刻槽水泥混凝土路面抗滑降噪特性研究

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1、 分类号:?四删/?谖孝犬海硕士学位论文刻槽水泥混凝土路面抗滑降噪特性研究郭知涛导师姓名职称 韩森教授申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 道路与铁道工程论文提交日期 年月日 论文辩论日期 年月日学位授予单位 长安大学辩论委员会主席 王秉纲教授学位论文评阅人 王秉纲教授杨韵华教授级高工摘要我国水泥混凝土路面的抗滑构造在经历了压槽、拉槽后,刻槽己成为目前应用最广泛的构造形式。刻槽多采用横向,虽然能够提高路面纵向抗滑性能,缩短制动距离,但无法防止车辆侧滑事故发生,且路面噪声较大。论文针对此问题,研究抗滑降噪的刻槽技术,具有重要的现实意义。本研究通过研究刻槽水泥混凝土路面抗滑机理和噪声特性,分析刻槽

2、参数对路面抗滑及噪声的影响,以期优化刻槽参数,到达提高刻槽水泥混凝土路面抗滑性能、降低噪声的目的。通过对路面抗滑特性及轮胎/路面间摩擦力的分析,提出刻槽水泥混凝土路面抗滑机理三分量模型,并在此根底上,从理论上分析了刻槽参数对其抗滑性能的影响。进行了刻槽水泥混凝土路面抗滑性能室内试验,分析了刻槽参数对常规抗滑指标的影响。通过轮胎/路面噪声产生机理及其影响因素的分析,对刻槽路面噪声特性进行了研究,提出横向不等间距刻槽路面、纵向刻槽路面降噪机理,提出横向等间距刻槽路面的噪声频谱中的间断峰值频率能够通过刻槽特征频率进行近似表征。李家河隧道试验路数据分析说明,刻槽参数对路面抗滑及噪声均有不同程度的影响,

3、验证了理论分析的合理性。结合试验路施工过程,对抗滑降噪刻槽水泥混凝土路面的施工工艺进行分析研究。关键词:刻槽水泥混凝土路面、抗滑降噪、不等间距刻槽、纵向刻槽、轮胎/路面噪声 , ., , .,? .? ,.。.? ?, ., . ? , , . ,., ? . ;: ;论文独创性声明本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重要奉献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承当。敝储繇噜扣殇叫年罗月;阳论文知识产权权属声明本人在

4、导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,署名单位仍然为长安大学。保密的论文在解密后应遵守此规定论文作者签名:叫年岁月矽日噜知份导师签名:文。节年月日长安大学硕士学位论文第一章绪论.问题的提出及研究意义改革开放三十年以来,我国的公路交通建设事业取得了前所未有的成就,截止年底全国等级公路里程到达.万公里,占公路总里程的.%。在已建成的各等级公路中,水泥混凝土路面以其强度高、稳定性好、无车辙、耐久性好、造价适中、夜间行车可视性好等诸多优点得到了广泛应用。

5、表.】是我国自年以来历年水泥混凝土路面建设开展里程。可以看出,截止年,我国公路水泥混凝土路面仅建成,从年到年年的年均增长率为.%;从年到年年的年均增长率为.%;年的年均增长率为.%,说明我国公路水泥混凝土路面自世纪年代以来,每年以%左右的速度迅猛增长。累积 里程同时,水泥混凝土路面里程数在各种铺面类型中的比例也在迅速增加,如表.】所示。截止年底,我国公路建设总里程.万公里,其中水泥混凝土路面总里程已经到达.万公里,占公路总里程数的.%,占水泥、沥青两种高级路面总里。程数的.%。表. 我国公路铺面类型分类统计表然而,随着经济建设的开展,公路等级不断提高、交通量增大、车速加快,水泥混第一章绪论凝土

6、路面的抗滑问题日益突出。尤其是在雨季,潮湿的路面抗滑性能大大降低,易使车辆打滑失控,造成重大事故,导致人伤。:、财产损失等。对此,如何改善水泥混凝土路面抗滑性能,一直是人们关注的焦点。与此同时,随着人们环保意识的增强,刘水泥棍凝十路面噪声逐渐关注,“噪声路而己成为水泥混凝土路面的代名司。在对路面使用品质要求不断提高的情况下,研究人员展丌了对低噪声水泥混凝土路面的研究,如发现采爿横勺小等问距纹理、纵向纹理町降低水泥路面噪卢。我固水泥混凝土蹄】的抗滑怕造形式,先后经历槽、拉槽、刻槽 ,以压槽法为主,即用加二个小同的时期“。世纪工成带有环凸棱或梯形当的辊子,一:抹光的混凝十表而壤功,】棱或凸头打辊子

7、苣力作用被压入混凝土一形成凹椭或凹坑,如图 所小。:;/方法制作的淘枘深度和宽度都受到一定勺限制,一般枉嘣年之后【表曲胖损而连渐】失。以后拉槽法逐渐取代了:槽池,即用具有定刚度的条状物制作成梳蓖状,斤一林光后的混献上表血上,科一定的.下拉动,将条状物九的湿凝十刮向两边形成拉槽,如罔 所小。但足,托精沾深度同样难以控制,均匀性较差,条状物的砸度,弹陆,倾角及所受到的压力郜会明缸影响沟槽深度。豳瞧 潮氏压栖和挣槽都足新浇混凝十表硬度及砂浆层厚度受到混凝土配比、拌:的均匀性、捣实程度及施工延续时间等多荆扎寨的蟛响而具有小一致性,所制作的沟槽也就存在叫娃的不均匀现象。而月,于拉压椭时对外表砂浆的推挤作

8、用,湿软处纹理深,砂浆向两边隆起,影响蹄面平整度。针刘进问题,在 兜年代我围闩行研制了水泥昆凝土路面刻槽机,白此我因的水泥混凝上路面防滑构造普遍采用刻槽形式。剿背,即聚用一组人造金刚石锯片,相隔一定的问距安装在同一根轴上形成刀排,刀排在动力驰动高速旋转,使刀片对已硬化的混凝土产生磨削,从而在混凝土外表上形成边缘整齐的防滑凹槽 ,如图 所示。刻精路面的摩擦性能明显高于非划槽路面 尤其是雨天情况下,刻槽能够为路而提提高抗滑性能,降低空通事故的发生。供良好的排水通道,株正轮胎路向州的接触哉同刻槽路面多采用横向、矩形断叫刻槽,这种刻槽路面在轮胎滚动时,噪声较人;虽能提供良好的纵向抗荆性能,化对于防下侧

9、滑作用;人,车辆恻滑市故不断;甜侈划槽路面的受力效果较差,刻槽边缘在轮胎作用心力集叫严重,易损坏。刘刻槽蹄川亢泔机删、小等,距刻槽段纵向刻槽路而降噤机州等的研究,阳内塾水处于,门。另外,刻槽施工小标准,缺乏相应的操作规程,刻椅质量难以保证。综所述,我国水泥混凝嘶叫刻槠口没有基十抗滑降噪的考虑卡优化,路而机滑和噪声性能难以令人满意。【鲥此,论文钊对此情况,刘刻槽蹄丽抖机理、刻槽构造参数的选择及刻椭施工工艺等进详细的研究,通过优化刻槽参数、设计新刑刻精形式,到达改善刻槽水泥混凝上路而抗滑性能和降低路面噪声的日的,具有重要工程意义。本研究从水泥混凝土路血抗卅构造形式入,纠对刻槽水挑混凝土路而展开研究

10、,研究其路【血抗滑机理,分析剡椅参数刈路而抗滑性能的影响。同删,兼顾刻槽路面噪声特性,研究了;槽参数对路面噪声的影响。在此藏础上提出优化的抗滑降噪刻椭施工工艺,以提川水泥混凝土蹄而使片品质。.国内外研究现状.刻槽结构参数刻惜结构参数年要包括槽走向、礴型断面、槽宽、槽问矩及槽深个要素。、槽走向按与行车方向的位置美系.刻槽有横向、纵向、斜向之分。横向刻槽的槽走向与行车方向圣直,纵向划槽的槽走向与行车方向半行,斜向刻槽,的槽走向与行车方向成一定角度,并棱角度人小又有两种形式:。及。如图 所示。第一章绪论行车方向.飞纵向刻槽 横向刻槽行车方向 行车方向.?. .斜向刻槽斜向刻槽、槽型断面按刻槽断面形状

11、划分,分为矩形断面、梯形断面及形断面三种,如图.所示。、槽宽如图.所示,对于矩形槽与形槽,即为槽宽;对于梯形槽,有上槽宽和下槽宽之分。、槽间距槽间距分为刻槽中心距和净间距两种。刻槽中心距是指两槽中心之间的距离,如图。本研究中所指槽间距除特别指明外,均为刻槽净间距。 。卜卜?叫卜卜二叫黎撬霾鬟羚簇飘攥生?兰?一 . .长安大学硕上学位论文、槽深槽深。.国外研究现状刻槽作为水泥混凝土路面的一种防滑构造形式,在国外尤其美国应用较早,相应抗滑及噪声方面的研究成果较为丰富。、美国年,加州在州际公路上 进行了水泥混凝土路面纵向金刚石刻槽实验【.,主要目的在于研究槽间距、槽宽对路面抗滑性能的影响,同时验证两

12、种新型刻槽形式的抗滑性。如图.所示,其试验路中三个路段采用宽度.的刻槽,其中心槽间距分别为,;一个路段采用较窄的刻槽形式,宽度.,间距;同时采用了两种改善摩擦性能的刻槽形式类型和类型如图.所示。鲫.笼广 .。钙。.川. 暇熊鬻、产匿霎藿瑟. ?,匿鐾霎雹幸歹产僻,陶燃露叠恐野瑟露冀溺。隧芝茎乏楚量螫茎妻壁奎至:;翻弋;?/ . / .肭.钾图. 年美国加州采用刻槽形式采用光面轮胎在路面潮湿情况下,测量了试验路刻槽前后的摩擦系数,结果如表.第一章绪论所示。可以看出,刻槽.槽宽为.,深度.,间距前后,摩擦系数没有变化;.、.、.刻槽前后的摩擦系数变化不大。说明增大刻槽间距,对水泥混凝土路面抗滑性能

13、无明显改善。类型、类型刻槽形式对于提高路面的抗滑性能效果显著,两者相比后者更有优势。分析原因认为,类型的槽间距之间还有锯齿状的微型凹槽,等于在提供了宏观构造的同时,又提供了细观构造,能提供较高摩擦系数,更好保证车辆行驶平安。年,加利福尼亚州对该试验路段又进行了进一步的噪声测试,采用车载噪声强度测试法,数据分析说明槽宽为.时,刻槽间距变化对路面噪声影响较小【。表. 年路面摩擦系数测试结果附注:表中.表示刻槽宽度为.,深度.,间距。世纪年代中期,美国波特兰水泥协会和各州公路和运输工作者协会等以确保行车平安为主要目标,推荐采用的横向槽尺寸为:槽深.,槽宽.、槽中心间距。美国联邦公路局从提高路面抗滑能

14、力和降低噪声的综合角度考虑,推荐采用不等间距横向刻槽:建议槽宽为士.,槽深为一,窄而深的沟槽优于宽而浅的沟槽;槽深平均为.,长安大学硕:七学位论文个别值不小.;槽中心距在范围内随机变化,且其中%的槽间距应小于。还规定,无论是采用纵向槽还是横向槽,按容量法测得的路表平均构造深度最小值应达.。对于曲线路段,采用纵、横向沟槽组合是减少高速行车事故的有效方法【。例如:采用间距的纵槽与间距的横槽相组合,既可加强曲线段的行车控制,又可迅速排除路表雨水。美国混凝土协会委员会规定【:横向刻槽效果最好,槽宽应大于,槽深应小于,间距应在之间。但从不影响窄轮胎车辆摩托车的行车平安性和舒适性角度考虑,的等间距纵向槽布

15、置应是最正确选择。 一此外,矩形、倒梯形和形断面刻槽在美国各州均有采用】,常用的尺寸参数如表二一.所示。为了找出抗滑效果最正确的刻槽间距,加州对不同槽间距路面的滑溜事故进行调查后第一章绪论认为:槽间距为时最平安;再考虑到行车的舒适性和刻槽的寿命,加州的刻槽尺寸规定为槽宽.、槽深.、槽间距中心。年,爱荷华州交通运输部进行了“纵向研磨和横向刻槽改善路面摩擦性能和断面特性的研究,其铺筑的试验路中采用三种纹理构造形式的试验路:横向等间距刻槽、横向不等间距刻槽以及纵向研磨。每种纹理段落长约,宽.,相邻实验段之间间隔.,如图.所示。纹理构造形成前后的路面摩擦系数测试结果见表.,可以看出刻槽及研磨前后路面的

16、摩擦系数均得到大幅提高。横向不等间距刻槽纵向研磨横向不等间距刻槽纵向研磨年威斯康辛州交通运输部首先提出,等间距拉槽会产生出个别的峰值噪声,刺激人耳【】。不等间距以及纵向纹理均不会产生类似的峰值噪声,其采用的不等间距刻槽尺寸尺寸单位为如下:.?.?.随后,科罗拉多州也有类似发现,并将应用最广泛的横向等间距纹理形式改为间距的纵向纹理。行车道 超车道槽形式?花纹胎 光面胎 花纹胎 光面胎 刻槽前横向刻槽刻槽后 刻槽前横向刻槽纵向研磨刻槽后刻槽前纵向研磨 刻槽后注:采用摩擦系数测试车来测定摩擦系数,测试速度为约/混凝土路面噪声与纹理构造特性研究,在威斯康辛州、卡罗来纳州、爱荷华州、密歇根州、北达科他州

17、等地,共修建条试验路,纹理构造包括不同尺寸的拉槽、横纵向刻长安大学硕士学位论文槽、金刚石研磨等,并对其进行了平均断面深度及路面噪声水平的测试,研究结果说明:刻槽施工过程中,槽深不易控制,变化性较大。横向刻槽中,槽宽、槽深越大,噪声水平越大。在具有相似平均断面深度情况下,与等间距横向槽路面噪声相比,其它纹理构造的降噪效果如表.所示。横向等间距刻槽的噪声频谱图中存在间断峰值频率,该频率下产生很高的“鸣哨声,刺激人耳,应当尽量防止。纵向刻槽及沥青路面的车外噪声水平最低,并且其纹理构造的耐久性较好。车内噪声最低的依次为沥青路面、纵向刻槽路面、不等间距斜向槽。不等间距横向槽能够明显减少或降低间断峰值频率

18、,但需要进行专门的槽间距排列顺序设计以及精心的施工,否那么,不但起不到降噪的效果,噪声频谱中间断峰值频率仍然存在,噪声总声压级降低不明显,甚至不降低【。金刚石研磨路面的噪声频谱中不存在间断峰值频率,与不等间距横向槽相比,可降低车外噪声约。亚利桑那州对四种纹理形式的路面进行噪声测试说明,随机间距横向拉槽的噪声水平最高,金刚石研磨的噪声水平最低,两者相差约】,如图.所示。四种纹理形式的噪声频谱如图.所示,在低于的频率范围内,四种纹理形式的噪声频谱相差较大,对应的声压水平相差可到达。?写嚣,攸餍 餍 . 囫 . 励 。纵向刻槽横向随机间距 横向等间距 金刚石研磨路面类型第一章绪论矗勺誉蚤去? ./倍

19、频程频带中心频率图. 四种纹理类型路面噪声频谱图加州洛杉矶地区对个路段的测试说明,纵向刻槽前后,雨天情况下的交通事故率降低约%】。纵向刻槽采用宽度.、深度.,中心槽间距,该刻槽形式对于汽车的实用性较好,但对于摩托车那么存在车轮与路面间附着力低的问题。、欧洲各国及日本法国道桥研究所认为,当刻槽外表积比即槽宽与槽宽槽间距之比相同时,减少槽宽、缩小槽间距,抗滑效果最好;当槽间距一定时,增加槽宽可提高抗滑性;当槽宽不变时,缩小槽间距有利于抗滑。当刻槽外表积比超过%,纵、横向摩擦系数不再增加。通常取槽宽,槽深,槽间距一。丹麦公路局在高速公路水泥路面上刻槽后认为【,在已经硬化的混凝土上进行刻槽本钱较高,在

20、未硬化混凝土上拉槽或压槽比拟经济。其所采用的水泥路面防滑构造,主要是利用带有波纹的氯丁橡胶带碾压未硬化路面,以此得到沟槽,效果较好。有的路段还用亚麻籽油做外表处理,以保护第一个冬季中,路面免受除冰盐的伤害。经过测试证明,用亚麻籽油处理的路段,在开放交通头年内的路面摩擦系数增加显著由.增加到.。德国一项研究说明,采用通过法测试噪声时,纵向刻槽路面的车外噪声高出露石混凝土路面在之内,而横向槽路面的噪声要高出约川。英国多采用尼龙齿耙的横向拉槽和用振动板所做的随机塑性刻槽,为了控制路面噪音在范围内,采用槽宽,槽深。同时,还采用纵向拉槽来减少路面噪音。另外,英国曾做过斜向刻槽的试验,但其施工技术比拟复杂

21、,同时还存在诱发车辆出现侧滑的可能性,应用很少【】。年月, 通过试验路研究认为,横向槽路面会产生很大的长安大学硕士学位论文单极子噪声 ;不等间距槽可降低轮胎/路面噪声的音调,对降低总噪声级有利;槽深对水泥混凝土路面噪声有一定影响【】。日本在水泥混凝土路面和机场跑道中多采用刻槽技术。规定机场跑道的刻槽形式为槽宽、槽深、槽中心间/疆,纵向刻槽必须在跑道全长范围内进行,横向刻槽必须在/跑道宽度范围内进行【。同时,日本相关研究认为,纹理构造深度越大,噪声水平越古。、其他国家及组织澳大利亚相关试验测试说明,槽深增大对减轻噪声有利。同时,其采用的不等间距槽间距布置方案为尺寸单位为【】:. .?. 一.国际

22、民航组织规定,跑道刻槽形式为、,且纵向刻槽必须刻跑道全长,横向距跑道边以内的范围。规定槽深、槽宽、槽间距、直线性的允许误差:直线性/米,平均深度和宽度士.。综上所述,国外对刻槽或拉槽路面的研究应用时间较长,美国各州已经规定了较为完整的刻槽参数以及刻槽形式,对横向刻槽路面以及纵向刻槽路面的抗滑及噪声特.,性也进行了一定研究,但主要是围绕槽间距中心距、槽走向等展开的,对刻槽路面防滑机理方面没有建立完整的理论;虽然对不等间距刻槽的降噪效果进行了大量的试验路数据分析,但结果不尽如人意,没有提出合理的不等间距刻槽路面降噪机理及间距组合设计原那么;同时缺乏对梯形刻槽路面抗滑及噪声特性的研究。.国内研究现状

23、相对而言,我国对刻槽水泥混凝土路面的研究起步较晚,无论是对抗滑性、还是噪声特性的研究,在深度和广度上和国外都有着一定的差距。世纪年代后期,开展了国家科委引导性工程工程?“我国水泥混凝土开展对策及修筑技术研究。“八五期间,进行了国家重点科技攻关工程?“水泥混凝土路面抗滑技术的研究专题,针对水泥混凝土路面外表抗滑构造的合理性、耐久性、施工方法等展开了研究,通过河北高牌店试验路、湖南湘潭一株洲试验路、湖南莲易路实体工程和河北石太路实体工程的铺筑及检测,完成了对拉槽、压槽以及刻槽构造形式、施工方法的初步研究,认为【】:从排水能力、施工方便性和噪声的角度综合考虑,刻槽的宽度以为宜。从施工方便性的角度出发

24、,一般推荐采用矩形槽,在冰冻严重的地区可以采用上宽第一章绪论、下宽的梯形槽。刻槽深度主要取决于施工能够到达的水平和磨耗这个因素。对于塑性刻槽拉槽或压槽,最小槽深不宜小于.,对于硬刻槽,深度宜在之间。槽的走向有横向和纵向两种。横向槽具有排水效率高、摩擦系数略大于纵向槽的优点;缺点为行车噪声较大。纵向槽的优点是噪声小、行车方向诱导性好、防侧滑的能力较强、有利于机械化施工。一般路段推荐采用横向槽,在弯道处或便于采用机械拉槽时推荐采用纵向槽。等间距刻槽时,槽的净间距应在之间;变间距刻槽时,槽的净间距应在之间变化。压槽、拉槽间距宜取小值,硬刻槽间距宜取大值。在需要控制噪声的路段,推荐采用随机的变间距刻槽

25、。年,我国研制开发了第一台电动刻槽机,开创了我国水泥混凝土路面应用金刚石锯片来进行外表刻槽纹理制作、保证防滑性能的新时期。目前,刻槽已经成为我国水泥混凝土路面的最主要防滑形式。表.表.为年代以来我国局部高速、一级公路,机场跑道以及市政道路工程中所采用的刻槽构造形式。表.高速、一级公路工程中采用的刻槽参数长安大学硕士学位论文由表.表.可以看出,我国工程应用中采用的刻槽构造有以下特点:。我国高速及一级公路中所采用的刻槽槽宽、槽深绝大局部都在;槽间距以等间距为常用尺寸,合宁高速公路采用了不等间距压槽的防滑构造;早期修建的路面中,刻槽走向多以横向为主,只有晋阳高速牛王山隧道旧路面抗滑恢复工程,采用了纵

26、向刻槽;槽型断面多以矩形为主,只有广东深汕东高速采用梯形断面形式。国内几家采用水泥混凝土路面的机场跑道除徐州观音机场采用压槽机压槽外,其余均采用刻槽机刻槽,其采用的刻槽参数相比高速、一级公路均较大,为,槽走向为横向,槽型断面为矩形。其它市政道路或等级较低道路采用的刻槽尺寸均比高速、一级公路要小,槽宽多用,槽深不等,槽间距控制在范围内,槽走向以横向为主,槽型断面也多采用矩形断面。在相关工程实践和研究成果的根底上,我国水泥混凝土路面相关标准对其抗滑构造也做了相关规定。?公路水泥混凝土路面设计标准? 中规定:路面外表构造应采的要求。. .一般路段构造深度. .特殊路段注:特殊路段指高速公路、一级公路

27、的立交、平交、变速车道等处;其他公路系指急弯、陡坡、交叉口或者集镇附近。年降雨量以下的地区,表列数值可适当降低。?公路水泥混凝土路面养护技术标准? .中对于水泥混凝土路面外表功能恢复规定如下:路面磨光时,可采用刻槽法进行处治。混凝土板刻槽宜采用自行式刻槽机,应在指定的线路上安置导向轨,并将导向轮扣在导向轨上,刻槽深度,槽宽,缝距为。刻槽时宜由高向低逐步推进。?公路水泥混凝土路面施工技术标准? 中对水泥混凝土路面抗滑构造做了更为详细的规定:细观构造方面:摊铺完毕或精整平外表后,宜使用支架拖挂层叠合麻布、帆布或棉布,洒水润湿后作拉毛处理,布片接触路面长度以.为宜,细度模数偏大的粗砂,拖行长度取小值

28、;砂较细,取大值。人工修正外表时,宜使用木抹。用钢抹修正过的光面,必须再拉毛处理,以恢复细微观抗滑构造。宏观构造方面:当日施工进度超过时,抗滑沟槽制作宜选用拉毛机械施工,没有拉毛机时,可采用人工拉槽方式。在混凝土外表泌水完毕内应及时进行拉槽。拉槽深度应为.,槽宽,槽问距。等间距或非等间距刻槽均可使用,为减小噪声,宜采用后者,但衔接间距应保持一致。特重和重交通混凝土路面宜采用硬刻槽,凡使用圆盘、叶片式抹面机精平后的混凝土路面、钢纤维混凝土路面,必须采用硬刻槽方式制作抗滑沟槽。可采用等间距刻槽,其几何尺寸与上款相同;为降低噪声宜采用非等间距刻槽,尺寸宜为:槽深,槽宽,槽间距在之间随机调整。路面结冰

29、地区,硬刻槽的形状宜使用上下的梯形槽;硬刻槽机重量宜重不宜轻,一次刻槽最小宽度不应小于,硬刻槽时不应掉边角,亦不得中途抬起或改变方向,并保证硬刻槽到面板边缘。抗压强度到达%后可开始硬刻槽,并宜在两周内完成。硬刻槽后应随即将路面冲洗干净,并恢复路面的养生。其它:一般路段可采用横向槽或纵向槽,在弯道或要求减噪的路段宜使用纵向槽。年降雨量小于地区的各级公路混凝土路面,可不拉毛和刻槽;年降雨量长安大学硕上学位论文为的地区,当组合坡度小于%时,可不拉毛与刻槽;组合坡度大于等于%时,执行表. 一般路段的抗滑构造规定。高寒和寒冷地区混凝土路面的停车带边板和收费站广场,可不制作抗滑沟槽。虽然我国水泥混凝土路面

30、相关标准对拉槽及刻槽做了简要规定,并推荐了拉槽及刻槽的参数取值范围,但仍存在以下问题与缺乏:未对拉槽施工做出具体要求,如机械设备的选择、非等间距拉槽如何进行组合设计等;未对刻槽施工工艺做出明确规定,缺乏具体的施工考前须知、施工机械设备选择等;虽规定了有降噪需求的路段采用非等间距刻槽,但未明确如何进行不等间距刻槽、间距如何布置等;虽规定路面结冰地区宜使用梯形槽,但如何实现梯形刻槽、对机械设备等有哪些要求等未明确提出。综合以上分析,我国刻槽水泥混凝土路面还是以横向、矩形断面、等间距刻槽为主,低等级道路还多以拉槽为主,槽宽、槽深等参数缺乏具体的界定,对不同形式的刻槽路面防滑机理缺乏详细的研究探讨。同

31、时,我国还没有展开对刻槽水泥混凝土路面噪声特性的相关研究。因此,本研究将着重研究刻槽参数与路面抗滑性和噪声的相关关系,从而进一步优化刻槽结构参数,使刻槽水泥混凝土路面实现“抗滑降噪。.主要研究内容及技术路线.主要研究内容本研究在充分吸收国内外研究成果的根底上,结合国内实际情况,对刻槽水泥混凝土路面进行研究。主要研究内容如图.所示,主要包含以下内容:、刻槽水泥混凝土路面抗滑特性研究通过分析路面外表构造特性、路面抗滑性主要影响因素,揭示水泥混凝土刻槽路面抗滑机理。在此根底上,进一步分析刻槽参数对路面抗滑性能的影响,展开室内试验研究,成型不同刻槽参数的水泥混凝土刻槽试件板,检测其抗滑性能指标;、刻槽

32、水泥混凝土路面噪声特性研究通过对轮胎/路面噪声产生机理进行分析,进一步明确其主要影响因素,在此根底上,分析刻槽参数对轮胎/路面噪声的影响规律,提出基于降噪的优化刻槽参数。、李家河隧道试验路研究在上述研究的根底上,提出试验路纹理类型方案,并对其进行抗滑性能及噪声测试第一章绪论分析,验证理论分析的合理性。、抗滑降噪刻槽水泥混凝土路面施工工艺研究结合试验路铺筑施工过程,进行抗滑降噪刻槽施工工艺研究。稚畏妖富馘卅仪将匦长安大学硕士学位论文.技术路线针对上述主要研究内容,本论文主要通过国内外资料调研与实际工程调研相结合,理论分析及室内实验与试验路工程相结合等技术手段,对刻槽水泥混凝土路面抗滑降噪特性进行

33、研究,如图.所示。.本章小结本章简要回忆了我国水泥混凝土路面及其防滑构造形式的开展历程,提出了改善其抗滑降噪外表功能的重要性;介绍了刻槽结构参数的概念;对国内及国外的刻槽水泥混凝土路面研究应用现状进行了总结归纳,并在此根底上提出了本研究的主要内容和技术路线。第二章刻槽水泥混凝土路面抗滑特性分析第二章刻槽水泥混凝土路面抗滑特性分析.路面抗滑特性分析.路面纹理构造特性年,世界道路组织协会认根据路面纹理构造的波长水平向尺寸、波幅竖向尺寸大小,结合其分布及作用,将路面纹理构造特性分为细观构造.、宏观构造.、大构造和平整度四类【。其中对路面抗滑性能影响最为显著的是细观构造和宏观构造两种【】。细观构造是指

34、波长小于或等于.的构造。水泥混凝土路面的细观构造取决于混凝土摊铺完成后,路面的外表饰面工艺。采用土工布或粗麻布拖拉,均可获得较好的细观构造。细观构造为路面提供最根本的抗滑力,即轮胎与路面之间的附着力,是路面摩擦系数的主要来源【】。同时,细观构造的存在也是轮胎磨耗的主要影响因素之一,对轮胎/路面间的高频接触噪声也有一定影响。宏观构造是指波长在.一之间的构造,其波幅为波长的.倍。普通水泥混凝土路面的宏观构造主要由压槽、拉槽及刻槽等外表纹理制作工艺形成;露石水泥混凝土路面的宏观构造那么取决于裸露集料的粒径大小、形状及分布情况等。宏观构造除了能够提供轮胎/路面间摩擦力的滞阻摩擦力分量之外,对路面抗滑性

35、能的主要奉献在于:雨天情况下,辅助路面排水系统及时排水,为轮胎/路面之间提供有效的积水宣泄通道,使轮胎/路面处于“枯燥接触状态,抑制或减弱滑水的发生,减缓路面抗滑力在高车速下的衰减。.轮胎与路面间摩擦应用摩擦学理论分析枯燥状态下轮胎与路面间的摩擦力构成,可归纳为以下四个方面【, ,。、轮胎与路面间的分子引力作用实践说明,当两个物体外表之间相距非常近时,其间的分子引力作用是相当客观的,这种分子引力就构成了轮胎/路面间摩擦力的一局部【】。这种摩擦力除与轮胎和路面材料的性质有关外,还取决于轮胎/路面间实际接触面积的大小,受路面状态,如污染、水膜、灰尘及湿度等影响较大。、轮胎与路面间的粘着作用相关研究

36、说明,与金属间的粘着类似,轮胎与路面间存在粘着作用。对轮胎进行长安人学硕上学位论文磨损试验后,可在轮胎外表找到粘着在其上的路面磨粒;在路面上也可发现粘着在其上的橡胶磨粒。另外,轮胎/路面间的静电吸引也是轮胎与路面发生粘着的证明。由粘着作用而产生的摩擦力与轮胎与路面材料性能、接触面压力等有关。、胎面橡胶的弹性变形与金属材料不同,橡胶是一种弹性非常好的材料。在路面较大微凸体及胎面花纹等的作用下,胎面橡胶会反复产生较大的弹性变形,这种弹性变形所产生的变形力与弹性变形恢复力的合力也构成了摩擦力的一局部。不同胎面花纹轮胎在纵向或横向载荷作用将产生完全不同的变形情况,因此产生纵向或横向摩擦力的能力也完全不

37、同,这充分说明了橡胶弹性变形对轮胎与路面间摩擦力产生有重要作用。这种摩擦力主要取决于胎面花纹和路面上较大尺寸的微凸体的性能等。、路面上小尺寸微凸体的微切削作用在载荷作用下,路面上较小尺寸的微凸体会在胎面的局部产生较大的应力集中【。当胎面上所产生的局部应力超过了其断裂强度时,在切向力的作用下,路面上尺寸较小的微凸体就会对胎面形成微切削作用,微切削过程中产生的阻力构成了轮胎/路面间摩擦力的一局部。轮胎摩擦外表的扫描电镜照片证实了轮胎与路面间微切削作用的存在。由微切削作用产生的摩擦力除与轮胎及路面的材料性能有关外,主要取决于路面上较小尺寸微凸体的大小、分布情况及锋利性等。.刻槽水泥混凝土路面抗滑机理

38、三分量模型目前,刻槽水泥混凝土路面的刻槽尺寸一般为槽宽,槽净间距,槽深。由前面分析可知,其路面纹理构造特性主要属宏观构造范畴;与此同时,在混凝土铺筑完成后,进行外表拉毛处理,槽齿局部未刻槽局部存在一定的细观构造。因此,刻槽水泥混凝土路面的纹理构造可分为宏观构造为主和槽齿细观构造为辅两局部,如图.所示。垦. .一?. .?兰?.?一一.刻槽水泥混凝土路面纹理构造宏观构造光滑刻槽槽齿局部细观构造对刻槽水泥混凝土路面的抗滑机理进行分析要从宏观构造和细观构造两方面进行,不同的构造对抗滑奉献不同,结合摩擦学理论,本研究提出用三分量模型来表示:第二章刻槽水泥混凝土路面抗滑特性分析.式中:卜刻槽水泥混凝土路

39、面抗滑性能;乃?由减弱滑水保证接触对抗滑力的提高量;为与路面潮湿状况有关的系数,路面潮湿有水时取,枯燥时取;卜滞阻摩擦力分量;广一粘着摩擦力分量。刻槽水泥混凝土路面的抗滑机理三分量可通过图.进一步说明。槽齿细观构造提供粘着摩擦力分量轮胎变形嵌挤提供滞阻摩擦力分量滞阻摩擦力分量和粘着摩擦力分量可由式.、式.表示:只兰 .。.,式中,为轮胎橡胶滚动及滑动过程中产生的能量耗散,为滑移距离;为轮胎胎面橡胶的剪切强度,为实际接触面积。.减弱滑水保证接触轮胎与路面在潮湿甚至有水存在状态下的接触形式包括两种:边界层润滑型接触和长安大学硕十学位论文弹性动力润滑型接触【。当路面水膜厚度较小几个分子层厚度,轮胎与

40、路面接触较为紧密时,发生边界层摩擦,如图.所示。该接触形式发生在低速下,轮胎与路面之间能够产生足够摩擦力,保障行车平安。?一?当水膜厚度加大,车速较上下于完全滑水对应的临界速度时,轮胎前进方向上的水产生积聚,而使轮胎发生弹性凹陷水的惯性和粘滞性阻力是引起此种凹陷的原因,并形成向上的压力,由此而导致摩擦力的急剧下降,这种现象称为水动力润滑滑水现象,如图.所示。此时,轮胎与路面的接触区域根据润滑形式的不同可划分为三个区【】:非接触区、间断接触区以及完全接触区,如图.所示。行驶方向非接触区的水膜厚度较大,属弹性水动力润滑模式,轮胎与路面没有接触,无摩擦力存在;间断接触区存在间断水膜,属混合型的润滑模

41、式,轮胎与路面之间处于不连续接触状态,摩擦力不连续;完全接触区根本为“枯燥区域,属边界层润滑模式,轮胎与路面能够保持一定的紧密接触,具有摩擦力。当水膜厚度继续增大,非接触区和间断接触区的水膜厚度增大,导致完全接触区域进一步变小,轮胎/路面间的摩擦力进一步减小。当车速进一步增加时,非接触区与间断接触区向完全接触区移动,进而导致完全接触区消失,轮胎/路面完全别离,出现完全动力滑水现象。显然,滑水现象与水膜厚度有关,的研究说明,.的水膜厚度就会引起滑水现象【。第 口到槽水%耻十路自抗特性分析刻惜水泥混凝土路面存在纵向或横连续的勾槽,降量较,能够及时将轮胎/路而【的积水顺利排走,从而保持轮胎/路面之剐

42、的边界层润泔五。接触,使其处于“干燥接触状态,提供较好的摩擦力。降雨量较大,水膜厚度进一步【】太,由丁淘惜的存在,辅助路?排水系统及时排水,会减小轮胎路九之【勺水膜厚度,完争接防咀驶问断接触区【税增大,抑制或减弱卅水的发生,使得轮胎/跚而之能够保舶较人而积的相刈“燥接触状态,轮胎与路面之阳的荷与摩擦得以较好地实现,从而减缓刻槽水泥混凝土路而抗滑力存高牟速的衰减。如 .所小。显然,划惜路向减埘滑水的能力与刻背参数人小密七柏苁。.嵌挤作用提供滞阻摩擦力滞阻胯擦力分量主要与轮胎橡胶变形以及其内部的能量损耗有关。轮胎主婴是由橡胶或类橡胶材料制作而成,在刻槽水泥混凝路而一滚动时,于刻梆足按一定川隔存存的

43、,具有弹悱的轮胎胎断橡胶材料与路面的接触为一种纵向或横向不连续状态,由此导致胎面橡胶,。生反复的弹性变形,这种状态下的弹性变形相对光滑路血耍大得多.由此产生的弹性变形力与恢复力的合力构成了滞阻摩擦分力量圳。.】时,胎面橡胶村料存变形过程中存在弹性滞扁效应,即弹性变形恢复力总是小于弹陀变彤,这一过程伴随着能置的损耗,损耗的能箍在轮/路面摩擦过程叶以热。的形式耗散掉,提高滞阻摩擦力分量另外,车辆荷载越大,轮胎与路自接触叫变形加大,嵌挤入刻槽内部的局部越多,与刻槽槽蛙的接触越紧密,产生摩擦力。.槽齿提高牯着擦力粘着摩擦力分量主要是由细观构造所提供的,可以用橡胶表珐分子幽热活化而产生的制滑现象来说明。

44、粘假设是指由于轮胎橡胶材料分子与刻槽槽齿局部路面之间形成结合长安大学硕士学位论文和切断,使橡胶分子发生伸缩,从而引起能量损耗的现象【瑚刀】,将轮胎与路面间粘着点剪断所需的力就是粘着摩擦力分量。由粘着作用而产生的摩擦力主要取决于轮胎与路面材料的性能、接触面之间的压力、路面状态以及轮胎与路面间的实际接触面积。水泥混凝土路面铺筑完成后,外表要进行拉毛处理,制作细观构造,之后等混凝土路面到达一定强度之后再进行刻槽施工,制作宏观构造。因此,刻槽槽齿局部的细观构造能够在刻槽之后得以保存,为轮胎与刻槽路面之间提供了粘着摩擦力分量。.刻槽参数对路面抗滑性能影响分析.刻槽走向、纵向刻槽纵向刻槽在纵向行车方向是连

45、续的,而横向是间断的。轮胎上作用有纵向力时,纵向刻槽路面受到方向相反的较小水平力,轮胎胎面的切向变形很小;轮胎上作用横向力时,路面上的纵向刻槽相当于假设干个小悬臂梁,随之产生较大的横向反作用力,阻止轮胎侧向滑移。因此,当轮胎上同时作用纵向力和横向力时,轮胎与纵向刻槽路面间的摩擦将主要偏向于横向,即纵向刻槽有较好的横向防滑能力。在某些情况下紧急刹车制动,纵向刻槽路面还存在犁沟效应,由此产生的摩擦力,能够缩短制动距离,保障行车平安。犁沟效应是金属摩擦学中的一种现象,是指硬金属的粗糙峰嵌入软金属后,在滑动中推挤软金属,使之塑性流动并犁出一条沟槽,该过程中产生一定的阻力【】,如图.所示。一剪切面犁沟面

46、在紧急刹车制动情况下,假定水泥混凝土路面的纵向刻槽为硬金属,轮胎橡胶为软金属,由于车辆轮胎橡胶变形,纵向刻槽必会嵌入到轮胎橡胶内部,并且在车辆轮胎滑动中推挤橡胶,并“犁出一条沟槽,这一过程中产生的阻力成为纵向刻槽路面抗滑力的重要分量。同时,纵向刻槽路面能够增进方向控制,有效地降低事故犁。、横向刻槽与纵向刻槽相反,横向刻槽在横向上是连续的,纵向上是按一定距离槽间距间第二章刻槽水泥混凝士路面抗滑特性分析断分布的。轮胎在横向刻槽路面上滚动时,出现轮胎与横向刻槽的周期性重复碰撞,由此产生的轮胎橡胶变形能量损失转化为摩擦力的一局部。同时,当轮胎上同时作用有纵向力和横向力时,轮胎和路面间的摩擦力方向将主要

47、偏向于纵向,即横向刻槽有较好的纵向防滑能力。同时,由于路拱横坡度的存在,横向刻槽可很好的辅助路面排水。、斜向刻槽对于斜向刻槽而言,轮胎在横向力和纵向力共同作用下,其路外表的横向和纵向反作用力都会产生,在弯道路段上应用效果较好,一般路段应用时容易出现车辆侧滑现象。.槽间距刻槽间距越小,单位长度范围内的刻槽数量越多,轮胎与路面的实际接触面积就越小如图.所示为采用计算法得到的不同槽宽下,槽间距减小实际接触面积的变化趋势,相同轮胎压力和车辆荷载下,轮胎/路面单位接触压力越大,轮胎/路面间的附着力大,路面摩擦性能好。槽宽 槽窀 槽窀一辎值叠蛸崆袜在刻槽深度一定的情况下,刻槽日距越小,将增加阿天情况下路面

48、的排水通道,加快路面水的排出,能够更好的减弱滑水,保证轮胎/路面间的接触。刻槽间距如果过小,在一定的水平力下,尤其车辆制动时,槽齿局部受到的剪应力增大,耐久性不好,易损坏【;同时,轮胎/路面接触局部的压强增大,会加剧轮胎磨耗;对施工也会带来困难。此外,槽间距过小会给施工带来麻烦,降低施工效率。.槽宽在其它刻槽参数不变时,增加槽宽可辅助路面排水系统提高排水能力,使轮胎/路面之间的水尽快排除,保持轮胎与路面的接触状态,从而有效防止或降低雨天情况下出现滑水现象的可能性。还可减弱或防止出现水雾现象,影响驾驶人员行车视线。另外,单纯增大槽宽,意味着刻槽净间距减小,轮胎/路面实际接触面积减少如长安大学硕学

49、位论文图.所示为采用计算法得到的不同槽间距下,槽宽增大实际接触面积的变化趋势,单位接触压力增大,进而提高轮胎与路面的附着力。同时,轮胎变形局部,嵌挤入刻槽内部的面积增大、嵌挤深度加大尤其对于纵向刻槽而言,同样有利于提高路面与轮胎之间的摩擦力。娶嚏墨鲻监袜相关研究说明,槽间距时,路面横向力系数骈随槽宽增加而提高,但槽宽超过后呈下降趋势【,如图.所示。当然,在刻槽间距不变的情况下,单纯增加槽宽,刻槽净间距变小,车辆制动时,槽齿局部易损坏,耐久性不好;同时,易加剧轮胎的磨损。槽宽过大对路面平整度也会产生不良影响。槽宽图. 与槽宽关系曲线槽中心间距.槽型断面轮胎在滚动过程中,与刻槽之间存在重复撞击,刻

50、槽边角部位受到轮胎冲击荷载和垂直荷载的联合作用,产生应力集中现象。梯形槽受力效果明显好于矩形槽,矩形槽边角局部的应力集中现象明显。研究说明,施加相同荷载时,槽宽,槽深,矩形断面刻槽的边角顶峰应力值到达.,而梯形断面刻槽仅为.,如图.所示。第二章刻槽水泥混凝土路面抗滑特性分析重一侧拒;?入/之奄协另外,路面结冰情况下,梯形槽能够很好向上扩散冰冻胀力,从而防止由于冰冻胀力而引起的刻槽损坏【。从轮胎与刻槽之间的嵌挤深度、接触面积考虑,梯形槽较之矩形槽,轮胎变形嵌挤入槽内的深度要大,与槽壁局部接触面积加大,提供的摩擦力较大,这一点对于纵向刻槽尤为明显。.槽深槽深对路面抗滑性能的影响主要表达在路面排水、

51、耐久性等方面。在槽宽、槽间距一定情况下,槽深越大,路面构造深度越大,雨天情况下,刻槽排水效率高,防止出现滑水、水雾现象等;在相同的路面材料和施工情况下,槽深越大,其相应的磨耗使用年限就越长,路面抗滑性能的保持时间越长。.本章小结本章在总结路面抗滑特性的根底上,提出了刻槽水泥混凝土路面的抗滑机理三分量模型,从理论上分析了刻槽参数对路面抗滑性能的影响,得出主要结论如下:、刻槽水泥混凝土路面纹理构造可分为宏观构造为主和槽齿局部细观构造为辅两大局部,其路面抗滑机理可用三分量模型来解释,即宏观构造在雨天减弱“滑水和保证“枯燥接触、为轮胎橡胶嵌挤作用提供滞阻摩擦力分量以及槽齿局部细观构造提供的粘着摩擦力分

52、量。、纵向刻槽与横向刻槽路面的抗滑机理不同。在车辆轮胎同时受到横向力和纵向力时,纵向刻槽恰似假设干连续的悬臂梁,横向反作用力远大于纵向,以横向摩擦防侧滑为主;同时,在车辆制动过程中存在犁沟效应产生的摩擦力,能够缩短制动距离。横向刻槽路面在车轮作用下,纵向反作用力远大于横向,对于缩短直线上的制动距离有利,长安大学硕士学位论文但无法有效防止侧滑。斜向槽易诱发侧滑,可用于弯道路段。、其它槽参数不变时,槽间距减小或槽宽加大,雨天时排水效率提高,减弱滑水,同时轮胎/路面接触面压力增大,抗滑性能提高。梯形断面相比矩形断面具有更好的受力条件,边角应力集中较弱,且轮胎嵌挤入槽内的变形大,利于抗滑。在相同的磨耗

53、速率下,槽深越大,刻槽构造寿命越长,但槽深过大不易施工。第三章刻槽水泥混凝土路面抗滑性能试验研究第三章刻槽水泥混凝土路面抗滑性能试验研究.试验研究方案.实验目的及实验内容、实验目的采用室内成型水泥混凝土刻槽试件板的方法,研究刻槽参数对路面抗滑性能的影响,实验目的主要有三个:刻槽单参数对路面抗滑性能影响研究。当只有一个槽参数改变时,分析该参数对路面抗滑性能的影响,主要分析刻槽走向、槽间距以及槽宽变化对抗滑性能的影响。路面细观构造对抗滑性能的影响研究。制作试件板时,在相同槽参数下,分别制作光面板不进行毛巾拖拉处理和拉毛板进行毛巾拖拉处理,测试并比照分析其抗滑指标。对实验结果进行分析,同时结合刻槽路

54、面防滑机理、刻槽参数对路面抗滑影响分析等,为李家河隧道试验路的刻槽参数方案提供参考。、实验内容室内成型水泥混凝土试件板,养生天后进行刻槽,检测其抗滑指标。本研究中采用的室内抗滑性能检测指标为构造深度、摆值及摩擦系数。水泥混凝土路面刻槽主要属于路面宏观构造范畴,一般用构造深度表征,采用人工铺砂法测试。摆式摩擦仪测得的路面抗滑摆值主要表征路面细观构造,那么宏观构造变化对摆值大小有无影响、规律如何实验测定了不同刻槽试件板的抗滑摆值,研究了刻槽参数变化?路面宏观构造变化对摆值的影响规律,同时验证细观构造对抗滑摆值的主要奉献作用。利用物理学中有关测定摩擦系数的简易方法?斜面法及滑动法,进行摩擦系数测定。.原材料及试件板尺寸、原材料要求及配合比选择水泥混凝土路面的材料选择、集料级配状况、路面表层砂浆层厚度等对于路面的抗滑性能有一定影响,本实验中采用蓝商高速公路李家河隧道水泥混凝土路面所用的原材料及配合比,以此来减少材料方面的影响。长安大学硕十学位论文水泥:采用蓝田尧柏.号普通硅酸盐水泥,其主要物理力学性能指标如表.所示。粗集料:粗集料应选用洁净、坚硬、耐磨性好的碎石。使用前需测试其压碎值、针片状颗粒含量、密度等指标,本实验所用粗集料性能指标如表.所示。细集料:实验中所用细集料为质地坚硬、耐磨耗、洁净的河砂。示,水灰比为.,砂率%。苹?划槽涅?十%面抗滑性能试驻宄麟彩