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基于压力胶片技术的沥青混合料抗滑耐久性评价,中国沥青网,sinoasphalt.com
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基于压力胶片技术的沥青混合料抗滑耐久性评价
2019年03月15日    阅读量:1406    新闻来源:中国沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:为评价沥青混合料的抗滑耐久性,自主研发了加速加载搓揉试验机,采用压力胶片测量技术,对经过02468h搓揉试验的不同类型沥青路面车辙板进行静载压力胶片试验,尝试采用压力胶片测量技术结合数据分析提出新的指标来评价沥青混合料的抗滑耐久性。采用0.2~0.6MPa胶片和0.5~2.5MPa胶片分别研究不同搓揉时间后的车辙板与轮胎静态接触的有效面积和应力集中效应,并通过压力胶片数据采集分析软件重构应力集中三维效果图。研究结果表明:不同搓揉时间下轮胎与路面接触的有效面积不同,搓揉时间越长接触面积越大,在0~8h搓揉过程中有明显递增趋势;不同搓揉时间下轮胎与路面接触的应力集中效应不同,在0~8h搓揉过程中应力集中效应有明显递减趋势;压力胶片测量技术能够很好地反映轮胎与路面间的真实接触状态和路面应力集中的衰减过程;相同原材料下,GAC-13级配的沥青路面抗滑性能及耐久性均优于AC-13;提出采用应力集中分布率和抗滑性能衰减率表征沥青混合料的抗滑耐久性,这2个指标与构造深度及摆值相关性良好,评价沥青混合料的抗滑耐久性具有足够的准确性及可靠度,为后续采用该指标设计优良抗滑性能的沥青混合料提供借鉴中国沥青网sinoasphalt.com


关键词:道路工程;沥青路面;压力胶片技术;应力集中分布率;抗滑性能衰减率


引言


中国绝大部分高速公路都是采用沥青路面,其抗滑性能直接关系到道路行车的安全。沥青路面抗滑耐久性问题突出,尤其表现为抗滑性能衰减太快,新建路面在开放交通2年后其路面平均构造深度由1.0mm很快衰减到0.6mm附近,其横向力系数从60~70快速衰减为40~50,这些都不符合干线交通行车安全性的要求,也有悖于行业的要求,相关研究表明影响沥青路面抗滑耐久性的因素有很多。赵战利等研究了集料级配对沥青路面抗滑性能的影响,并通过试验及工程验证提出了具有较好抗滑性能的抗滑层级配;张勇亦对沥青路面抗滑表层级配进行了优化研究;综合其研究成果表明:沥青混合料的级配设计和路面施工工艺对其抗滑性能影响最大。曾庆成等基于能量等价损耗原理对沥青路面抗滑性能做出合理预测;董昭采用加速磨耗试验研究了沥青路面材料抗滑性能衰变规律,对沥青路面原材料的标准进行了详细总结;杜雪松从轮胎与路面接触特性来研究路面抗滑及行车安全性能,将传感器较好地用于轮胎与沥青路面接触界面;通过数字图像及3D激光技术对沥青路面宏观轮廓特征进行研究,并采用分形理论评价路面抗滑;刘涛研发三维激光轮廓检测仪对沥青路面构造深度进行采集,并从细观角度研究路面抗滑性能;结合三维激光轮廓检测仪和压力胶片,研究了轮胎与路面的接触特性及应力分布,具有较好的探索意义。


以上研究均未能提出新的沥青路面抗滑及耐久性评价指标,本文亦是针对以上国内外沥青路面抗滑方面的研究现状开展其抗滑及耐久性评价指标的研究。现阶段优质石料缺乏,加之沥青混合料材料设计阶段没有考虑路面结构表层抗滑耐久性的设计工作,而且目前还没有足够精确的指标来评价路表结构的抗滑耐久性,本文针对这些突出性的抗滑衰减问题及评价指标的短缺,拟采用压力胶片技术研究沥青混合料的抗滑耐久性,旨在提出新的指标来评价其耐久性,并将抗滑耐久性的评价工作用于沥青混合料的设计阶段,以这些指标来表征抗滑衰减从而实现其抗滑耐久性的设计。


压力胶片技术简介


胶片在受压时,不同的压力大小区域会呈现出不同浓度的色彩,将染色的胶片通过扫描仪扫描,将扫描得到的图像经过胶片附带专业软件进行处理,用以识别不同色彩浓度区域的压力大小。对于受压后的胶片,采用编制的专业软件,可实现数据采集、处理和分析等一系列过程。


试验设计方案及试验过程


试验方案设计


试验方案中,路表构造所带来粗糙程度的不同,主要依赖于路面混合料的级配设计来完成,采取2种不同的级配形式:GAC-13间断密级配和AC-13连续开级配形式。分别成型代表性车辙板,为表征其粗糙程度的不同,并计算出构造深度分别为:GAC-13车辙板1.36mmAC-13车辙板0.85mm。采用传统的铺砂法与之对比测得:GAC-13车辙板的构造深度为1.3mmAC-13车辙板的构造深度为0.gmm。采用摆式摩擦仪分别测出初始未经搓揉时2块车辙板的摆值,GAC-13车辙板的摆值为7gAC-13车辙板的摆值为72,所以最终确定采用这2种初始构造深度和摆值存在显著差别的GAC-13车辙板和AC-13车辙板作为试验中的模拟路面形式。


试验过程


研究过程采用自主研发的加速加载搓揉试验机,设备运行时,传动的螺纹钢棒在马达的作用下带动试件平台作横向往复运动,同时,原来的马达则继续牵引车轮沿纵向运动,这样可以使轮胎在试件上做往返运动。另外,试验装置增加了恒温水浴,可控温度从室温到70;试件横向移动速度为10cm·min-1;车轮行走次数为(42±1)·min-1;碾压轮轮质量为42~100kG(可调)。研发加速加载搓揉试验机并进行搓揉试验,目的是为了在室内模拟沥青路面在行车作用下表观构造的变化,即室内模拟沥青路面的抗滑性能变化过程。试验对象为GAC-13AC-13级配的沥青混合料车辙板,车辙板的尺寸为300mm×300mm×50mm,在60°的水环境下对GAC-13AC-13级配的车辙板进行02468h的搓揉。搓揉试验结束后,在常温下将车辙板晾干,分别进行压力胶片试验。


试验选择小型车中具有一定代表性的普通载重汽车为试验对象,加载后通过后轮静压搓揉过的车辙板来模拟实际的轮胎路面接触情况,实测胎压为0.4MPa,通过压力传感器实测其后轮轮载为9.6kN。此外,根据笔者所在课题组前期研究成果,胶片选择2种型号,量程分别为0.2~0.6MPa(小量程)0.5~2.5MPa(大量程)


试验结果及数据分析


不同搓揉时间下轮胎与路面接触面积的变化情况


对受压后的0.2~0.6MPa0.5~2.5MPa胶片,采用FPD8010软件进行数据采集、处理,进行接触面积分析。


可以看出:经过02468h的搓揉试验,GAC-13AC-13路面板与轮胎的接触面积均呈递增趋势,由压强公式可知,在轴载不变的情况下,接触面积越大,接触应力越小,接触应力越小说明轮胎路面接触咬合越差,抗滑性能越差。这种接触应力递减与构造深度和摆值的递减趋势基本吻合,因此可以提出采用接触面积来表征路面轮廓丰富程度,从侧面来反映路面抗滑性能。其中未经搓揉的GAC-13路面板与轮胎接触面积比AC-13小,符合GAC-13的构造深度和摆值比AC-13大的规律,而且在接触面积递增的规律上可以看出,前期0~4h过程中2种路面板的接触面积递增过快,构造深度、摆值均递减过快,在4~8h的过程中3个指标的数值逐渐趋于稳定到基本不再变化。最终可以看出:8h搓揉试验后,GAC-13路面板的接触面积比AC-13的小,构造深度、摆值均比AC-13的大。


小量程和大量程胶片试验下抗滑性能衰减情况。可以看出:2种胶片试验下,前期0~4h抗滑性能均衰减过快,4~8h衰减减慢,逐渐趋于平缓,与构造深度和摆值的衰减趋势吻合。


综上所述,本节研究最终提出抗滑性能衰减率这个指标来描述基于胶片试验的沥青混合料抗滑耐久性,通过与构造深度、摆值等沥青路面抗滑指标进行对比论证分析,该指标在评价沥青路面抗滑性能方面具有足够的准确性和可靠度。


不同搓揉时间下应力集中效应分析


采用0.2~0.6MPa0.5~2.5MPa两种胶片对2块路面板接触区域应力分布进行统计分析,经过02468h搓揉试验的AC-13GAC-13路面板与车轮接触区域应力p分布统计。


由于试验中胎压为0.4MPa,因此应力分布统计中显示的大于0.4MPa的分布居多,在此可以定义:采用0.2~0.6MPa型胶片时0.60≤p称之为应力集中,采用0.5~2.5MPa型胶片时p≤0.75称之为应力集中。根据表2~5接触应力分布统计可以看出:


(1)对于0.2~0.6MPa型胶片:经过8h的搓揉试验,AC-13GAC-13路面板的0.60≤p应力分布均呈现递减趋势,即应力集中效应均呈现逐渐递减趋势,这种应力集中效应逐渐变弱可以说明轮胎与路面接触咬合效果逐渐变弱,从而能从侧面反映路面抗滑效果逐渐递减。


(2)采用0.5~2.5MPa型胶片时,p≤0.75也表现上述同样的衰减趋势,即路面抗滑效果也同样是上述逐渐衰减的趋势,大、小量程胶片试验结果吻合。因此,可以提出采用应力集中分布率来表征路面抗滑性能(12AC-13GAC-13路面板经过02468h搓揉试验后的应力集中效果衰减)


可以看出:0~4h期间AC-13GAC-13路面板的抗滑性能衰减过快,4~8h衰减减慢,预测后期会逐渐趋于稳定。初始GAC-13路面板的抗滑性能优于AC-13,并且搓揉后期GAC-13路面板的抗滑性能仍旧优于AC-13。用此应力集中分布率来表征路面板抗滑性能与本文第3.1节用抗滑性能衰减率来表征路面板抗滑性能具有相同的效果及相同的趋势。


相关性分析


为进一步证明本文提出的2个抗滑耐久性评价指标的准确性和可靠性,特进行2个指标与构造深度及摆值的相关性分析。 


可以看出:接触面积和应力集中分布率与构造深度及摆值相关性均良好,由于篇幅所限,在此仅列出相关性分析的部分图表。因此,从接触面积和接触应力同时入手,提出上述2个指标来表征路面抗滑性能,具有较准确的依据和可靠的分析。


不同搓揉时间下应力集中三维效果图


2种胶片采集不同搓揉时间下的AC-13GAC-13路面板与轮胎接触应力分布后,对应力分布图进行去噪处理,即去除应力异常点。通过软件FPD8010对应力分布进行三维重构。


对以上应力集中三维效果图进行分析可以看出:2种路面板的0~8h应力集中效果均呈递减趋势,初始GAC-13路面板的应力集中效应优于AC-13路面板,8h搓揉试验后这种应力集中优势依然存在,并且GAC-13路面板的应力集中衰减程度低于AC-13路面板。本节通过应力集中三维效果图的研究更能证明前2节本文提出的2个抗滑性能评价指标的可靠性及准确性。


结语


(1)抗滑性能衰减率、应力集中分布率能够表征沥青混合料的抗滑性能,其与构造深度及摆值具有一致的变化趋势,相关性良好。


(2)对应力集中进行三维重构,8h的搓揉试验后GAC-13AC-13路面板应力重构图像中应力集中效应逐渐减弱,说明抗滑性能处于衰减状态。应力集中三维重构衰减图亦是对上述2个抗滑耐久性评价指标准确性及可靠度的有力支撑


(3)应力集中分布率和抗滑性能衰减率从接触面积和接触应力2个方面评价沥青路面抗滑耐久性具有足够的准确性和可靠度。


(4)本文提出的沥青路面抗滑耐久性评价指标可为后续采用该指标设计优良抗滑性能的沥青混合料提供借鉴,并且在沥青混合料设计阶段引入其抗滑耐久性的验证。不足之处在于还未能及时采用该新指标设计沥青混合料,后续将着重对此开展广泛深入的研究。


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