丁楠道路材料翻译

道路工程材料

研究生：丁楠

学号：SQ10018231001 指导老师：高培伟

南京航空航天大学

航空宇航学院土木系

2010年12月

路面结构、噪声及摩擦的基本原理

丁楠

南京航空航天大学土木工程系

摘要：本文是对与混凝土路面结构、噪声及摩擦相关的基础知识和测量方法的概述。这些信息集合于改善混凝土路面表面特性战略方案和美国及欧洲混凝土路面降噪方法评估的发展过程中，是对现有文献及当前方法中的基本原则的体现。因此，在理解这些重要表面特性时，无须把重点放在新型测量技术和近期发展的内容上。

关键词：路表结构、交通噪音、路面摩擦

1. 结构基本原理

路表结构的特性十分复杂，因为路表结构要么是各向同性要么是各向异性也可能方向是任意性的。但是应注意有时候不是随机的，因为组成路面结构的物质在某种程度上会发生一些微小的变化。路表结构可以被分为四种：（1）粗糙结构；（2）起伏结构；（3）宏观构造；（4）微观构造。如图A.1示：

A.1 路表微观和宏观结构

路面结构的纹理波长被定义为连续的相邻两个突起之间的距离，在路面结构中同时会出现很多种纹理波长，这意味着纹理波长与路面结构组成有着密切的关系，在国际标准中ISO13473规定了如何测定结构纹理波长。

A.2路表结构特征与纹理波长之间的关系

在四种路面结构中波长受到平滑度、摩擦阻力、环境噪音的相互影响。例如，降低路面的粗糙度可以增加骑车的舒适度，但是增加粗糙度又可以提高汽车行驶的安全性能。而路面的起伏结构可以增加噪音，宏观构造又可以帮助减少噪音，除此之外宏观构造还可以帮助排水提高安全性能。更好的是路面的微观构造，它可以提供一种粘附力从而加大摩擦阻力。但是，过大的粘附力又会增加噪音。

粗糙的路面结构（有时也叫凹凸性）是指纹理波长为500mm或更大的路面，起伏路面结构是指纹理波长为50-500mm的路面，这种波长范围的纹理结构通常导致在路面上施工困难，表面涂层容易脱落等。

宏观构造是种很重要的构造类型，纹理波长为0.5-50mm之间，在路表面通过压挤造成的裂缝或凹槽都可形成宏观构造。在混凝土路面中大部分都是这种分布的粒状物，因此一旦这种粒状物暴露出来就形成了宏观构造。路面的宏观构造很重要不仅因为它能产生噪音，它还是路表面特性如摩擦性、防滑性等的影响因素。路面宏观构造的平均深度目前可以通过激光测量。

路面不规则的微观构造是肉眼看不见的，包括微观的细沙颗粒和粒状物本身的颗粒。这种构造的纹理波长小于0.5mm.这种纹理构造在高速行驶时不会产生很大噪音，但是会影响其他路面特性如摩擦性。

2. 路面产生噪音的基本原理

2.1 噪声

噪音是人们不想听到的声音，就本身而言它是一种听觉上的东西，当一种声音达到不想听的程

度就形成了对身体不利的噪音。这些复杂关系也是可以交换的。而某些行业有可能会继续用“声音”这个词来代替“噪音”，意识到这两个词只是在学术上有些不同是很重要的。

声音是由空气波动形成的。声音是用分贝来衡量的，声学上的压力波相对于参考压力波是种对数关系。加权声压级是用dBA表示，但是它不会涵盖所有声音，它是一种经过数学换算后得到的测量模型，从而来测量人类耳朵对不同频率的声音的敏感度。应该注意其他因素像声音的清晰度、音调、音色都会影响声音，这些用dBA都不能表示出来。除此之外还应注意增加10dBA就会使噪音增加一倍。

2.2 交通噪音的来源

在路边观察到的两种主要的噪音来源是：传动系统的噪音和轮胎与路面摩擦的噪音。传动系统的声音主要来自发动机和尾气排放。轮胎的声音主要来自轮胎与路面的摩擦，而且也包括汽车的震动和气动声。在高速行驶时要考虑轮胎与路面摩擦产生的噪音，但是在低速行驶时由发动机和尾气排放产生的噪音可以忽略。在中等速度行驶时噪音来源依赖于汽车类型、路面结构、交通情况以及其他因素。在行业上将轮胎与路面摩擦产生的噪音作为主要的噪音来源这个观点还没达成一致，但是一致认为高速行驶时轮胎与路面摩擦产生的声音是噪音的主要来源。

对于干燥的路面，桑德伯格把轮胎与路面摩擦产生的噪音归类于三种：（1）轮胎径向振动;（2）轮胎切向振动;（3）排气泵。当胎面冲击路面时就发生径向振动，导致路面振动。这种振动在粗糙的路面上会更严重。切向振动是由车轮发生滑移时产生的。在胎面与路面之间的空气从压缩到膨胀，这过程中产生冲击波从而以声音的方式传播出去。

上述提及的三种噪音来源都是由不同纹理波长的表面构造引起的(Nilsson 1980)。同样引起了不同频率的噪音。这些噪音与汽车行驶的速度密切相关，宏观构造和微观构造会引起胎面的振动。路面的宏观构造会降噪，因为它阻止空气进入被压缩而减缓排气泵产生的噪音。路面的起伏结构会在胎面补丁处引起振动。路表结构特性与噪音的关系妨碍了对路表结构纹理的详细研究。但是目前报道过路表纹理的功率谱和声音的功率谱之间的关系，有些情况下不可能在牺牲安全性的条件下达到降噪效果。

在交通噪音上路面本身设计比轮胎胎面设计更为重要。对于轮胎振动，因为在胎面设计上缺少多样性，也不会设计成很硬否则就会导致噪音的产生。另一方面，胎面设计严重影响气泵，一种好的胎面设计就是在胎面与路面接触时让空气逃离。研究表明这种设计是合理的，不同胎面在不同路面上不会产生同样等级的噪音。

相对于路面来说，噪音既依赖于听觉又依赖于路表结构。对于路面来说，声音被吸收是有利的因为减少了在胎面与路面之间产生的噪音。路表结构纹理的尺寸与形状也控制了胎面与路面之间噪音的产生。大部分噪音产生与行驶速度有关，尤其是高速行驶。结果在高速公路上低速行驶时通常会减少噪音。

吸声系数是指被一种介质所吸收的声音的能量占总数的百分数，定义为α，大小在0到1之间。吸收系数接近0会出现在很硬的表面，声音全部会被反射回去。相反吸收系数接近1会出现在很软的表面，大部分声音会被吸收。吸收系数很难测得，它是很多因素的函数，包括声音的频率和声音

冲到物体表面的角度。

声音的吸收率与孔隙率和渗透率紧密相联，理论原理和经验知识都已推断出这些现象。举个简单例子，其他条件一样的情况下，越能透过空气的介质就越能吸收声音。高吸声率的材料在路面材料行业中是个重要的发展对象。有着高吸声率的材料不仅减少胎面与路面接触地方的噪音，还减少由汽车其他地方产生的噪音。

2.3 噪音的测量

噪音的测量可通过声压强的均方根求得，但是这种测量很少用来说明噪音的等级。相反噪音的等级是用声压等级分贝来说明的,通过求得声压值相对于一个参考值的均方根，再求得结果的对数值即可。使用分贝是很方便的，因为0分贝是人类能接受的最低限度，而不像其他的声压测量可以跨过好几个数量级。

注意分贝的使用不是加法，声音能量的加倍使分贝增加到3dB，安静的图书馆或许是35dB，而135dB则是噪音的开始，即使这反映了人们对声音的不同生理反应，但是不同的人对声音也有不同的反应。

很原始的声压测量没有反映出特有的人群对声音的反应。人类耳朵能识别出频率为20Hz-20000Hz的声音，尤其对1000Hz-5000Hz的声音很敏感。为了解释这点，在总结分贝数之前已将标准的频率加权数应用于声压的测量。为了降低声音的等级，一个标准的加权数叫做A加权数，在最后计算声压级时使用，结果用dBA表示，这也是交通噪音中通常使用的表示方法。

用dBA表示法中也有很多种不同标记，所有测得的值要加L以区分直接用声压级测量所得。

Leq：指将某点在一段时间内测得的不同A声级变化,用能量平均的方法以A声级表示该段时间内的噪声大小

L10:是声级的统计数字，是指一段时间内超出这个声级10%的极限值。L10是交通高峰期出现的一个声级，很重要但很少出现，其他百分数也经常使用。

Lmax:指超出给定的测量区间在非常短时间内所达到的最大的声级数。

在居民区，美国噪音调整中规定接近67dBA的接收端被认为是在噪声控制内的装置。一般的，交通噪音是对路边通过的车辆随机测量的。这种方法提供了一种直接的声级评判方法，这种旁通方法也采集到了胎面与路面界面处产生的噪音。但是这种方法吸收到了来自所有来源处的噪音，包括传动系统的声音。因此这种旁通法虽提供了交通噪音对居民区影响的直接数据，但是它要求更仔细的去控制引起交通噪音的因素，如扩音装置，环境温度，环境噪声。

最近几年普遍使用的噪音测量方法有基于声音来源的测量方法，包括CPX法和OBSI法。在这些测量法中，麦克被安装在车上，这使得在胎面与路面的接触处的噪音与其他噪音来源隔离开来。出于这个原因，这更能说明车型和路表结构在产生噪音方面的比较之处。即使这隔离了轮胎和路面同其他噪音来源产生的噪音，但是它忽略了噪音传播的影响。因此，这些方法也没能完全说明哪些路面类型是理想的路面类型。

因为旁通法和接地法不是测量噪音源的同一个设置点，所以他们之间没有很明确的关系，但最近研究表明这些方法已规定出道路的噪音等级。

而其他的测量方法都有一些固有的缺点。在过去的三十年里，有关交通噪音的研究已表明噪音测量过程中很多因素都对其有影响。如果比较不同研究所得的结果，那么要严格控制好每一个影响因素。例如Meier在相同的路面上以相同的车速行驶，不同的胎面产生的噪音有6dBA的差异。或许更重要的是最平静的路面也不适于所有的车型。车速、车型、路表温度、空气温度严重影响产生的交通噪音。除此之外，测量方法也很重要，美国联邦公路局正在制定更好的测量方法。

3. 轮胎与路面摩擦的基本原理

轮胎在路面上的减速性能与汽车滑移有直接的关系。在刹车期间，汽车滑移速度稍慢于前进时的行驶速度。

滑移率Slip=100*(V-R*w)/V；

其中V是轮胎的前进速度，R为车轮滚动半径，w是轮胎角速度。当V=R*w时，滑移率为0；当刹车时，轮胎的角速度减慢的速率快于车的前进速率，此时滑移率为正值；当w为0时，滑移率为100。

在胎面与路面接触处车受的纵向力依赖于车的滑移，图2.3表明了在干湿路面上汽车滑移时的x、z向力之比。垂直轴上的摩擦系数值值通常当作是动态的。

A.3 纵向力与滑移率

图A.3提供一个例子用来说明车行驶靠与路面摩擦的一个重要方面。首先，干湿路面上摩擦值出现峰值都在滑移率20%左右。对于大部分路面与胎面的接触处来说，这个峰值都出现在5%-30%之间。其次，在滑移率为100%时，摩擦系数减小，那就是滑移摩擦值，并且这个摩擦系数的减小是正常的。这也是防锁刹车系统的宗旨。最后，无论滑移率是多大在湿路面上的摩擦系数值总小于干路

面上的值。出于这个原因，湿路面上的摩擦被认为是路面安全最重要的因素。实际上干路面上的摩擦很少考虑，并制定出在滑移率为100%时湿路面上有摩擦时的摩擦阻力。

注意在图A.3中是车没有转弯时的摩擦系数。当轮胎给车提供一个侧向力时，则它能提供的最大纵向力会减小。当轮胎以最大侧向力行驶时几乎不能提供纵向力。在滑移率很小时，大部分纵向力都是通过与路面接触时的粘附力传给轮胎。

而粘附力都是通过路表的微观构造提供的。在滑移率很大时，路表的起伏结构也很重要，因为在通过起伏结构时轮胎的胎面会变形。

目前普遍使用的在原地就可测量摩擦阻力的装置有4种：(1) locked wheel, (2) fixed slip, (3) variable slip, and (4) side force.据报道，大多数美国的公路研究单位都使用美国试验材料协会的一种装置来测量摩擦力。

滑移摩擦力装置是载运在拖车上，可测量出湿路面上滑移率为100%时的摩擦力，拖车还提供一个小小的水幕，当车滑移时在短暂的时间段内可测量出纵向力。这种拖车普遍带有一到两个标准测试轮胎：一个带有棱纹，另一个是光滑的。这两种轮胎将路面的摩擦阻力分为不同等级。这是因为带有棱纹的轮胎会产生很大的摩擦力，而光滑的那个轮胎则不会。这使得带有棱纹的轮胎对路面的宏观构造不太适应，这就需要提供排水系统。即使带有棱纹的轮胎在含有微观构造的路面上很适应，但是在没有排水系统的路面上测量的摩擦力值有点偏高。因此用带有棱纹的轮胎来研究路面的工作情况，就相当于把一个带有好排水系统的路面放在了不利的条件下使用。

用位置固定的摩擦测试装置让之以一定的滑移率运行，以测定摩擦力的峰值。这个值通常在10%-20%之间。在滑移率为100%时，固定的滑移装置被载运在拖车上，这个拖车提供了一个水幕并可测量纵向力。变滑移率的装置类似于定滑移率的装置，就是滑移率一直在变化。在美国有许多定滑移率的测试装置可以以变滑移率的模式工作，但经常还是以定滑移率的模式遵守美国试验材料协会的工作规则。

侧向摩擦力的测量在美国不是很普遍，并且测量侧向反力是在车以一定的偏角行驶的短暂时间段内才测量。由于不同的路表结构原因，通常是在低滑移率的时候测量侧向力。

在美国，上述所描述的摩擦阻力测量在路面工作的研究中已变成很普遍的方面。但是高滑移率的摩擦力测量在微观构造的路面上很难，尤其是使用带有棱纹的车轮，易证与路面有足够大的粘附力，但是忽略了对于宏观构造的路面他必须有很好的排水系统。最近通过世界道路协会与国际室内建筑师设计师团体联盟共同所做的努力，已经寻求出解决这种问题的方法。

路面的微观构造可以通过使用载运在拖车上的摩擦力测量装置或是动态的摩擦测试装置来测试。动态摩擦测试装置是放在地面上的小型装置，用来观察路面减缓与某橡胶点湿触的旋转飞轮的能力。

路面的宏观构造直接通过测量来测试，通常使用CTM在路面上测量直径为10英尺的圆来实现。这种测量常常测量侧面的平均深度，通常也用其他的方法来测试。

在完成相当精细的测量和准备好详细的统计资料后，世界道路协会就可总结出路面摩擦数据。这项成果就是将不管何种测量路径所得的路面宏观构造和微观构造数据融合成国际标准。自从1992年的摩擦试验以来，关于摩擦试验全世界一直都在不停的努力之中。

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