胎路耦合接觸行為對瀝青路面抗滑性能衰變的影響研究

余 苗,張正基,羅延生,趙曉寧,劉世康

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,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518112)

0 引 言

隨著交通量的增加,路面抗滑性能衰變對瀝青路面行車安全的影響日漸突出[1-4]。新建道路在開放交通前期的抗滑性能迅速下降,導(dǎo)致瀝青路面的應(yīng)用受限[5-6]。對此,道路工程領(lǐng)域?qū)W者從輪胎路面接觸的角度對影響瀝青路面抗滑性能耐久性的因素進(jìn)行了大量研究。針對胎路接觸行為,張淑文等[7]在不同的輪載下對GAC-13C和AC-13C級配的瀝青路面及水泥路面進(jìn)行了靜壓試驗,并用接觸面積和應(yīng)力集中分布程度來描述胎路接觸行為,得到隨著路面粗糙程度的增加,其相同荷載下應(yīng)力分布程度逐漸集中的結(jié)論;張安強(qiáng)等[8]總結(jié)了胎路動態(tài)靜態(tài)接觸的測試方法及各自使用的優(yōu)缺點(diǎn),驗證壓力膠片紙技術(shù)在胎路接觸領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性;梁晨等[9]從幾何和力學(xué)兩個方面選用評價指標(biāo)對輪胎地面接觸壓力分布區(qū)域進(jìn)行了描述;羅淑青等[10]采用壓力膠片技術(shù)獲取不同形式路面的輪胎接觸印痕,通過有效接觸面積與應(yīng)力極值指標(biāo)量化表征胎/路嚙合效應(yīng),并證明了應(yīng)力極值指標(biāo)與摩擦系數(shù)的良好相關(guān)性;針對路表面層特性,馬林等[11]采用壓力膠片紙技術(shù)采集紋理化水泥路面、瀝青路面、水泥刻槽路面及光滑水泥路面的胎路有效接觸率和應(yīng)力集中度,并得到隨著胎路有效接觸率減小,路表粗糙程度增加,應(yīng)力分布愈發(fā)集中,路表抗滑性能更高的結(jié)論;聶文等[12]研究胎路接觸應(yīng)力分布狀態(tài),并使用三參數(shù)Weibull模型評價路面胎路接觸應(yīng)力離散程度;針對混合料和集料耐磨耗性能,王端宜等[13]通過對瀝青混合料進(jìn)行不同時間長短的搓揉試驗驗證了壓力膠片紙技術(shù)在研究胎路真實(shí)接觸狀態(tài)的可靠性,并提出了應(yīng)力集中分布率和抗滑性能衰減率作為指標(biāo)來表征瀝青混合料的抗滑耐久性能;李智等[14]采用不同直徑的鋼珠簡化不同磨耗程度的路面骨料,分析不同粒徑骨料的咬合效果,得到了隨著瀝青混合料骨料主顆粒的增大,輪胎與路面的嚙合范圍增大,但其咬合深度占骨料粒徑的比例減小的結(jié)論。

以上研究從胎路接觸的角度對輪胎路面的靜態(tài)接觸和制動過程摩擦行為進(jìn)行了大量現(xiàn)場試驗和仿真模擬,探討了胎路靜態(tài)接觸面積與瀝青路面抗滑性能之間的相關(guān)性,提出了眾多從胎路接觸角度影響瀝青混合料抗滑耐久性能的因素以及研究方法。然而,此類研究多著眼于汽車制動狀態(tài)下的胎路摩擦,對汽車行駛狀態(tài)下胎路耦合接觸行為探究有限[15],實(shí)際上,無論汽車處在正常行駛還是輪胎未完全抱死的制動狀態(tài),胎路之間的滾動摩擦力在總的摩擦力中都有不小的占比,尤其在汽車正常行駛過程中,滾動摩擦力占主導(dǎo)地位?；诖?筆者選用不同級配類型的瀝青混合料為研究對象,采用FPD-8010壓力膠片測試系統(tǒng),首先從輪胎與路面接觸的角度分析輪胎與路面的宏觀接觸,再基于課題組自制的動態(tài)摩擦測試系統(tǒng),對不同級配、粗集料類型的瀝青混合料試件進(jìn)行加速加載磨耗試驗,開展瀝青混合料的抗滑性能及其耐久性能衰變研究,并結(jié)合輪胎與路面的宏觀接觸分析結(jié)果,探究胎路靜態(tài)接觸與瀝青路面抗滑耐久性能之間的關(guān)系。

1 試驗方案

1.1 胎路接觸特性測試

壓力膠片系統(tǒng)由Prescale壓力膠片和FPD-8010軟件組成。該膠片紙分別涂有兩種微囊劑,一種為發(fā)色物質(zhì),一種為顯色物質(zhì)。根據(jù)兩種膠片紙所受壓力不同,不同劑量的化學(xué)物質(zhì)參與顯色反應(yīng),從而導(dǎo)致顏色的深度有顯著差異。對受壓后膠片紙進(jìn)行掃描,并在FPD-8010系統(tǒng)對掃描結(jié)果進(jìn)行處理,讀取壓強(qiáng)面積數(shù)據(jù)。具體操作流程為:

1)模擬輪胎與路面的接觸,在接觸面間放置壓力膠片紙進(jìn)行靜壓試驗。

2)通過壓力膠片標(biāo)定紙,對FPD-8010系統(tǒng)中壓力膠片的色彩與所受壓力的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。

3)通過掃描儀對1)中受壓的膠片進(jìn)行掃描識別,獲得對不同壓力信息進(jìn)行變色區(qū)分的接觸區(qū)域圖像,并可直接輸出區(qū)域內(nèi)任意幾何形狀的和不同壓強(qiáng)范圍的受壓面積數(shù)據(jù),其檢測精度較高達(dá)0.016 mm2,壓力測試誤差較小為±10%。

1.2 瀝青路面抗滑性能測試

選用瀝青路面常用的AC-13、SMA-13、OGFC-13面層級配類型,以石灰?guī)r、玄武巖和花崗巖為粗集料,成型9種尺寸為300 mm×300 mm×30 mm的車轍板,其級配表,如表1。為排除輪胎胎壓及花紋的影響,選用八寸實(shí)心光面輪胎,再由靜壓試驗所得的胎路平均接觸壓強(qiáng)結(jié)果(表2)確定輪胎上部荷載為25 kg,重載交通荷載為50 kg。為研究瀝青混合料設(shè)計年限內(nèi)抗滑性能的衰變,參考我國JTG GD50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中對交通荷載等級的劃分,對設(shè)計年限內(nèi)不同交通荷載等級對應(yīng)的室內(nèi)試驗作用次數(shù)按式(1)和式(2)進(jìn)行換算,其換算結(jié)果見表3?；趽Q算結(jié)果,選取重載交通出現(xiàn)時間、重載交通持續(xù)時間為道路耐久性影響因素,設(shè)計正交試驗因素水平表見表3,基于課題組自主研發(fā)的動態(tài)摩擦測試系統(tǒng)(TDFA,構(gòu)造說明見文獻(xiàn) [16])對瀝青混合料進(jìn)行加速加載磨耗試驗,并實(shí)時測算摩擦系數(shù)。為模擬汽車行駛狀態(tài),設(shè)置磨耗時速為25 km/h,剎車力為0。此外,為研究胎路耦合接觸行為,在每塊車轍板上選定區(qū)域,并取上部荷載為25 kg,使用壓力膠片紙分別對磨耗前后車轍板上同一區(qū)域進(jìn)行靜壓試驗。

(1)

式中:A為二軸六輪及以上車輛雙向年平均日交通量,(輛/天);D為方向系數(shù);L為車道系數(shù);m為車輛類型編號;Vm為m類車輛類型分布系數(shù);Em為m類車輛的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù);N1為初始設(shè)計年限內(nèi)平均日當(dāng)量軸載次數(shù),次/天。

(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,年;γ為設(shè)計使用年限內(nèi)交通量的年平均增長率。

表2 不同荷載下8寸實(shí)心輪胎靜壓試驗結(jié)果Table 2 Static pressure test results of 8-inch solid tire under different loads

表3 正交試驗因素水平Table 3 Orthogonal test factor level

2 結(jié)果與討論

2.1 新建瀝青路面胎路耦合接觸行為與抗滑性能的關(guān)系

由圖1新建瀝青路面胎路接觸壓力分布可知:

1)從總的接觸面積的大小來看,無論粗集料為何種類型,AC路面的接觸面積最大,OGFC路面最小,3種級配類型試件的面積大小為:SAC>SSMA>SOGFC。

2)從接觸面積壓強(qiáng)分布來看,無論粗集料為何種類型,OGFC路面的高壓強(qiáng)區(qū)域都遠(yuǎn)大于AC和SMA。SAC雖然較其他兩種路面更大,但多為中低壓強(qiáng)接觸區(qū)域;3種路面壓強(qiáng)分布區(qū)域有所差異。SMA路面在各壓強(qiáng)分布較為均勻,OGFC路面則在高壓區(qū)占比較大,AC路面多集中分布于中低壓區(qū)。此外,OGFC試件接觸面積的壓強(qiáng)分配呈現(xiàn)兩極化,即SOGFC多由大于2.5 MPa的高壓區(qū)域和低于0.5 MPa的低壓區(qū)域組成。

3)從胎路接觸分布形狀來看,胎路接觸界面與瀝青混合料的級配類型密切相關(guān),AC試件的接觸界面輪廓明顯,接觸區(qū)域和應(yīng)力分布均勻。造成此種現(xiàn)象的原因是AC型級配為密實(shí)型級配,表面紋理較為平整,而SMA和OGFC路面表面紋理較為粗糙,接觸分布較為離散,高壓區(qū)域集中,這也使得在胎路接觸時,SMA和OGFC路面輪胎局部形變更大,大部分的能量橡膠變形和回復(fù)過程中耗散,從而在宏觀上表現(xiàn)為更強(qiáng)的抗滑能力和更大的摩擦系數(shù)。此外由于所采用的壓力膠片紙量程為0.5～2.5 MPa,低于0.5 MPa的接觸面積并未在掃描結(jié)果中顯示,因此掃描圖像呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布。

在汽車行駛狀態(tài)下,瀝青路面抗滑性能主要體現(xiàn)為其對輪胎的滾動摩擦力。滾動摩擦力與表征道路耦合接觸行為的接觸面積之間存在一定關(guān)系,接觸面積S可以由FPD-8010測試系統(tǒng)測試靜壓試驗結(jié)果獲得,而滾動摩擦力也可以由TDFA測得的摩擦力系數(shù)直觀表示。根據(jù)FPD-8010和TDFA對9種未磨耗試件的測試結(jié)果見表4可知:

1)從級配類型來看,無論何種粗集料類型,AC型級配瀝青混合料的胎路接觸面積相對較大,摩擦系數(shù)相對較小;OGFC型級配瀝青混合料接觸面積小,但摩擦系數(shù)較大;SMA型級配瀝青混合料接觸面積較小,摩擦系數(shù)也偏小。

2)從集料類型來看,3種粗集料類型中,花崗巖為粗集料的瀝青混合料的接觸面積普遍大于其余兩種粗集料類型的瀝青混合料。此外,同一級配不同粗集料的瀝青混合料所測得的摩擦系數(shù)波動不大,由此可知,粗集料類型對瀝青混合料試件接觸面積和滾動摩擦力系數(shù)的影響相對較小。

表4 新建瀝青路面胎路實(shí)際接觸面積及摩擦系數(shù)Table 4 Contact area and friction coefficient of newly constructed asphalt pavement

2.2 基于道路抗滑耐久性影響因素的瀝青路面胎路耦合接觸行為分析

首先根據(jù)正交試驗方差分析結(jié)果,分析正交試驗各因素水平對胎路接觸面積的影響。由表5～表7可得,各因素對9種瀝青混合料試件與輪胎的接觸面積的影響各不相同:

“快說，你能提供給我什么？雖然你留給我的第一印象不怎么樣，沒想到你對我們的工作還是有些見地的。你說吧，可有一點(diǎn)，不準(zhǔn)忽悠我?！?/p>

表5 輪胎-OGFC路面接觸面積方差分析結(jié)果Table 5 Variance analysis results of tire-OGFC pavement contact area

表6 輪胎-SMA路面接觸面積方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis results of tire-SMA pavement contact area

表7 輪胎-AC路面接觸面積方差分析結(jié)果Table 7 Variance analysis results of tire-AC pavement contact area

1)針對OGFC型級配試件,粗集料為石灰?guī)r的試件有91%的概率拒絕原假設(shè),認(rèn)為交通荷載等級對胎路接觸面積有顯著的影響,而該級配組成下其他兩種粗集料類型的顯著性較低,在統(tǒng)計學(xué)意義上認(rèn)為3種影響因素(交通荷載等級、重載出現(xiàn)時間、重載持續(xù)時間)對胎路接觸面積的影響較小。

2)針對SMA型級配試件,各因素對胎路接觸面積的影響均不顯著,重載持續(xù)時間對粗集料為花崗巖的SMA型試件接觸面積的影響最大。方差分析結(jié)果顯示其有86%的概括拒絕原假設(shè),認(rèn)為重載持續(xù)時間對接觸面積有顯著性影響。

3)針對AC型級配試件,方差分析結(jié)果顯示三種因素對接觸面積有顯著的影響。針對粗集料為石灰?guī)r的試件,有98%的概率拒絕原假設(shè),認(rèn)為重載出現(xiàn)時間對接觸面積有顯著影響,有90%的概率拒絕原假設(shè),認(rèn)為交通荷載等級對接觸面積有顯著影響;粗集料為玄武巖的試件,有98%的概率拒絕原假設(shè),認(rèn)為重載持續(xù)時間對接觸面積有顯著影響。

綜上可知,當(dāng)取置信區(qū)間為90%時,交通荷載等級對OGFC石灰?guī)r、AC石灰?guī)r路面胎路接觸面積,重載出現(xiàn)時間對AC石灰?guī)r試件胎路接觸面積,重載持續(xù)時間對AC玄武巖試件胎路接觸面積的影響在統(tǒng)計學(xué)意義上顯著。由此可知,道路耐久性影響因素對胎路接觸面積的變化并無明顯影響,但表面平整的AC型試件的胎路接觸面積受三因素的影響明顯大于表面紋理豐富的OGFC和SMA型試件。

2.3 基于道路抗滑耐久性影響因素的瀝青路面抗滑性能分析

由表8～表10可得:取置信區(qū)間為90%,在9組正交試驗中,總交通量的P值均小于0.1,表明其對摩擦系數(shù)的影響在統(tǒng)計學(xué)意義上顯著;重載持續(xù)時間對AC石灰?guī)r不顯著的原因是由于AC石灰?guī)r為懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)細(xì)集料較多,且石灰?guī)r耐磨性較差,導(dǎo)致在試驗過程中路面磨損嚴(yán)重,從而無法分析出重載交通出現(xiàn)時間對摩擦系數(shù)的影響。

結(jié)合前文2.2節(jié)中各因素對胎路接觸面積的影響分析可知,交通荷載等級、重交通出現(xiàn)時間和重交通持續(xù)時間對瀝青路面的接觸面積影響并不顯著,但與摩擦系數(shù)變化顯著相關(guān)。由此可知,在路面抗滑性能的衰變過程中,胎路接觸面積的變化對摩擦力的影響貢獻(xiàn)較小,不是主要影響因素。

表8 OGFC路面接抗滑性能方差分析結(jié)果Table 8 Variance analysis results of OGFC pavement anti-slip performance

表9 輪胎-SMA路面抗滑性能方差分析結(jié)果Table 9 Variance analysis results of tire-SMA pavement anti-slip performance

表10 輪胎-AC路面抗滑性能方差分析結(jié)果Table 10 Variance analysis results of tire-AC pavement anti-slip performance

2.4 胎路耦合接觸行為對瀝青路面抗滑性能衰變的影響

為研究瀝青路面在其設(shè)計使用年限內(nèi)的抗滑性能衰變,對9種瀝青混合料試件進(jìn)行加速加載磨耗試驗。在荷載25 kg,速度25 km/h的標(biāo)準(zhǔn)試驗狀態(tài)下,考慮瀝青混合料早期抗滑性能波動較為明顯,分別測試4 000、8 000、12 000、16 000、20 000、40 000、80 000、200 000、220 000次磨耗后的接觸面積以及滾動摩擦系數(shù),并繪制接觸面積和摩擦系數(shù)的雙y軸圖(圖2～圖10)。由圖可知:9種瀝青混合料的胎路接觸面積的衰變規(guī)律不明顯,而抗滑性能均呈現(xiàn)磨耗初期快速增加,中期快速衰減,后期緩慢衰減的趨勢。此外,無論從級配類型、粗集料種類亦或混合料磨耗時期的角度分析,接觸面積與摩擦系數(shù)之間都未呈現(xiàn)明顯相關(guān)性關(guān)系。

圖2 花崗巖AC瀝青路面接觸面積與摩擦系數(shù)關(guān)系Fig. 2 Relation between contact area and friction coefficient of granite AC asphalt pavement

圖3 石灰?guī)rAC瀝青路面接觸面積與摩擦系數(shù)關(guān)系Fig. 3 Relation between contact area and friction coefficient of limestone AC asphalt pavement

參照汽車制動狀態(tài)下不同級配類型試件的摩擦系數(shù)與接觸面積的關(guān)系,并基于磨耗次數(shù)對汽車行駛狀態(tài)下3種級配類型路面的摩擦系數(shù)與接觸面積之間進(jìn)行分析,結(jié)果見表11。由表11可知,汽車行駛狀態(tài)下的摩擦力與接觸面積之間的關(guān)系較低,其與胎路接觸面積之間的關(guān)系有別于汽車行駛狀態(tài)下的摩擦力。由此可知,汽車行駛狀態(tài)下的摩擦力研究有別于汽車制動狀態(tài)下的研究,胎路接觸面積作為摩擦力影響因素的優(yōu)先級較低。

圖4 玄武巖AC瀝青路面接觸面積與摩擦系數(shù)關(guān)系Fig. 4 Relation between contact area and friction coefficient of basalt AC asphalt pavement

圖5 花崗巖SMA瀝青路面接觸面積與摩擦系數(shù)關(guān)系Fig. 5 Relation between contact area and friction coefficient of granite SMA asphalt pavement

圖6 石灰?guī)rSMA瀝青路面接觸面積與摩擦系數(shù)關(guān)系Fig. 6 Relation between contact area and friction coefficient of limestone SMA asphalt pavement

圖7 玄武巖SMA瀝青路面接觸面積與摩擦系數(shù)關(guān)系Fig. 7 Relation between contact area and friction coefficient of basalt SMA asphalt pavement

圖8 花崗巖OGFC瀝青路面接觸面積與摩擦系數(shù)關(guān)系Fig. 8 Relation between contact area and friction coefficient of granite OGFC asphalt pavement

圖9 石灰?guī)rOGFC瀝青路面接觸面積與摩擦系數(shù)關(guān)系Fig. 9 Relation between contact area and friction coefficient of limestone OGFC asphalt pavement

圖10 玄武巖OGFC瀝青路面接觸面積與摩擦系數(shù)關(guān)系Fig. 10 Relation between contact area and friction coefficient of basalt OGFC asphalt pavement

表11 3種級配試件的滾動摩擦系數(shù)與接觸面積的相關(guān)性Table 11 Correlation between rolling friction coefficient and contact area of three kinds of graded specimens

3 結(jié) 論

對瀝青路面3種常用的面層級配類型AC-13、SMA-13、OGFC-13和3種粗集料類型石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖共計9種試件進(jìn)行磨耗試驗;并考慮道路服務(wù)年限內(nèi)抗滑耐久性影響因素及水平,設(shè)計正交試驗;利用FPD-8010壓力膠片紙系統(tǒng)和胎路動態(tài)摩擦測試系統(tǒng)TDFA得到了取置信區(qū)間為90%時輪胎在滾動狀態(tài)下的瀝青路面胎路接觸面積以及抗滑性能的衰變規(guī)律:

1)新成型瀝青混合料路面中,AC路面較OGFC和SMA路面更為平整,三者的胎路接觸面積大小排序為SAC>SSMA>SOGFC。此外,由于SMA和OGFC路面較AC路面更為粗糙,在胎路接觸時輪胎局部形變較大,使得大部分能量在輪胎變形和恢復(fù)的過程中耗散,從而在宏觀上表現(xiàn)為更強(qiáng)的抗滑性能。

2)交通荷載等級、重交通出現(xiàn)時間和重交通持續(xù)時間對9種試件的抗滑性能影響大致相同。交通荷載等級和重載持續(xù)時間對9種試件抗滑性能的影響均在統(tǒng)計學(xué)意義上顯著,重載出現(xiàn)時間對瀝青路面抗滑性能的影響在統(tǒng)計學(xué)意義上顯著,而在AC石灰?guī)r瀝青路面上,其對抗滑性能的影響并不顯著,這是由于AC石灰?guī)r為懸浮密實(shí)型路面細(xì)集料較多,且石灰?guī)r耐磨性較差,導(dǎo)致在試驗過程中路面磨損嚴(yán)重,因而不能實(shí)際分析出重載交通出現(xiàn)區(qū)間因素對摩擦系數(shù)的影響。

3)基于以上對比分析可知,輪胎在滾動與滑動工況下,其胎路接觸面積及摩擦系數(shù)的衰變規(guī)律并不一致。換言之,汽車行駛狀態(tài)下,無論在摩擦系數(shù)快速增加的磨耗初期、摩擦系數(shù)快速衰減的磨耗中期還是摩擦系數(shù)緩慢衰減的磨耗末期,胎路接觸面積與摩擦系數(shù)之間均未呈現(xiàn)明顯相關(guān)性關(guān)系。因此,與制動狀態(tài)下的胎路耦合摩擦行為不同,在研究汽車行駛狀態(tài)下的瀝青路面抗滑衰變規(guī)律時,僅需考慮將路面摩擦系數(shù)作為評價抗滑性能的主要指標(biāo)。