基于轮胎与路面接触压力特性的路面抗滑性能评价方法

曹一翔 孙杨勇

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东广州 510500）

压力感应胶片是一种能快速测得压力大小及分布的聚酯片，在分析两物体接触压力分布特性方面已有大量应用。1989年，国外Pezon R F等就开始尝试利用压力胶片研究不同类型轮胎的路面接触压力分布[1]；2006年，Costanzi M等使用压力胶片研究轮胎压力分布与沥青路面变形的关系[2]；2014年，Smail Hamlat等通过压力胶片，得到重载货车的轮胎与沥青路面的压力及压力分布关系，研究沥青路面耐久性和表面抗剥落性能[3]。国外将压力胶片引入道路领域的研究开展较早，但研究主要集中在轮胎与路面的压力大小及分布两个方向上。在国内，罗绍河等人利用压力感应胶片研究岩石连通空隙的分布[4]；2015年，华南理工大学李智等使用压力感应胶片研究轮胎与路面的有效接触面积，压力场分布及其应力集中效应等问题[5]。

1 压力感应胶片工作原理及应用

压力感应胶片是一种在受压时胶片上出现红色区域、色彩的浓度随着压力的改变而改变的聚酯片。本文采用双片型压力胶片，一片涂有一层微囊生色物质，另一片涂有显色物质。胶片受到压力时，微囊破裂，生色物质与显色物质相互反应，红色区出现在胶片上。

压力感应胶片工作原理如图1所示。

图1 压力感应胶片工作原理

压力感应胶片最小测量面积0.1 mm2，精度±0.02 MPa。可通过计算软件，对现场试验的压力胶片进行处理：

（1）对胶片进行扫描识别。

（2）对扫描后的色彩信息进行识别，并对不同范围的荷载信息进行变色区分，直观体现荷载区域信息。

（3）对处理后的荷载信息进行量化识别。

2 室内模拟试验及评价指标分析

2.1 室内试验设计

使用压力感应胶片测试轮胎与路面的接触压力与压力分布特性，其影响因素可分为压力感应胶片规格、车辆荷载、轮胎胎压、轮胎类型和路面结构类型。研究不同因素对试验结果的影响，不同因素的水平如表1所示。

表1 试验因素及水平

2.2 压力胶片扫描结果及分析

对试验后的压力感应胶片进行扫描分析，可以读出每一点压力值的大小，软件直接给出接触面积、平均压力、最大压力、车轮荷载以及测量面积等信息，并可计算出有效压力比例（有接触压力部分的面积占轮胎与路面的总接触面积的比例）、压力响应比例（某一压力值的面积占有接触压力部分的面积的比例）等信息。

0.2～0.6 MPa和0.5～2.5 MPa的压力感应胶片在AC-13、MRS和水泥面板上的胶片扫描结果如图2～图7所示。

图2 AC-13混合料的压力感应胶片扫描结果（0.2～0.6 MPa）

图3 AC-13混合料的压力感应胶片扫描结果（0.5～2.5 MPa）

图4 MRS压力感应胶片扫描结果（0.2～0.6 MPa）

图5 MRS的压力感应胶片扫描结果（0.5～2.5 MPa）

图6 水泥板的压力感应胶片扫描结果（0.2～0.6 MPa）

图7 水泥板的压力感应胶片扫描结果（0.5～2.5 MPa）

由图2～图7可知，轮胎与水泥面板的接触基本上为片状完全接触，与AC-13与MRS的接触为点状接触，因为AC-13与MRS的表面纹理比水泥面板更丰富。

（1）压力胶片型号的确定。

对比相同条件下不同胶片类型测得的轮胎与路面接触压强，0.5～2.5 MPa型的胶片压强明显大于标准轮压0.7 MPa。原因是因胶片的起点范围0.5 MPa过大，导致小于0.5 MPa的压力不能进行染色，通过与0.2～0.6 MPa型号的胶片对比发现，存在大量小于0.5 MPa压力的情况。采用0.2～0.6 MPa型号的压力感应胶片更利于准确描述轮胎与路面的相互作用关系。相同条件下不同胶片类型测得的轮胎与路面接触压强如表2所示。

表2 轮胎与路面接触压强 单位：MPa

因此，在进一步的试验及分析中仅采用0.2～0.6 MPa型号的压力感应胶片。

（2）评价指标的确定。

P（0.6，+∞）指压力感应胶片测得大于0.6 MPa的面积与有压力接触面积的比例，P（0.2，0.6）、P（0，0.2）以此类推。测量区域面积指轮胎与压力胶片有接触的投影面积；无压力白色面积比例指在测量区域内接触压力为0的面积占测量区域面积的比例。

由于数据所占篇幅较大，仅列在0.2～0.6 MPa型号胶片、2 kg/cm2新胎在空载的情况下测得室内试验结果数据，以此为例进行分析。为了得到路面抗滑性能评价指标，本文对压力感应胶片的不同指标与常规的摆值和构造深度进行回归分析。

室内试验结果如表3所示。压力感应胶片不同指标与摆值及构造深度相关系数结果如表4所示。

表3 室内试验结果

表4 压力感应胶片不同指标与摆值及构造深度相关系数

由表4可知，P（0.2，0.6）、P（0，0.2）和无压力白色面积比例，3个指标与摆值和构造深度具有非常显著的相关性。

为了评价不同路面结构类型对以上三种指标影响的显著性，对其进行方差分析，压力感应胶片指标对不同路面材料类型的显著性分析结果如表5所示。

表5 压力感应胶片指标对不同路面材料类型的显著性分析

由表5可知无压力白色面积比例的P值大于0.05，所以不同路面结构类型对无压力白色面积比例的影响不显著。

P（0.2，0.6）和P（0，0.2）的P值小于0.05，所以路面结构类型对这两个指标有极显著的影响关系。

从P（0，0.20）的定义可以推断，该值越大则轮胎与路面的接触面积越集中，路面中突出的颗粒越丰富，抗滑性能越好，实际试验结果也证明这点。

对其他条件下的压力胶片试验结果进行分析，可以得到规律相同的结果。

采用与常规抗滑指标相关性好、对不同路面结构形式区分度强和物理意义明确的P（0，0.2）作为压力胶片的抗滑评价指标。

（3）试验的影响因素分析。

为了全面分析不同的试验因素对指标P（0，0.2）的影响效果，本文对表1中所列出的不同因素、不同水平的全试验中得到的P（0，0.2）值进行多因素方差分析。

路面结构类型对P（0，0.2）的影响最显著，说明指标能够有效区分出不同的路面结构类型；影响效果其次是轮胎类型、车辆荷载和胎压。

因此，为了增强试验结果的可比性，应控制试验的其他条件保持稳定。

P（0，0.2）影响因素的方差分析结果如表6所示。

表6 P（0，0.2）影响因素的方差分析

3 室外现场验证试验

为了更全面评价压力胶片的效果，本文还进行了室外验证试验。采用0.2～0.6 MPa胶片、2 kg/cm2新胎和空载皮卡车的条件下，分别对AC-13沥青路面、MRS和磨光严重的水泥路面和进行测试。

在使用压力胶片现场测试的地点，还使用了两种常规的路面抗滑性能评价方法进行对比试验，即摆式摩擦仪和手工铺砂法。将P（0，0.20）值分别与摆值、构造深度进行回归分析，判断其相关性。

不同的试验方法路面试验结果如表7所示，P（0，0.20）值与摆值、构造深度回归分析结果如表8所示。

表7 不同试验方法路面现场测试结果

表8 P（0，0.20）值与摆值和构造深度回归分析

由表8可知，P（0，0.20）值分别与摆值、构造深度有非常好的相关性，均成正相关，即P（0，0.20）值越大，则路面的构造深度和摩擦系数越大，路面抗滑效果越好。

室内及室外试验结果证明P（0，0.20）可以准确评价路面的抗滑性能。

4 结语

本文从轮胎与路面的压力大小及分布特性出发，研究路面抗滑性能。

（1）相比于0.5～2.5 MPa的压力感应胶片，0.2～0.6 MPa型号的压力感应胶片能更好地表征轮胎与路面的相互作用压力分布及大小。

（2）压力感应胶片的P（0，0.20）值分别与摆值、构造深度具有较好的相关性，均成正相关，即P（0，0.20）越大，路面抗滑性能越好。

（3）使用压力感应胶片测试轮胎与路面的压力大小及分布时，路面类型对试验结果P（0，0.20）影响最显著，其次是轮胎类型、车辆荷载和胎压。