与胎/路啮合效应，有助于改善轮胎摩擦力，即B取B3。对于转向阻力矩，影响效果显著性从大到小依次为纹理宽度>刀组间距>纹理深度，纹理宽度和间距为主要影响因素，可以确定最优纹理宽度为A2和C2。对上述分析因素进行综合平衡分析，得出结论如下：均衡行车稳定性与路面抗滑性能，确定最优的方案组合为A2B3C2，即参数为：纹理宽度8 mm，纹理深度 1.5 mm，刀组间距15 mm。参考水泥混凝土路面的刻槽工程实例，该参数组合能够在工程项目上实现，且符合水泥混凝土的强度特性。

5 结论

1)结合实际路面的纹理化原理及纹理效果，自主研发一套导轨套模和刀具，通过试验尝试，自研模具可较精确地开展室内试验试件的纹理雕琢工作，能有效模拟实际路面纹理化构造，同时，其操作简单、便捷，具有一定的研究与应用价值。

2)构造深度受纹理深度影响最显著，且随着纹理深度的增大构造深度有不断增大的趋势；应力集中分布度受纹理深度影响最显著，且随着纹理深度增大应力集中分布度呈不断增大的趋势；转向阻力矩受纹理宽度的影响最显著，随着刀组间距增大，转向阻力矩呈现先减小后缓慢增大的趋势。

3)不同水泥混凝土路面路用性能指标的主要影响因素存在一定的差异，通过分析及均衡各个纹理化参数因素对水泥路面性能的影响，确定纹理化路面优选参数组合为纹理宽度8 mm，纹理深度 1.5 mm，刀组间距15 mm。