基于室内磨耗试验的沥青表面纹理演化规律分析

余 苗,曾俊森,罗延生,龙承梁,陈 庚

(1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室,重庆400074;2.深圳市交通工程试验检测中心有限公司,广东 深圳 518000;3.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆400067)

0 引 言

道路抗滑性能会在行车荷载和环境等因素的长期耦合作用下发生衰变,抗滑性能不足是发生交通事故的重要因素。如何通过提高路面抗滑性能来减少交通事故,已成为现代道路发展中亟待解决的问题[1]。道路抗滑性能主要取决于路表纹理的丰富程度,而纹理参数演化主要受路面交通量影响[2]。

C. PLATI等[3]基于现场试验,研究了累积交通量对沥青路面抗滑性能和路表宏观纹理演化的长期影响,认为累积交通量对二者的作用存在明显差异;张维仁等[4]采用磨光试验,研究了不同集料的磨光值对沥青路面抗滑性能的影响,发现玄武岩的耐磨性能相对较好;曹平等[5]基于橡胶摩擦理论,结合沥青路面宏微观纹理构造凸体高度,研究了利用引入分形理论所量化的微观纹理与沥青抗滑性能的关系;王磊等[6]分析了不同交通量等级对沥青路面抗滑性能的影响,提出了基于行车安全的交通量与抗滑值耦合效应阈值。然而,现今研究缺乏对累积交通量与路表纹理演化间作用机理的深入分析。因此,有必要进一步探究交通等级及累积交通量对路表纹理演化规律。

为深入研究累积交通量对沥青路表纹理演化规律,采用轮胎-路面动态摩擦测试系统,模拟不同交通等级及交通量对路面的作用情况,并通过激光轮廓扫描仪获取不同磨耗状态下的路面轮廓三维数据;在分析合适的纹理参数指标基础上,进行交通量对路表纹理演化规律的研究。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

选用花岗岩、石灰岩和玄武岩为粗集料,石灰岩为细集料,石灰岩研磨的粉体作为试验填料,加之SBS改性沥青和0.3%的木质素纤维,参照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》级配中值,分别制备AC-13、SMA-13和OGFC-13的九个配类型的制作车辙板试件。集料的技术指标见表1。

表1 粗集料技术指标检测结果

1.2 实验设备及方法

1.2.1 实验设备

试验仪器主要包括课题组自主研发TDFA[7-8]和激光轮廓扫描仪。TDFA可用于模拟车辆轮胎对沥青路面的磨耗作用,以研究交通量累积作用下的路面抗滑性能的衰变趋势。激光轮廓扫描仪可实时获取路表轮廓信息,计算出三维纹理参数,以分析交通量累积作用下的路表纹理演化特性。

1.2.2 试验方案

1)TDFA磨耗方案

参考JTG GD50—2017《公路沥青路面设计规范》,以设计年限中大货车和客车累计交通量为依据,将交通等级分为轻、中、重、特重和极重交通5个交通等级,如表2。

表2 设计交通荷载等级

初始设计年限内平均日当量轴载次数,如式(1),各等级累积交通量换算为累积当量轴载作用次数,如式(2):

(1)

式中:RAADTT为2轴6轮及以上车辆双向年平均日交通量,辆/d;RDDT为方向系数;RLDF为车道系数,m为车辆类型;RVCDF,m为m类车辆类型分布系数;REALF,m为m类车辆的当量设计轴载换算系数。

(2)

式中:Ne为设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载作用次数,次;t为设计使用年限,a;γ为设计使用年限内交通量的年平均增长率;N1为初始设计年限内平均日当量轴载次数,次/d。

最后得到各个交通等级对应的磨耗次数分别20 000(轻)、40 000(中交通)、80 000(重交通)、200 000(特重交通)、 220 000次(极重交通)。考虑到试验周期,最后选取的磨耗试验次数为40 000次、80 000次、200 000次和220 000次。

2)激光轮廓扫描仪方案

利用激光轮廓扫描仪对3种不同级配AC-13、SMA-13和OGFC-13车辙板试件进行扫描,获取宏微观纹理数据,选择相应表征参数进行计算,表征路面构造特性。

① 测量区域

宏观纹理表征参数测量区域: TDFA的车轮在车辙板试件(300 mm×300 mm)上磨耗时,车轮会在车辙板试件上留下圆形中心直径195 mm左右的轮迹带,在轮迹带上选取100 mm×40 mm的矩形区域进行扫描,如图1。

图1 沥青路面测量区域示意

微观纹理表征参数测量区域:在轮迹带上随机选取3个5 mm×5 mm的矩形点如图1。

② 测量精度及测量方法

宏观纹理测量:为保证试验的准确性,综合考虑测量工作量,测量点间距为0.2 mm,即每个区域存在500×200共十万个点,按照轮胎转动方向可以将其划分为200条轮廓线以确保计算出的宏观纹理参数具有代表性,扫描路径见图2。

图2 纹理测量路径

微观纹理测量:为了保证测量得到的数据能够足够地表达出沥青路面微观纹理,微观纹理测量每个点间距为0.005 mm,每条轮廓线间距为0.5 mm,共10条轮廓线,一个微观纹理测量区域为1 000×10共1 0000个数据,随机选择3个测量点,每个沥青路面微观纹理数据共33 000个。

为节省试验时间,每次磨耗试验时,将等量的0～2 mm金刚砂均匀的摊铺在轮迹带上加速磨耗,考虑到金刚砂的损耗,每磨损20 000次补充一次金刚砂。

2 试验结果与分析

2.1 路表宏观纹理的研究

常用表征宏观纹理的高度参数以及波长参数有:平均断面深度RMPD、轮廓算数均方根偏差Rq、均方根斜率Dq、均方根波长Lq、峰度Rku、偏度Rsk、平均高差RMDE以及表面磨损指数RSBI[9-13]。拟基于高度参数以及波长参数,对以上参数进行比选,参数注释如图3[14]。

图3 表面纹理参数示意

参数计算公式如式(3)～式(10):

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

为保证试验数据的可靠性,试验样本随机选取为SMA花岗岩沥青路面,分别计算了宏观纹理参数指标间的皮尔逊相关系数如表3。

表3 宏观指标相关系数矩阵

相关性较强的参数则剔除,保留相关性较弱的参数,并继续对其余参数进行两两分析,并得到以下结论:

1)RMPD与Rq、Dq以及RMDE具有较高的相关性,相关性系数分别为0.763、0.829、0.817,为保证选取的宏观参数具有各向异性,仅保留RMPD作为表达宏观纹理;

2)均方根波长Lq与Rsk、Rku以及RSBI相关性系数均小于0.4,Lq与其余参数均无良好的相关性,可用于表达宏观纹理;

3)Rsk、Rku以及RSBI三者之间相关性系数小于0.6,任意两个参数之间都无良好的相关性,Rsk、Rku以及RSBI均可用于表达宏观纹理。

最终宏观纹理参数选取为:RMPD、Lq、Rsk、Rku以及RSBI。

2.2 路表微观纹理的研究

对于微观纹理参数,根据文献[11-13]可知:平均断面深度RMPD、最大剖面深度RMPH、均方根RRMS、偏度Rsk、峰度Rku、表面磨损指数RSBI以及均方根高度Sq,能有效表征微观形貌特征,计算如式(11)～式(13):

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

(11)

(12)

(13)

试验样本选取SMA花岗岩沥青路面,分别计算宏观纹理参数指标间的皮尔逊相关系数如表4。

表4 微观指标相关系数矩阵

由表4可知:

1)RMPD与Sq相关性系数为0.770,与RRMS相关系数为0.771,均存在高相关性,且与其余参数皆无高相关性,因此,Sq与RRMS不被用于表达微观纹理参数;

2)RSBI与RRMS具有良好相关性,相关性系数为0.794,RSBI与其余参数皆无良好相关性,RSBI可用于表达微观纹理参数,RRMS同样被验证不适合作为微观纹理表达参数;

3)Rsk与Rku、RMPH都无良好的相关性。因此Rsk、Rku、RMPH均可用于表达微观纹理参数。

因此参数RMPD、Rsk、Rku、RMPH、RSBI既可用于表达微观纹理的不同方面,又可用于表达微观纹理。

2.3 交通磨耗对路表纹理的影响

针对各纹理表征参数进行相关性分析,排除多重线性关系后,最终选取RMPD、Rsk、Rku、RSBI用于评价路面宏微观粗糙特性,分析研究各个纹理参数指标随着交通磨耗的变化情况。

试验样本选择9种类型的沥青混合料类型,经分析,RMPD、Rsk、Rku、RSBI参数指标可以同时代表宏观纹理与微观纹理特性。因此选择RMPD、Rsk、Rku、RSBI作为代表性路表纹理参数指标。

由图4(a)可知:

图4 RMPD、Rsk、Rku及RSBI路表纹理趋势

1)在磨耗过程中,纹理指标RMPD、Rsk、Rku、RSBI都出现了波动性。造成该现象可能是因为车辙板试件上沥青膜的影响,或者车辙板试件在累积交通量的磨耗中生成新的表面纹理。

磨耗前期,纹理波动性的原因是集料表面的沥青膜被轮胎磨耗;磨耗后期是集料在长期的磨耗过程中重新生成新的表面造成纹理的波动。以RMPD为例,磨耗次数为0～20 000次时,粗集料表面沥青膜逐渐被打磨,RMPD在整体上有着增大趋势。随着磨耗次数的增加,轮胎对粗集料的磨耗作用更加明显。粗集料的表面纹理不断处于磨耗与生成之间,粗集料被磨碎或者打磨从而生成新表面,造成RMPD、Rsk、Rku、RSBI指标在前中期磨耗过程中呈现不断波动的现象。

2)在磨耗全周期内,9种路面类型的RMPD值均呈现波动状态,而石灰岩硬度小不耐磨,200 000次后生成新表面,因此可以发现石灰岩的RMPD后期持续波动。

在磨耗早期(0～40 000次),路面RMPD值波动剧烈;在磨耗中后期(40 000～20 000次),路面RMPD值波动程度明显下降,说明随着轮载持续作用,混合料试件形貌轮廓的复杂程度降低,逐渐变得均匀,这一整体趋势的发展情况同沥青混合料试件实际的变化情况相一致。

对于不同的级配类型,OGFC级配的RMPD值整体大于SMA与AC级配,AC级配路面最小。说明在路面粗糙度方面,OGFC>SMA>AC,与实际情况相符合,验证试验数据的可靠性。

3)偏度Rsk与峰度Rku用于表示三维表面的纹理高度特性,Rsk<0表示表面形貌高度的分布在低于基准面的一侧有大尖峰,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,称为尖峰态曲面,即Rku越大,路表越粗糙。

图4(b)和图4(c)看出:Rsk及Rku值反复波动次数在磨耗早期(0～40 000次)远大于磨耗中后期(40 000～220 000次)。说明磨耗前期主要是以骨料表面磨损、磨光为主。进入磨耗中期后,磨耗层表面松散的骨料已经基本剥落,此时磨耗过程主要表现为轮胎和骨料的相互磨损。对于9种沥青混合料,在整个磨耗试验过程中,尽管Rsk及Rku起伏较大,但两个指标参数波动次数逐渐减小都表明路表纹理经过磨耗之后,从开始的粗糙变为光滑。

RSBI为表面磨损指数,该值的大小反应路表磨损程度。从图4(d)可以看到:大约经过80 000次的磨损,RSBI的值开始趋于稳定,当磨耗次数从80 000次增加到200 000次时,RSBI值并无明显的变化,说明在该磨耗阶段路表磨损程度变化不明显。磨耗次数超过200 000次时,由于集料出现剥落,RSBI值再次波动。

在不同路面类型中,可以发现AC级配RSBI值相对较高,OGFC和SMA级配则相对较低。这表明,相较于OGFC和SMA级配,AC级配更容易被损耗,OGFC和SMA级配则相对稳定。

3 结 论

基于自主研发调试的轮胎-路面动态摩擦测试系统,模拟不同交通量,随后通过激光轮廓扫描仪得到其纹理参数,并选取合适纹理参数表征交通量对宏微观纹理演化及抗滑的影响,得出结论:

1)利用激光轮廓测量仪扫描得到的数据计算出宏观纹理参数为:RMPD、Rq、Dq、Lq、Rsk、Rku、RMPD、RSBI;微观纹理参数为:RMPD、Rsk、Rku、RMPH、Sq、RSBI。为排除表现出强相关性的参数,消除潜在的多重线性关系,对宏微观纹理各表针参数之间进行了相关性分析,最后得到用于表征宏观纹理参数为:RMPD、Lq、Rsk、Rku、RSBI;微观纹理参数:RMPD、Rsk、Rku、RMPH、RSBI。

2)RMPD整体呈现减小的趋势。对于不同的级配类型,OGFC相较于SMA与AC级配而言,在试验的整个阶段,RMPD整体大于SMA与AC级配,而AC级配最小。在路面粗糙度方面,OGFC>SMA>AC,这同样与实际情况相符合,验证了试验数据的可靠性。

3)立足于室内试验基础,50 000次磨耗时,混合料试件表面轮迹带磨耗明显,而在磨耗80 000次数时,此时则磨耗并不明显,说明对沥青路面抗滑影响较小。在实际路面中,重载交通出现区间越早,对沥青路面的磨损越严重;而中后期出现重载交通则对沥青路面的抗滑性能影响相对较小。因此在道路的运管过程中,应尽量控制路面在早期服役阶段中的大量重载。

4)交通磨耗对路表纹理的影响具有波动性。累积交通磨耗作用下,路表纹理表征参数指标RMPD、Rsk、Rku的衰变没有明显的规律性,而是存在着反复的波动性,RSBI则存在着较强的规律性,整体变化趋势为先增大后减小。在磨耗次数为0～20 000次时,车辙板表面沥青膜被磨耗,纹理指标逐渐上升。在磨耗中后期,轮胎对粗集料的磨耗作用更加明显。粗集料的表面纹理不断处于磨耗与生成之间,粗集料被磨碎或者打磨从而生成新的表面,造成RMPD、Rsk、Rku、RSBI指标在中后期磨耗过程中呈现不断波动的现象。