余 苗,曾俊森,羅延生,龍承梁,陳 庚

(1.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室,重慶400074;2.深圳市交通工程試驗檢測中心有限公司,廣東 深圳 518000;3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶400067)

0 引 言

道路抗滑性能會在行車荷載和環(huán)境等因素的長期耦合作用下發(fā)生衰變,抗滑性能不足是發(fā)生交通事故的重要因素。如何通過提高路面抗滑性能來減少交通事故,已成為現(xiàn)代道路發(fā)展中亟待解決的問題[1]。道路抗滑性能主要取決于路表紋理的豐富程度,而紋理參數(shù)演化主要受路面交通量影響[2]。

C. PLATI等[3]基于現(xiàn)場試驗,研究了累積交通量對瀝青路面抗滑性能和路表宏觀紋理演化的長期影響,認(rèn)為累積交通量對二者的作用存在明顯差異;張維仁等[4]采用磨光試驗,研究了不同集料的磨光值對瀝青路面抗滑性能的影響,發(fā)現(xiàn)玄武巖的耐磨性能相對較好;曹平等[5]基于橡膠摩擦理論,結(jié)合瀝青路面宏微觀紋理構(gòu)造凸體高度,研究了利用引入分形理論所量化的微觀紋理與瀝青抗滑性能的關(guān)系;王磊等[6]分析了不同交通量等級對瀝青路面抗滑性能的影響,提出了基于行車安全的交通量與抗滑值耦合效應(yīng)閾值。然而,現(xiàn)今研究缺乏對累積交通量與路表紋理演化間作用機理的深入分析。因此,有必要進(jìn)一步探究交通等級及累積交通量對路表紋理演化規(guī)律。

為深入研究累積交通量對瀝青路表紋理演化規(guī)律,采用輪胎-路面動態(tài)摩擦測試系統(tǒng),模擬不同交通等級及交通量對路面的作用情況,并通過激光輪廓掃描儀獲取不同磨耗狀態(tài)下的路面輪廓三維數(shù)據(jù);在分析合適的紋理參數(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上,進(jìn)行交通量對路表紋理演化規(guī)律的研究。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

選用花崗巖、石灰?guī)r和玄武巖為粗集料,石灰?guī)r為細(xì)集料,石灰?guī)r研磨的粉體作為試驗填料,加之SBS改性瀝青和0.3%的木質(zhì)素纖維,參照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》級配中值,分別制備AC-13、SMA-13和OGFC-13的九個配類型的制作車轍板試件。集料的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 粗集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.2 實驗設(shè)備及方法

1.2.1 實驗設(shè)備

試驗儀器主要包括課題組自主研發(fā)TDFA[7-8]和激光輪廓掃描儀。TDFA可用于模擬車輛輪胎對瀝青路面的磨耗作用,以研究交通量累積作用下的路面抗滑性能的衰變趨勢。激光輪廓掃描儀可實時獲取路表輪廓信息,計算出三維紋理參數(shù),以分析交通量累積作用下的路表紋理演化特性。

1.2.2 試驗方案

1)TDFA磨耗方案

參考JTG GD50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》,以設(shè)計年限中大貨車和客車?yán)塾嫿煌繛橐罁?jù),將交通等級分為輕、中、重、特重和極重交通5個交通等級,如表2。

表2 設(shè)計交通荷載等級

初始設(shè)計年限內(nèi)平均日當(dāng)量軸載次數(shù),如式(1),各等級累積交通量換算為累積當(dāng)量軸載作用次數(shù),如式(2):

(1)

式中:RAADTT為2軸6輪及以上車輛雙向年平均日交通量,輛/d;RDDT為方向系數(shù);RLDF為車道系數(shù),m為車輛類型;RVCDF,m為m類車輛類型分布系數(shù);REALF,m為m類車輛的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)。

(2)

式中:Ne為設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道上的當(dāng)量設(shè)計軸載作用次數(shù),次;t為設(shè)計使用年限,a;γ為設(shè)計使用年限內(nèi)交通量的年平均增長率;N1為初始設(shè)計年限內(nèi)平均日當(dāng)量軸載次數(shù),次/d。

最后得到各個交通等級對應(yīng)的磨耗次數(shù)分別20 000(輕)、40 000(中交通)、80 000(重交通)、200 000(特重交通)、 220 000次(極重交通)。考慮到試驗周期,最后選取的磨耗試驗次數(shù)為40 000次、80 000次、200 000次和220 000次。

2)激光輪廓掃描儀方案

利用激光輪廓掃描儀對3種不同級配AC-13、SMA-13和OGFC-13車轍板試件進(jìn)行掃描,獲取宏微觀紋理數(shù)據(jù),選擇相應(yīng)表征參數(shù)進(jìn)行計算,表征路面構(gòu)造特性。

① 測量區(qū)域

宏觀紋理表征參數(shù)測量區(qū)域: TDFA的車輪在車轍板試件(300 mm×300 mm)上磨耗時,車輪會在車轍板試件上留下圓形中心直徑195 mm左右的輪跡帶,在輪跡帶上選取100 mm×40 mm的矩形區(qū)域進(jìn)行掃描,如圖1。

圖1 瀝青路面測量區(qū)域示意

微觀紋理表征參數(shù)測量區(qū)域:在輪跡帶上隨機選取3個5 mm×5 mm的矩形點如圖1。

② 測量精度及測量方法

宏觀紋理測量:為保證試驗的準(zhǔn)確性,綜合考慮測量工作量,測量點間距為0.2 mm,即每個區(qū)域存在500×200共十萬個點,按照輪胎轉(zhuǎn)動方向可以將其劃分為200條輪廓線以確保計算出的宏觀紋理參數(shù)具有代表性,掃描路徑見圖2。

圖2 紋理測量路徑

微觀紋理測量:為了保證測量得到的數(shù)據(jù)能夠足夠地表達(dá)出瀝青路面微觀紋理,微觀紋理測量每個點間距為0.005 mm,每條輪廓線間距為0.5 mm,共10條輪廓線,一個微觀紋理測量區(qū)域為1 000×10共1 0000個數(shù)據(jù),隨機選擇3個測量點,每個瀝青路面微觀紋理數(shù)據(jù)共33 000個。

為節(jié)省試驗時間,每次磨耗試驗時,將等量的0～2 mm金剛砂均勻的攤鋪在輪跡帶上加速磨耗,考慮到金剛砂的損耗,每磨損20 000次補充一次金剛砂。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 路表宏觀紋理的研究

常用表征宏觀紋理的高度參數(shù)以及波長參數(shù)有:平均斷面深度RMPD、輪廓算數(shù)均方根偏差Rq、均方根斜率Dq、均方根波長Lq、峰度Rku、偏度Rsk、平均高差RMDE以及表面磨損指數(shù)RSBI[9-13]。擬基于高度參數(shù)以及波長參數(shù),對以上參數(shù)進(jìn)行比選,參數(shù)注釋如圖3[14]。

圖3 表面紋理參數(shù)示意

參數(shù)計算公式如式(3)～式(10):

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性,試驗樣本隨機選取為SMA花崗巖瀝青路面,分別計算了宏觀紋理參數(shù)指標(biāo)間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)如表3。

表3 宏觀指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

相關(guān)性較強的參數(shù)則剔除,保留相關(guān)性較弱的參數(shù),并繼續(xù)對其余參數(shù)進(jìn)行兩兩分析,并得到以下結(jié)論:

1)RMPD與Rq、Dq以及RMDE具有較高的相關(guān)性,相關(guān)性系數(shù)分別為0.763、0.829、0.817,為保證選取的宏觀參數(shù)具有各向異性,僅保留RMPD作為表達(dá)宏觀紋理;

2)均方根波長Lq與Rsk、Rku以及RSBI相關(guān)性系數(shù)均小于0.4,Lq與其余參數(shù)均無良好的相關(guān)性,可用于表達(dá)宏觀紋理;

3)Rsk、Rku以及RSBI三者之間相關(guān)性系數(shù)小于0.6,任意兩個參數(shù)之間都無良好的相關(guān)性,Rsk、Rku以及RSBI均可用于表達(dá)宏觀紋理。

最終宏觀紋理參數(shù)選取為:RMPD、Lq、Rsk、Rku以及RSBI。

2.2 路表微觀紋理的研究

對于微觀紋理參數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[11-13]可知:平均斷面深度RMPD、最大剖面深度RMPH、均方根RRMS、偏度Rsk、峰度Rku、表面磨損指數(shù)RSBI以及均方根高度Sq,能有效表征微觀形貌特征,計算如式(11)～式(13):

RMPH=max(hi)-min(hi),i=1

(11)

(12)

(13)

試驗樣本選取SMA花崗巖瀝青路面,分別計算宏觀紋理參數(shù)指標(biāo)間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)如表4。

表4 微觀指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

由表4可知:

1)RMPD與Sq相關(guān)性系數(shù)為0.770,與RRMS相關(guān)系數(shù)為0.771,均存在高相關(guān)性,且與其余參數(shù)皆無高相關(guān)性,因此,Sq與RRMS不被用于表達(dá)微觀紋理參數(shù);

2)RSBI與RRMS具有良好相關(guān)性,相關(guān)性系數(shù)為0.794,RSBI與其余參數(shù)皆無良好相關(guān)性,RSBI可用于表達(dá)微觀紋理參數(shù),RRMS同樣被驗證不適合作為微觀紋理表達(dá)參數(shù);

3)Rsk與Rku、RMPH都無良好的相關(guān)性。因此Rsk、Rku、RMPH均可用于表達(dá)微觀紋理參數(shù)。

因此參數(shù)RMPD、Rsk、Rku、RMPH、RSBI既可用于表達(dá)微觀紋理的不同方面,又可用于表達(dá)微觀紋理。

2.3 交通磨耗對路表紋理的影響

針對各紋理表征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,排除多重線性關(guān)系后,最終選取RMPD、Rsk、Rku、RSBI用于評價路面宏微觀粗糙特性,分析研究各個紋理參數(shù)指標(biāo)隨著交通磨耗的變化情況。

試驗樣本選擇9種類型的瀝青混合料類型,經(jīng)分析,RMPD、Rsk、Rku、RSBI參數(shù)指標(biāo)可以同時代表宏觀紋理與微觀紋理特性。因此選擇RMPD、Rsk、Rku、RSBI作為代表性路表紋理參數(shù)指標(biāo)。

由圖4(a)可知:

圖4 RMPD、Rsk、Rku及RSBI路表紋理趨勢

1)在磨耗過程中,紋理指標(biāo)RMPD、Rsk、Rku、RSBI都出現(xiàn)了波動性。造成該現(xiàn)象可能是因為車轍板試件上瀝青膜的影響,或者車轍板試件在累積交通量的磨耗中生成新的表面紋理。

磨耗前期,紋理波動性的原因是集料表面的瀝青膜被輪胎磨耗;磨耗后期是集料在長期的磨耗過程中重新生成新的表面造成紋理的波動。以RMPD為例,磨耗次數(shù)為0～20 000次時,粗集料表面瀝青膜逐漸被打磨,RMPD在整體上有著增大趨勢。隨著磨耗次數(shù)的增加,輪胎對粗集料的磨耗作用更加明顯。粗集料的表面紋理不斷處于磨耗與生成之間,粗集料被磨碎或者打磨從而生成新表面,造成RMPD、Rsk、Rku、RSBI指標(biāo)在前中期磨耗過程中呈現(xiàn)不斷波動的現(xiàn)象。

2)在磨耗全周期內(nèi),9種路面類型的RMPD值均呈現(xiàn)波動狀態(tài),而石灰?guī)r硬度小不耐磨,200 000次后生成新表面,因此可以發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r的RMPD后期持續(xù)波動。

在磨耗早期(0～40 000次),路面RMPD值波動劇烈;在磨耗中后期(40 000～20 000次),路面RMPD值波動程度明顯下降,說明隨著輪載持續(xù)作用,混合料試件形貌輪廓的復(fù)雜程度降低,逐漸變得均勻,這一整體趨勢的發(fā)展情況同瀝青混合料試件實際的變化情況相一致。

對于不同的級配類型,OGFC級配的RMPD值整體大于SMA與AC級配,AC級配路面最小。說明在路面粗糙度方面,OGFC>SMA>AC,與實際情況相符合,驗證試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

3)偏度Rsk與峰度Rku用于表示三維表面的紋理高度特性,Rsk<0表示表面形貌高度的分布在低于基準(zhǔn)面的一側(cè)有大尖峰,即Rsk越小,路面越粗糙;Rku>3表明形貌高度分布陡峭且集中在中心表面,稱為尖峰態(tài)曲面,即Rku越大,路表越粗糙。

圖4(b)和圖4(c)看出:Rsk及Rku值反復(fù)波動次數(shù)在磨耗早期(0～40 000次)遠(yuǎn)大于磨耗中后期(40 000～220 000次)。說明磨耗前期主要是以骨料表面磨損、磨光為主。進(jìn)入磨耗中期后,磨耗層表面松散的骨料已經(jīng)基本剝落,此時磨耗過程主要表現(xiàn)為輪胎和骨料的相互磨損。對于9種瀝青混合料,在整個磨耗試驗過程中,盡管Rsk及Rku起伏較大,但兩個指標(biāo)參數(shù)波動次數(shù)逐漸減小都表明路表紋理經(jīng)過磨耗之后,從開始的粗糙變?yōu)楣饣?/p>

RSBI為表面磨損指數(shù),該值的大小反應(yīng)路表磨損程度。從圖4(d)可以看到:大約經(jīng)過80 000次的磨損,RSBI的值開始趨于穩(wěn)定,當(dāng)磨耗次數(shù)從80 000次增加到200 000次時,RSBI值并無明顯的變化,說明在該磨耗階段路表磨損程度變化不明顯。磨耗次數(shù)超過200 000次時,由于集料出現(xiàn)剝落,RSBI值再次波動。

在不同路面類型中,可以發(fā)現(xiàn)AC級配RSBI值相對較高,OGFC和SMA級配則相對較低。這表明,相較于OGFC和SMA級配,AC級配更容易被損耗,OGFC和SMA級配則相對穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

基于自主研發(fā)調(diào)試的輪胎-路面動態(tài)摩擦測試系統(tǒng),模擬不同交通量,隨后通過激光輪廓掃描儀得到其紋理參數(shù),并選取合適紋理參數(shù)表征交通量對宏微觀紋理演化及抗滑的影響,得出結(jié)論:

1)利用激光輪廓測量儀掃描得到的數(shù)據(jù)計算出宏觀紋理參數(shù)為:RMPD、Rq、Dq、Lq、Rsk、Rku、RMPD、RSBI;微觀紋理參數(shù)為:RMPD、Rsk、Rku、RMPH、Sq、RSBI。為排除表現(xiàn)出強相關(guān)性的參數(shù),消除潛在的多重線性關(guān)系,對宏微觀紋理各表針參數(shù)之間進(jìn)行了相關(guān)性分析,最后得到用于表征宏觀紋理參數(shù)為:RMPD、Lq、Rsk、Rku、RSBI;微觀紋理參數(shù):RMPD、Rsk、Rku、RMPH、RSBI。

2)RMPD整體呈現(xiàn)減小的趨勢。對于不同的級配類型,OGFC相較于SMA與AC級配而言,在試驗的整個階段,RMPD整體大于SMA與AC級配,而AC級配最小。在路面粗糙度方面,OGFC>SMA>AC,這同樣與實際情況相符合,驗證了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

3)立足于室內(nèi)試驗基礎(chǔ),50 000次磨耗時,混合料試件表面輪跡帶磨耗明顯,而在磨耗80 000次數(shù)時,此時則磨耗并不明顯,說明對瀝青路面抗滑影響較小。在實際路面中,重載交通出現(xiàn)區(qū)間越早,對瀝青路面的磨損越嚴(yán)重;而中后期出現(xiàn)重載交通則對瀝青路面的抗滑性能影響相對較小。因此在道路的運管過程中,應(yīng)盡量控制路面在早期服役階段中的大量重載。

4)交通磨耗對路表紋理的影響具有波動性。累積交通磨耗作用下,路表紋理表征參數(shù)指標(biāo)RMPD、Rsk、Rku的衰變沒有明顯的規(guī)律性,而是存在著反復(fù)的波動性,RSBI則存在著較強的規(guī)律性,整體變化趨勢為先增大后減小。在磨耗次數(shù)為0～20 000次時,車轍板表面瀝青膜被磨耗,紋理指標(biāo)逐漸上升。在磨耗中后期,輪胎對粗集料的磨耗作用更加明顯。粗集料的表面紋理不斷處于磨耗與生成之間,粗集料被磨碎或者打磨從而生成新的表面,造成RMPD、Rsk、Rku、RSBI指標(biāo)在中后期磨耗過程中呈現(xiàn)不斷波動的現(xiàn)象。