基于室內(nèi)磨耗試驗(yàn)的瀝青表面紋理演化規(guī)律分析

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(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,重慶400074;2.深圳市交通工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司,廣東 深圳 518000;3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶400067)

0 引 言

道路抗滑性能會(huì)在行車荷載和環(huán)境等因素的長(zhǎng)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(chǎng)試驗(yàn),研究了累積交通量對(duì)瀝青路面抗滑性能和路表宏觀紋理演化的長(zhǎng)期影響,認(rèn)為累積交通量對(duì)二者的作用存在明顯差異;張維仁等[4]采用磨光試驗(yàn),研究了不同集料的磨光值對(duì)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(duì)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(jí)對(duì)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(duì)累積交通量與路表紋理演化間作用機(jī)理的深入分析。因此,有必要進(jìn)一步探究交通等級(jí)及累積交通量對(duì)路表紋理演化規(guī)律。

為深入研究累積交通量對(duì)瀝青路表紋理演化規(guī)律,采用輪胎-路面動(dòng)態(tài)摩擦測(cè)試系統(tǒng),模擬不同交通等級(jí)及交通量對(duì)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(duì)路表紋理演化規(guī)律的研究。

1 試驗(yàn)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(yàn)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(jí)配中值,分別制備AC-13、SMA-13和OGFC-13的九個(gè)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(cè)結(jié)果

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)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(duì)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(shì)。激光輪廓掃描儀可實(shí)時(shí)獲取路表輪廓信息,計(jì)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(yàn)方案

1)TDFA磨耗方案

參考JTG GD50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》,以設(shè)計(jì)年限中大貨車和客車?yán)塾?jì)交通量為依據(jù),將交通等級(jí)分為輕、中、重、特重和極重交通5個(gè)交通等級(jí),如表2。

表2 設(shè)計(jì)交通荷載等級(jí)

初始設(shè)計(jì)年限內(nèi)平均日當(dāng)量軸載次數(shù),如式(1),各等級(jí)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(jì)軸載換算系數(shù)。

(2)

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

最后得到各個(gè)交通等級(jí)對(duì)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)?？紤]到試驗(yàn)周期,最后選取的磨耗試驗(yàn)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(duì)3種不同級(jí)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(jì)算,表征路面構(gòu)造特性。

① 測(cè)量區(qū)域

宏觀紋理表征參數(shù)測(cè)量區(qū)域: TDFA的車輪在車轍板試件(300 mm×300 mm)上磨耗時(shí),車輪會(huì)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(cè)量區(qū)域示意

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

② 測(cè)量精度及測(cè)量方法

宏觀紋理測(cè)量:為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,綜合考慮測(cè)量工作量,測(cè)量點(diǎn)間距為0.2 mm,即每個(gè)區(qū)域存在500×200共十萬個(gè)點(diǎn),按照輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)方向可以將其劃分為200條輪廓線以確保計(jì)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(cè)量路徑

微觀紋理測(cè)量:為了保證測(cè)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(cè)量每個(gè)點(diǎn)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(gè)微觀紋理測(cè)量區(qū)域?yàn)? 000×10共1 0000個(gè)數(shù)據(jù),隨機(jī)選擇3個(gè)測(cè)量點(diǎn),每個(gè)瀝青路面微觀紋理數(shù)據(jù)共33 000個(gè)。

為節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間,每次磨耗試驗(yàn)時(shí),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(bǔ)充一次金剛砂。

2 試驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)參數(shù),對(duì)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(jì)算公式如式(3)～式(10):

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,試驗(yàn)樣本隨機(jī)選取為SMA花崗巖瀝青路面,分別計(jì)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(qiáng)的參數(shù)則剔除,保留相關(guān)性較弱的參數(shù),并繼續(xù)對(duì)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(zhǎng)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(gè)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(duì)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(jì)算如式(11)～式(13):

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

(11)

(12)

(13)

試驗(yàn)樣本選取SMA花崗巖瀝青路面,分別計(jì)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(yàn)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(duì)路表紋理的影響

針對(duì)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(píng)價(jià)路面宏微觀粗糙特性,分析研究各個(gè)紋理參數(shù)指標(biāo)隨著交通磨耗的變化情況。

試驗(yàn)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(shí)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(shì)

1)在磨耗過程中,紋理指標(biāo)RMPD、Rsk、Rku、RSBI都出現(xiàn)了波動(dòng)性。造成該現(xiàn)象可能是因?yàn)檐囖H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(dòng)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(zhǎng)期的磨耗過程中重新生成新的表面造成紋理的波動(dòng)。以RMPD為例,磨耗次數(shù)為0～20 000次時(shí),粗集料表面瀝青膜逐漸被打磨,RMPD在整體上有著增大趨勢(shì)。隨著磨耗次數(shù)的增加,輪胎對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)。

在磨耗早期(0～40 000次),路面RMPD值波動(dòng)劇烈;在磨耗中后期(40 000～20 000次),路面RMPD值波動(dòng)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(shì)的發(fā)展情況同瀝青混合料試件實(shí)際的變化情況相一致。

對(duì)于不同的級(jí)配類型,OGFC級(jí)配的RMPD值整體大于SMA與AC級(jí)配,AC級(jí)配路面最小。說明在路面粗糙度方面,OGFC>SMA>AC,與實(shí)際情況相符合,驗(yàn)證試驗(yàn)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(dòng)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(shí)磨耗過程主要表現(xiàn)為輪胎和骨料的相互磨損。對(duì)于9種瀝青混合料,在整個(gè)磨耗試驗(yàn)過程中,盡管Rsk及Rku起伏較大,但兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)波動(dòng)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(shí),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(shí),由于集料出現(xiàn)剝落,RSBI值再次波動(dòng)。

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

3 結(jié) 論

基于自主研發(fā)調(diào)試的輪胎-路面動(dòng)態(tài)摩擦測(cè)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(duì)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(cè)量?jī)x掃描得到的數(shù)據(jù)計(jì)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(qiáng)相關(guān)性的參數(shù),消除潛在的多重線性關(guān)系,對(duì)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(shì)。對(duì)于不同的級(jí)配類型,OGFC相較于SMA與AC級(jí)配而言,在試驗(yàn)的整個(gè)階段,RMPD整體大于SMA與AC級(jí)配,而AC級(jí)配最小。在路面粗糙度方面,OGFC>SMA>AC,這同樣與實(shí)際情況相符合,驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

3)立足于室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ),50 000次磨耗時(shí),混合料試件表面輪跡帶磨耗明顯,而在磨耗80 000次數(shù)時(shí),此時(shí)則磨耗并不明顯,說明對(duì)瀝青路面抗滑影響較小。在實(shí)際路面中,重載交通出現(xiàn)區(qū)間越早,對(duì)瀝青路面的磨損越嚴(yán)重;而中后期出現(xiàn)重載交通則對(duì)瀝青路面的抗滑性能影響相對(duì)較小。因此在道路的運(yùn)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(duì)路表紋理的影響具有波動(dòng)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(dòng)性,RSBI則存在著較強(qiáng)的規(guī)律性,整體變化趨勢(shì)為先增大后減小。在磨耗次數(shù)為0～20 000次時(shí),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(duì)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(dòng)的現(xiàn)象。