机场水泥混凝土道面抗滑机理分析.pdf

第 3 7卷第 5 期 2 0 1 1 年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 机场水泥混凝土道面抗滑机理分析 马世宁 ， 刘晓军 ， 刘庆涛 ， 张元农 ， 董 军。 ( 1 空军工程大学， 陕西 西安7 1 0 0 3 8 ； 2 兰州空军后勤部机营处 ， 陕西 西安7 1 0 0 1 7 ； 3 南京空军后勤部机营处， 江苏 南京3 6 1 1 0 2 ) 摘要： 研究了摩擦系数的构成 ， 提出了摩擦系数粘着分量、 表面裸露集料压入轮胎变形摩擦系数分量和表面纹理构造压人 轮胎变形摩擦系数分量的定量计算方法， 介绍了当道面潮湿时， 轮胎产生弹流动力现象的3种形式， 并且给出了道面宏观纹理 构造、微观纹理构造对抗滑性能的影响。 关键词 ： 抗滑性能； 滑动摩擦系数； 机理分析 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3( 2 0 1 1 ) 0 52 2 5 0 3 The a n a l y s i s o f a i r po r t PCC pa v e me n t f r i c t i o n me c ha n i s m MA S h i n i n g ， L I U X i a o j u n ， L I U Q i n g t a o ， Z H A N G Y u a n n o n g ， D O N G J u n ( 1 A i r fom e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 Ai r F o r c e L o g i s t i c s Ma c h i n e Or g a n i z a t i o n o f L a n z h o u Mi l i t a r y Re g i o n， Xi a l l 7 1 0 0 1 7， Cn a ； 3 Air F o r c e Logi s t i c s Ma c h i n e O r g a n i z a t i o n o f N a n j i n g M i l i t a r y R e gi o n ， N a n j i n g 3 6 1 1 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Re s e a r c h o n t h e c o mp o s i t i o n of t h e f ri c t i o n c o e f f i c i e n t ， p r o p o s e d t h e q u a n t i t a t i v e c a l c u l a ti n g me t h o d a b o u t a d h e s i o n c o e ff i c i e n t of f ri c t i o n a n d d e f o r ma t i o n c o e ffi c i e n t of f r i c t i o n t h a t i n c l u d e s t h e c o mpon e n t of s u rf a c e e x pos e d a g g r e g a t e p r e s s e s i n t h e t i r e a n d t h e c o m p o n e n t of s u rf a c e t e x t u r e p r e s s e s i n t h e t i r e D e s c r i p e d t h e t h r e e f o r ms o f E HL w h e n t h e r u n w a y i s w e t ， al s o ， gi v e n t h e i n fl u e n c e o f r u n w a y ma c r o t e x t u r e a n d mi c r o t e x t u r e o n a n t i s li d i n g p e rf o rm an c e Ke y wo r d s ： a n t - s l i d i n g p e rf o rm a n c e ； s l i d i n g c o e ffic i e n t o f f ric t i o n； me c h a n i s m a n a l y s i s U 刖 吾 机场跑道道面的抗滑性能在保障飞机安全着 陆、 加速制动和道面有水膜不产 生滑漂等方 面的重 要性变得越来越重要 了。 目前 ， 对于抗滑性 能主要 是通过摩擦系数来表征 ， 飞机轮胎与道面间的摩擦 性能是飞机驱动、制动、转动的重要来源， 更是保 证飞机在有水膜条件下不产生飘滑的原因。所以， 对轮胎与道面间摩擦特性进行深入研究 ， 是正确预 测道面摩擦力的基础 ， 是保证飞机安全飞行的基础。 1 机轮与道面间滑动摩擦 系数 摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力 和能量损耗。对于机场道面抗滑性能主要是通过滑 动摩擦系数来表征， 而滑动摩擦系数又分为粘着摩 收稿 日期： 2 0 1 0 4 - 0 7 作者简介： 马世宁( 1 9 8 5一) ， 男， 安徽萧县人， 硕士， 研究方 向： 机场 施工与材料。 E ma l l ： ma s h i n i n g 2 0 0 8 y a h o o c o n c a 擦系数分量和变形摩擦系数分量。 1 1 粘着摩擦系数 机轮橡胶是一种粘弹性体材料 ， 有关文献提 出用分子动力学模型和机械模型来描述橡胶的粘着 摩擦。弹性橡胶体在刚性表面上的滑动 ， 假定粘着 发生在 A点单元上， 如图l ( a ) 所示。接触点的粘着 维持一段时间， 此间橡胶体产生位移 d ， 之后接触点 的粘着被释放。滑移使橡胶体 中产生弹性应力 ， 单 元存储一定的弹性能 ， 如图 l ( b ) 所示。一旦弹性力 大于接触点的粘着力 ， A点的粘着就被破坏 ， 引起此 单元的松弛。接着 ， 粘着又在新 的 A 点产 生， 如此 继续下去 ， 如图 1 ( C ) 所示。 其粘着摩擦系数 为 = 詈 ( ) ta n tT ta n ( 1 ) a I J J 式 中 粘着摩擦系数 ； r 机 轮 与 道 面 界 面 的 粘 着 抗 剪 强 度 ， M P a ； 作用在机轮上的荷载， M N ； 2 2 6 四川建筑科学研究 第 3 7卷 d 1 a 一 一 _ C ) 图 1 弹性橡胶体在刚性表面的粘着滑动 F i g 1 Ad h e s i o n - s l i d i n g o f e l a s t i c r u b b e r i n t h e r i gi d s ur f ac e A 实际接触面积 ， m ； t a 硒橡胶弹性体的正切模量或阻尼系数。 丁 =c+ t a n b ( 2 ) 式 ( 2 ) 为道面表面存在灰尘时的粘着强度 。 式 中 c 表面灰尘的粘聚力 ， P a ； 表面灰尘与橡胶摩擦的外摩擦角 ， 度 ； 机轮与道面的接触应力 ， P a 。 对于干摩擦 的情形 ， 表面灰尘 的粘聚力 c：0 ； 对于湿摩擦的情形， 由于灰尘较薄， 润湿后， 仍可近 似有 c= 0 。干摩擦时 ， 表面灰尘 的外摩擦角 西千大 于润湿时的外摩擦角 咖湿 。将式 ( 2 ) 和式( 3 ) 代人式 ( 1 ) 得式 ( 4 ) 。 O- a= W ( 3 ) z =t a n 咖 t a ( 4 ) 已知橡 胶 的弹性 复原 率 时， 正切模 量按 下 式 计算 ： ： G2 ： V _ 1 _k 2 t a n 8 ( 5 ) = =_ ( 5 ) L r 1 式 中 G 剪切弹性模量 ， MP a ； G ： 粘性剪切模量 ， MP a ； 橡胶弹性复原率 ， 。 1 2 变形摩擦系数 1 2 1 表 面颗粒嵌入机轮变形摩擦 系数 当道面表面在粘着摩擦 的作用下， 首先是细集 料或掺合料的细小颗粒暴露出来 ， 然后是粗集料暴 露出来 。埋在浆体 中并暴露在表面 的颗粒 ， 压人橡 胶轮胎 中时， 由于轮胎橡胶的变形滞后作用 ， 产生变 形摩擦 。道面表面砂浆的构 造， 类似 于分布在表面 的球形微凸体 ， 微 凸体压人橡胶轮胎后 ， 橡胶材料的 滞后变形引起能量损失 ， 提供滞后变形摩擦力 。根 据几何关系， 得滞后变形摩擦系数 为 4 d 历 d d l 式中 由球形微 凸体提供 的滞后 变形摩擦 系数分量 ， 无量纲 ； r 球形微凸体的半径 ， mm； d 在给定 荷载作用下球形微 凸体压人 橡胶的深度， m m。 埋人浆体中半裸露在表面的颗粒， 相当于半径 r的球形微 凸体 ， 均匀排列在接触表面上 。等大球 体堆积固相面积率为 0 6 8 ， 则单位面积上微 凸体的 数量为 N o=0 6 8 ( 7 ) 式 中 0 单位接触面积上微凸体的数量 ； r 球形微凸体 的半径， m m。 单个微凸体与橡胶轮胎 的接触 ， 可认 为是半径 为 r的球体与平 面的接触。根据赫兹接触原理 ， 球 形微凸体压人橡胶轮胎的深度为 d l = 1 6 r 0 9W A 2 ( 8 ) 1 6 r n A E z ， () 式 中 轮载 ， N； A 轮迹接触面积， mm ； E 橡 胶 与 颗 粒 的 复 合 模 量， 按 下 式 计算 ： 1 = + ( 9 ) E E E 、 式 中E ， 。 颗粒的弹性模量 ( MP a ) 和泊松 比； E ， a 橡胶的弹性模量( MP a ) 和泊松 比。 将式( 8 ) 代人式 ( 6 ) ， 并 引入接触特性参数 ， 则摩擦系数为 ： x 。 l=0 7 0 7 r 邝 1 2 0 1 q r 2 一1 ( 1 0 ) 式 中 为与接触特性有关的参数 ， 按下式计算 ： = ( 。1 6- a ) ( 1 1 ) ,E - 2 I 。 J 1 2 2 纹理构造微 凸体嵌入机轮变形摩擦 系数 目前 ， 机场道 面通过拉毛、拉槽 、刻槽等工艺 形成道面的宏观构造来提高道面的抗滑性能。表面 宏观纹理与机轮之间的作用相当于圆柱体嵌入纹理 构造提供滞变摩擦作用。而宏观构造的净 间距 、构 造深度相当于硬 圆柱体 压入橡胶轮胎表面， 使轮胎 中的橡胶材料滞后变形 ， 引起能量损失 ， 提供滞后变 形摩擦力。根据几何关系， 得滞后摩擦系数 为 = 【 ( - 2 ) ( 6 ) 式中 由纹理构造提供的滞后 变形摩擦 系 2 0 1 1 N o 5 马世宁， 等： 机场水泥混凝土道面抗滑机理分析 2 2 7 数分量 ， 无量纲 ； h 纹理微 凸体压人轮胎深度 ， 可取为抗 滑平均纹理构造深度 T D值， mm； d 纹理净间距 ， 即两个纹理之间微凸体 的宽度 ， mm。 2潮湿道面抗滑性能分析 2 1 弹流动力现象 当道面潮湿有水膜时 ， 飞机在道面上滑行往往 会产生弹流动力现象 I 1 ) 动力滑水 ； 2 ) 粘性滑水 ； 3 ) 微弹流润滑 。 至于是哪一种现象的机理在作用， 这主要取决 于飞机的速度、 水膜厚度、 轮胎花纹类型、 道面表面 构造纹理等 】 。 1 ) 动力滑水 - 3 】 。是 飞机 以高速度滑行在有水 膜的道面上， 所产生的一种流体动力效应。当水膜 所产生的向上的动水推力P 小于机轮法向荷载时， 此时产生部分滑水现象， 会减小道面摩擦系数、加 大制动距离。随着飞机速度的提高， 当动水推力扩 展到整个接地面积时， 此时 ， 动水推力大于机轮法向 荷载 ， 产生完全 滑水现象， 飞机完全失去控制。然 而 ， 在实际情况中产生完全滑水的可能性较小 ， 多数 情况下只产生部分滑水现象。 2 ) 粘性滑水 和微 弹流润滑 J 。在潮湿或下着 毛毛雨的天气 中， 道 面上 可能有层极薄 ( 厚度小于 0 1 m m) 的水膜。但该层薄膜产生的弹流动力效应 就足以使胎面和道面间脱离接触。粘性滑水的产生 较动力滑水更为频繁 ， 且对飞机的操纵稳定性构成 更为严重的问题。粘性滑水的产生速度均低于动力 滑水 。当道面微观粗糙度被磨成圆滑状 时， 微 弹流 润滑便可能在圆滑微凸体顶端产生。 可以看出， 飞机在潮湿道面上高速行驶时 ， 由于 挤压水膜产生 的动水推力使得机 轮胎 面与道面脱 离 ， 会导致飞行事故发生 。对于轮胎而言， 可以提高 胎压 以及胎面花纹深度 ； 对于道面而言， 增加表面的 纹理深度 ， 提高道 面表面的坡度 ， 减小 表面水膜厚 度； 这些措施都可以降低发生滑水的机率。 2 2 道面纹理构造对抗滑性的影响 2 2 1 道 面宏观 构造 的影 响 水泥道面的宏观构造主要是在面层施工时通过 拉毛、拉槽、刻槽等工艺所产生的用肉眼能看见的 纹理构造。它主要是当飞机在高速滑行时能提供较 好的抗滑能力和较好 的排水通道 ， 增大轮胎与道面 的接触面积 ， 增大摩擦力 。从 图 2中可以看出， C区 为轮胎与道面的直接接触区； B区存在水膜 ， 为半接 触区； C区存在大量 的水膜 ， 不再有任何接触。当飞 机高速滑行时置换水膜 ， 水膜不能及 时从轮胎与道 面之间排 出， 会产生向上 的动水推力， 减小了接触的 面积， 降低 了摩擦系数。 ： ： 。 接触区 A A I B C B 一 、 、 C L ! 浮 区 图 2 轮胎与道面 的接触 区域 】 Fi g 2 Co n t a c t a r e a o f t h e t i r e s a n d a i r p o r t p a v e me n t 当滑行速度较高时， 为了保持轮胎与潮湿道面 之间的接触， 道面要有粗糙 的宏 观构造。从 图 3中 可以看出， 花纹轮胎与构造深度大的道面接触时， 可 以为轮胎与道面的接触面提供有效的积水宣泄通 道， 使轮胎与道面能够处于“ 干燥接触” 状态， 从而 保证轮胎与道面有效接触。由于粗糙的宏观构造促 进水的抽空， 从而 限制 图 2中 A区域 的尺寸， 保证 了飞机 的安全。 ， ， 水膜 、 水膜 道面 ( 构造深度小 ) 道面 ( 构造深度小 ) 图3 不同深度构造和不同轮胎花纹对排水的影响 F i g 3 Th e e ffe c t o f d i ffe r e n t t e x t u r ed e p th an d t y re t r e a d o n the d r a i n a g e 2 2 2道 面微 观构 造 的影响 在轮胎与道面的相互接触过程 中， 为了克服相 对滑动产生摩擦阻力 ， 这主要起源于道面表 面大量 的“ 微凸体” 。它主要来源于分子间的附着分量摩 擦力和轮胎变形的阻滞摩擦力， 而附着分量为主要。 道面表面的微观构造是提供 附着分量的主要 因素， 既可以保证在高速条件下的抗滑性能， 又可以保证 在低速条件下的抗滑性能。微观构造面积越大 ， 轮 胎与道面的接触面积就越大， 是摩擦力重要水平。 如图 2所示 ， 微观构造可以中断 B区中的水膜 ，从 ( 下转第 2 3 1页) 2 0 1 1 N o 5 赵文兰。 等： 混凝土多孔砖砌体 自由干燥收缩性能研究 2 3 1 看出， 自然条件下混凝土多孔砖砌体 H W- 5各测点 计算结果与实测结果符合 良好 。 0 4 0 U 1 2 0 I O U Z UU 2 40 龄期 d 图5 自然条件下砌体收缩率与基本公式比较 F i g 5 Th et e s twa l l s h r i n k a g e v a l u es c o mp a r e d t h t h e c a l c ul a t e d v a l ues i n n at ur a l c o ns e rv a fiOn 4 结语 1 ) 考虑了环境温度、 相对湿度及龄期对混凝土 多孔砖砌体收缩的影响， 依据试验数据 ， 得到混凝土 多孔砖砌体收缩率估算公式 。 2 ) 混凝土多孔砖砌体砌筑后一周内， 砖从砂浆 中吸收一定的水分 ， 砌体干湿变形为膨胀和收缩交 替的变形。 3 ) 砌墙含水率越大， 混凝土多孔砖砌体的干燥 收缩率越大； 环境相对湿度越大， 干燥收缩率越小； 温度越高， 干燥收缩率越大。在3 0 d 左右， 混凝土多 孔砖砌体基本达到干燥收缩平衡状态 ， 其收缩率与 我国的 砌体结构设计规范 中取值相 比基本一致 。 4 ) 本试验测定 了混凝土多孔砖砌体 自砌筑 之 日起的 自由干燥收缩变形 的变化规律 ， 更接近于工 程实际 ， 有助于我们根据不 同环境工程 中混凝土多 孔砖砌体砌筑的龄期， 来判定其收缩变形程度， 从而 有利于控制墙体的收缩开裂。 参 考 文 献 ： 1 周瑾， 陈鸣， 等 混凝土小型空心砌块墙体干缩性能的试 验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 8 ) ： 4 l 4 3 2 G B 5 0 0 0 3 2 0 0 1 砌体结构设计规范 s 3 陈萌， 刘立新 商品混凝土收缩变形的试验 J 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 7 0 - 7 2 4 程少辉， 梁建国 混凝土多孔砖自生收缩和干燥收缩的试验研 究 M 北京： 中国城市出版社， 2 0 0 7 ： 2 0 8 - 2 1 1 5 陈萌， 张兴昌 商品混凝土干燥收缩应力的分析及计算 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 4 ) ： 1 8 9 1 9 2 ( 上接 第2 2 7页) 而提高 C区、 B区的摩擦力。当飞机滑行速度较低 时 ， 道面的抗滑能力主要是 由道面的微 观构造来提 供的， 因为道面表面大量 的“ 微凸体” 存在可以刺破 水膜， 同时， “ 微凸体” 之间的凹槽可以提供较好的 排水通道 ， 从而保证了机轮与道面很好的接触 。 3 结语 1 ) 道面抗滑性主要是 由滑动摩擦系数来 表征 ， 滑动摩擦系数又主要是由粘着摩擦系数和变形摩擦 系数所构成。 2 ) 由粘着摩擦系数计算公式( 4 ) 可以看出， 干 燥道面的摩擦大于潮湿道 面的摩擦 ， 这是 因为干燥 道面比潮湿道面有较大的外摩擦角 ； 又 由于干燥状 态和潮湿状态表面颗粒的外摩擦角差 异不大 ， 一般 不超过 3 。 ， 因此 ， 干摩擦与湿摩擦的差异不大。道 面的平整性 ， 表面污染物的清除， 可大大提高道面的 抗滑性能， 这是因为界面粘结强度不受颗粒起动或 粉尘 、 粘土等隔离的控制而大大提高。 3 ) 由公式( 1 0 ) ， 可以计算出颗粒嵌入机轮的变 形摩擦系数， 从而可 以得到在表 面浆体强度足够 和 颗粒埋置稳固的前提下 ， 存在最佳砂 的硬度和弹性 模量， 使表面摩擦系数最大。复合弹性模量主要取 决于橡胶的弹性模量， 因此， 砂的硬度和弹性模量变 化对变形摩擦系数的影响不如橡胶轮胎的影响大。 4 ) 由公式 ( 1 2 ) 可 以得到 ， 纹理 间距越密 ， 构 造 摩擦 系数越大 ； 构造深度越大 ， 构造摩擦系数越大 ； 纹理形状 的影响主要对微凸体压人橡胶轮胎的深度 有影响。矩形微凸体的抗滑能力大于 V形微凸体 的抗滑能力。 5 ) 利用摩擦学理论分析在道面潮湿时， 机轮产 生弹流动力现象的 3种方式 ： 动力滑水 、粘性滑水 和微弹流润滑。当飞机滑行速度较高时， 会产生部 分动力滑水和完全动力滑水。 6 ) 从机 场道 面表层 的宏观纹理 构造和微观纹 理构造两个方面， 分析了它们对于道面抗滑性的影 响， 得到了当飞机滑行速度较高时宏观构造可以提 供较好的排水通道 ， 增大接触面积 ； 当滑行速度较低 时 ， 微观构造 大量的 “ 微 凸体 ” 可以 中断 和刺 破水 膜， 扩大干燥接触区的面积， 从而进一步增大摩擦 系数 。 参 考 文 献 ： 1 美 布尚 B 摩擦学导论 M 葛世荣 ， 译 北京： 机械工业出 版社 ， 2 0 0 7 2 彭旭东， 谢友柏 ， 郭孔辉 轮胎摩擦学的研究与发展 J 中国 机械工程 ， 1 9 9 9 ， 1 0 ( 2 ) 3 朱洪涛 水泥混凝土路面抗滑机理及测试技术研究 D 西 安： 长安大学， 2 0 0 9 4 wu c L ， N a z i M A O p t i m i z i n g S u r f a c e T e x t u r e o f C o n c r e t e P a v e m e n t J R D 1 1 1 T ， P o r t l a n d C e m e n t A s s o c i a t i o n ， 1 9 9 5