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 土木工程學院,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,導致瀝青路面的應用受限[5-6]。對此,道路工程領域學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行了靜壓試驗,并用接觸面積和應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,其相同荷載下應力分布程度逐漸集中的結論;張安強等[8]總結了胎路動態靜態接觸的測試方法及各自使用的優缺點,驗證壓力膠片紙技術在胎路接觸領域中應用的可行性;梁晨等[9]從幾何和力學兩個方面選用評價指標對輪胎地面接觸壓力分布區域進行了描述;羅淑青等[10]采用壓力膠片技術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力極值指標量化表征胎/路嚙合效應,并證明了應力極值指標與摩擦系數的良好相關性;針對路表面層特性,馬林等[11]采用壓力膠片紙技術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,應力分布愈發集中,路表抗滑性能更高的結論;聶文等[12]研究胎路接觸應力分布狀態,并使用三參數Weibull模型評價路面胎路接觸應力離散程度;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行不同時間長短的搓揉試驗驗證了壓力膠片紙技術在研究胎路真實接觸狀態的可靠性,并提出了應力集中分布率和抗滑性能衰減率作為指標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論。

以上研究從胎路接觸的角度對輪胎路面的靜態接觸和制動過程摩擦行為進行了大量現場試驗和仿真模擬,探討了胎路靜態接觸面積與瀝青路面抗滑性能之間的相關性,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下的胎路摩擦,對汽車行駛狀態下胎路耦合接觸行為探究有限[15],實際上,無論汽車處在正常行駛還是輪胎未完全抱死的制動狀態,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,滾動摩擦力占主導地位。基于此,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,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摩擦測試系統,對不同級配、粗集料類型的瀝青混合料試件進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,并結合輪胎與路面的宏觀接觸分析結果,探究胎路靜態接觸與瀝青路面抗滑耐久性能之間的關系。

1 試驗方案

1.1 胎路接觸特性測試

壓力膠片系統由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,一種為發色物質,一種為顯色物質。根據兩種膠片紙所受壓力不同,不同劑量的化學物質參與顯色反應,從而導致顏色的深度有顯著差異。對受壓后膠片紙進行掃描,并在FPD-8010系統對掃描結果進行處理,讀取壓強面積數據。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行靜壓試驗。

2)通過壓力膠片標定紙,對FPD-8010系統中壓力膠片的色彩與所受壓力的對應關系進行標定。

3)通過掃描儀對1)中受壓的膠片進行掃描識別,獲得對不同壓力信息進行變色區分的接觸區域圖像,并可直接輸出區域內任意幾何形狀的和不同壓強范圍的受壓面積數據,其檢測精度較高達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,以石灰巖、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,選用八寸實心光面輪胎,再由靜壓試驗所得的胎路平均接觸壓強結果(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計年限內抗滑性能的衰變,參考我國JTG GD50—2017《公路瀝青路面設計規范》中對交通荷載等級的劃分,對設計年限內不同交通荷載等級對應的室內試驗作用次數按式(1)和式(2)進行換算,其換算結果見表3。基于換算結果,選取重載交通出現時間、重載交通持續時間為道路耐久性影響因素,設計正交試驗因素水平表見表3,基于課題組自主研發的動態摩擦測試系統(TDFA,構造說明見文獻 [16])對瀝青混合料進行加速加載磨耗試驗,并實時測算摩擦系數。為模擬汽車行駛狀態,設置磨耗時速為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域進行靜壓試驗。

(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;L為車道系數;m為車輛類型編號;Vm為m類車輛類型分布系數;Em為m類車輛的當量設計軸載換算系數;N1為初始設計年限內平均日當量軸載次數,次/天。

(2)

式中:Ne為設計使用年限內設計車道上的當量設計軸載作用次數,次;t為設計使用年限,年;γ為設計使用年限內交通量的年平均增長率。

表2 不同荷載下8寸實心輪胎靜壓試驗結果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)從接觸面積壓強分布來看,無論粗集料為何種類型,OGFC路面的高壓強區域都遠大于AC和SMA。SAC雖然較其他兩種路面更大,但多為中低壓強接觸區域;3種路面壓強分布區域有所差異。SMA路面在各壓強分布較為均勻,OGFC路面則在高壓區占比較大,AC路面多集中分布于中低壓區。此外,OGFC試件接觸面積的壓強分配呈現兩極化,即SOGFC多由大于2.5 MPa的高壓區域和低于0.5 MPa的低壓區域組成。

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,AC試件的接觸界面輪廓明顯,接觸區域和應力分布均勻。造成此種現象的原因是AC型級配為密實型級配,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過程中耗散,從而在宏觀上表現為更強的抗滑能力和更大的摩擦系數。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果中顯示,因此掃描圖像呈現點狀分布。

在汽車行駛狀態下,瀝青路面抗滑性能主要體現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系,接觸面積S可以由FPD-8010測試系統測試靜壓試驗結果獲得,而滾動摩擦力也可以由TDFA測得的摩擦力系數直觀表示。根據FPD-8010和TDFA對9種未磨耗試件的測試結果見表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,摩擦系數相對較小;OGFC型級配瀝青混合料接觸面積小,但摩擦系數較大;SMA型級配瀝青混合料接觸面積較小,摩擦系數也偏小。

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的影響相對較小。

表4 新建瀝青路面胎路實際接觸面積及摩擦系數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

首先根據正交試驗方差分析結果,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，不準忽悠我。”

表5 輪胎-OGFC路面接觸面積方差分析結果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,粗集料為石灰巖的試件有91%的概率拒絕原假設,認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,在統計學意義上認為3種影響因素(交通荷載等級、重載出現時間、重載持續時間)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。方差分析結果顯示其有86%的概括拒絕原假設,認為重載持續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。針對粗集料為石灰巖的試件,有98%的概率拒絕原假設,認為重載出現時間對接觸面積有顯著影響,有90%的概率拒絕原假設,認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,認為重載持續時間對接觸面積有顯著影響。

綜上可知,當取置信區間為90%時,交通荷載等級對OGFC石灰巖、AC石灰巖路面胎路接觸面積,重載出現時間對AC石灰巖試件胎路接觸面積,重載持續時間對AC玄武巖試件胎路接觸面積的影響在統計學意義上顯著。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,表明其對摩擦系數的影響在統計學意義上顯著;重載持續時間對AC石灰巖不顯著的原因是由于AC石灰巖為懸浮密實型結構細集料較多,且石灰巖耐磨性較差,導致在試驗過程中路面磨損嚴重,從而無法分析出重載交通出現時間對摩擦系數的影響。

結合前文2.2節中各因素對胎路接觸面積的影響分析可知,交通荷載等級、重交通出現時間和重交通持續時間對瀝青路面的接觸面積影響并不顯著,但與摩擦系數變化顯著相關。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計使用年限內的抗滑性能衰變,對9種瀝青混合料試件進行加速加載磨耗試驗。在荷載25 kg,速度25 km/h的標準試驗狀態下,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,并繪制接觸面積和摩擦系數的雙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律不明顯,而抗滑性能均呈現磨耗初期快速增加,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之間都未呈現明顯相關性關系。

圖2 花崗巖AC瀝青路面接觸面積與摩擦系數關系Fig. 2 Relation between contact area and friction coefficient of granite AC asphalt pavement

圖3 石灰巖AC瀝青路面接觸面積與摩擦系數關系Fig. 3 Relation between contact area and friction coefficient of limestone AC asphalt pavement

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

圖4 玄武巖AC瀝青路面接觸面積與摩擦系數關系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關系Fig. 5 Relation between contact area and friction coefficient of granite SMA asphalt pavement

圖6 石灰巖SMA瀝青路面接觸面積與摩擦系數關系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關系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關系Fig. 8 Relation between contact area and friction coefficient of granite OGFC asphalt pavement

圖9 石灰巖OGFC瀝青路面接觸面積與摩擦系數關系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關系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與接觸面積的相關性Table 11 Correlation between rolling friction coefficient and contact area of three kinds of graded specimens

3 結 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種粗集料類型石灰巖、玄武巖、花崗巖共計9種試件進行磨耗試驗;并考慮道路服務年限內抗滑耐久性影響因素及水平,設計正交試驗;利用FPD-8010壓力膠片紙系統和胎路動態摩擦測試系統TDFA得到了取置信區間為90%時輪胎在滾動狀態下的瀝青路面胎路接觸面積以及抗滑性能的衰變規律:

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的過程中耗散,從而在宏觀上表現為更強的抗滑性能。

2)交通荷載等級、重交通出現時間和重交通持續時間對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時間對9種試件抗滑性能的影響均在統計學意義上顯著,重載出現時間對瀝青路面抗滑性能的影響在統計學意義上顯著,而在AC石灰巖瀝青路面上,其對抗滑性能的影響并不顯著,這是由于AC石灰巖為懸浮密實型路面細集料較多,且石灰巖耐磨性較差,導致在試驗過程中路面磨損嚴重,因而不能實際分析出重載交通出現區間因素對摩擦系數的影響。

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的衰變規律并不一致。換言之,汽車行駛狀態下,無論在摩擦系數快速增加的磨耗初期、摩擦系數快速衰減的磨耗中期還是摩擦系數緩慢衰減的磨耗末期,胎路接觸面積與摩擦系數之間均未呈現明顯相關性關系。因此,與制動狀態下的胎路耦合摩擦行為不同,在研究汽車行駛狀態下的瀝青路面抗滑衰變規律時,僅需考慮將路面摩擦系數作為評價抗滑性能的主要指標。