胎路耦合接触行为对沥青路面抗滑性能衰变的影响研究

余 苗,张正基,罗延生,赵晓宁,刘世康

(1. 重庆交通大学 土木工程学院,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518112)

0 引 言

随着交通量的增加,路面抗滑性能衰变对沥青路面行车安全的影响日渐突出[1-4]。新建道路在开放交通前期的抗滑性能迅速下降,导致沥青路面的应用受限[5-6]。对此,道路工程领域学者从轮胎路面接触的角度对影响沥青路面抗滑性能耐久性的因素进行了大量研究。针对胎路接触行为,张淑文等[7]在不同的轮载下对GAC-13C和AC-13C级配的沥青路面及水泥路面进行了静压试验,并用接触面积和应力集中分布程度来描述胎路接触行为,得到随着路面粗糙程度的增加,其相同荷载下应力分布程度逐渐集中的结论;张安强等[8]总结了胎路动态静态接触的测试方法及各自使用的优缺点,验证压力胶片纸技术在胎路接触领域中应用的可行性;梁晨等[9]从几何和力学两个方面选用评价指标对轮胎地面接触压力分布区域进行了描述;罗淑青等[10]采用压力胶片技术获取不同形式路面的轮胎接触印痕,通过有效接触面积与应力极值指标量化表征胎/路啮合效应,并证明了应力极值指标与摩擦系数的良好相关性;针对路表面层特性,马林等[11]采用压力胶片纸技术采集纹理化水泥路面、沥青路面、水泥刻槽路面及光滑水泥路面的胎路有效接触率和应力集中度,并得到随着胎路有效接触率减小,路表粗糙程度增加,应力分布愈发集中,路表抗滑性能更高的结论;聂文等[12]研究胎路接触应力分布状态,并使用三参数Weibull模型评价路面胎路接触应力离散程度;针对混合料和集料耐磨耗性能,王端宜等[13]通过对沥青混合料进行不同时间长短的搓揉试验验证了压力胶片纸技术在研究胎路真实接触状态的可靠性,并提出了应力集中分布率和抗滑性能衰减率作为指标来表征沥青混合料的抗滑耐久性能;李智等[14]采用不同直径的钢珠简化不同磨耗程度的路面骨料,分析不同粒径骨料的咬合效果,得到了随着沥青混合料骨料主颗粒的增大,轮胎与路面的啮合范围增大,但其咬合深度占骨料粒径的比例减小的结论。

以上研究从胎路接触的角度对轮胎路面的静态接触和制动过程摩擦行为进行了大量现场试验和仿真模拟,探讨了胎路静态接触面积与沥青路面抗滑性能之间的相关性,提出了众多从胎路接触角度影响沥青混合料抗滑耐久性能的因素以及研究方法。然而,此类研究多着眼于汽车制动状态下的胎路摩擦,对汽车行驶状态下胎路耦合接触行为探究有限[15],实际上,无论汽车处在正常行驶还是轮胎未完全抱死的制动状态,胎路之间的滚动摩擦力在总的摩擦力中都有不小的占比,尤其在汽车正常行驶过程中,滚动摩擦力占主导地位。基于此,笔者选用不同级配类型的沥青混合料为研究对象,采用FPD-8010压力胶片测试系统,首先从轮胎与路面接触的角度分析轮胎与路面的宏观接触,再基于课题组自制的动态摩擦测试系统,对不同级配、粗集料类型的沥青混合料试件进行加速加载磨耗试验,开展沥青混合料的抗滑性能及其耐久性能衰变研究,并结合轮胎与路面的宏观接触分析结果,探究胎路静态接触与沥青路面抗滑耐久性能之间的关系。

1 试验方案

1.1 胎路接触特性测试

压力胶片系统由Prescale压力胶片和FPD-8010软件组成。该胶片纸分别涂有两种微囊剂,一种为发色物质,一种为显色物质。根据两种胶片纸所受压力不同,不同剂量的化学物质参与显色反应,从而导致颜色的深度有显著差异。对受压后胶片纸进行扫描,并在FPD-8010系统对扫描结果进行处理,读取压强面积数据。具体操作流程为:

1)模拟轮胎与路面的接触,在接触面间放置压力胶片纸进行静压试验。

2)通过压力胶片标定纸,对FPD-8010系统中压力胶片的色彩与所受压力的对应关系进行标定。

3)通过扫描仪对1)中受压的胶片进行扫描识别,获得对不同压力信息进行变色区分的接触区域图像,并可直接输出区域内任意几何形状的和不同压强范围的受压面积数据,其检测精度较高达0.016 mm2,压力测试误差较小为±10%。

1.2 沥青路面抗滑性能测试

选用沥青路面常用的AC-13、SMA-13、OGFC-13面层级配类型,以石灰岩、玄武岩和花岗岩为粗集料,成型9种尺寸为300 mm×300 mm×30 mm的车辙板,其级配表,如表1。为排除轮胎胎压及花纹的影响,选用八寸实心光面轮胎,再由静压试验所得的胎路平均接触压强结果(表2)确定轮胎上部荷载为25 kg,重载交通荷载为50 kg。为研究沥青混合料设计年限内抗滑性能的衰变,参考我国JTG GD50—2017《公路沥青路面设计规范》中对交通荷载等级的划分,对设计年限内不同交通荷载等级对应的室内试验作用次数按式(1)和式(2)进行换算,其换算结果见表3。基于换算结果,选取重载交通出现时间、重载交通持续时间为道路耐久性影响因素,设计正交试验因素水平表见表3,基于课题组自主研发的动态摩擦测试系统(TDFA,构造说明见文献 [16])对沥青混合料进行加速加载磨耗试验,并实时测算摩擦系数。为模拟汽车行驶状态,设置磨耗时速为25 km/h,刹车力为0。此外,为研究胎路耦合接触行为,在每块车辙板上选定区域,并取上部荷载为25 kg,使用压力胶片纸分别对磨耗前后车辙板上同一区域进行静压试验。

(1)

式中:A为二轴六轮及以上车辆双向年平均日交通量,(辆/天);D为方向系数;L为车道系数;m为车辆类型编号;Vm为m类车辆类型分布系数;Em为m类车辆的当量设计轴载换算系数;N1为初始设计年限内平均日当量轴载次数,次/天。

(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,年;γ为设计使用年限内交通量的年平均增长率。

表2 不同荷载下8寸实心轮胎静压试验结果Table 2 Static pressure test results of 8-inch solid tire under different loads

表3 正交试验因素水平Table 3 Orthogonal test factor level

2 结果与讨论

2.1 新建沥青路面胎路耦合接触行为与抗滑性能的关系

由图1新建沥青路面胎路接触压力分布可知:

1)从总的接触面积的大小来看,无论粗集料为何种类型,AC路面的接触面积最大,OGFC路面最小,3种级配类型试件的面积大小为:SAC>SSMA>SOGFC。

2)从接触面积压强分布来看,无论粗集料为何种类型,OGFC路面的高压强区域都远大于AC和SMA。SAC虽然较其他两种路面更大,但多为中低压强接触区域;3种路面压强分布区域有所差异。SMA路面在各压强分布较为均匀,OGFC路面则在高压区占比较大,AC路面多集中分布于中低压区。此外,OGFC试件接触面积的压强分配呈现两极化,即SOGFC多由大于2.5 MPa的高压区域和低于0.5 MPa的低压区域组成。

3)从胎路接触分布形状来看,胎路接触界面与沥青混合料的级配类型密切相关,AC试件的接触界面轮廓明显,接触区域和应力分布均匀。造成此种现象的原因是AC型级配为密实型级配,表面纹理较为平整,而SMA和OGFC路面表面纹理较为粗糙,接触分布较为离散,高压区域集中,这也使得在胎路接触时,SMA和OGFC路面轮胎局部形变更大,大部分的能量橡胶变形和回复过程中耗散,从而在宏观上表现为更强的抗滑能力和更大的摩擦系数。此外由于所采用的压力胶片纸量程为0.5～2.5 MPa,低于0.5 MPa的接触面积并未在扫描结果中显示,因此扫描图像呈现点状分布。

在汽车行驶状态下,沥青路面抗滑性能主要体现为其对轮胎的滚动摩擦力。滚动摩擦力与表征道路耦合接触行为的接触面积之间存在一定关系,接触面积S可以由FPD-8010测试系统测试静压试验结果获得,而滚动摩擦力也可以由TDFA测得的摩擦力系数直观表示。根据FPD-8010和TDFA对9种未磨耗试件的测试结果见表4可知:

1)从级配类型来看,无论何种粗集料类型,AC型级配沥青混合料的胎路接触面积相对较大,摩擦系数相对较小;OGFC型级配沥青混合料接触面积小,但摩擦系数较大;SMA型级配沥青混合料接触面积较小,摩擦系数也偏小。

2)从集料类型来看,3种粗集料类型中,花岗岩为粗集料的沥青混合料的接触面积普遍大于其余两种粗集料类型的沥青混合料。此外,同一级配不同粗集料的沥青混合料所测得的摩擦系数波动不大,由此可知,粗集料类型对沥青混合料试件接触面积和滚动摩擦力系数的影响相对较小。

表4 新建沥青路面胎路实际接触面积及摩擦系数Table 4 Contact area and friction coefficient of newly constructed asphalt pavement

2.2 基于道路抗滑耐久性影响因素的沥青路面胎路耦合接触行为分析

首先根据正交试验方差分析结果,分析正交试验各因素水平对胎路接触面积的影响。由表5～表7可得,各因素对9种沥青混合料试件与轮胎的接触面积的影响各不相同:

“快说，你能提供给我什么？虽然你留给我的第一印象不怎么样，没想到你对我们的工作还是有些见地的。你说吧，可有一点，不准忽悠我。”

表5 轮胎-OGFC路面接触面积方差分析结果Table 5 Variance analysis results of tire-OGFC pavement contact area

表6 轮胎-SMA路面接触面积方差分析结果Table 6 Variance analysis results of tire-SMA pavement contact area

表7 轮胎-AC路面接触面积方差分析结果Table 7 Variance analysis results of tire-AC pavement contact area

1)针对OGFC型级配试件,粗集料为石灰岩的试件有91%的概率拒绝原假设,认为交通荷载等级对胎路接触面积有显著的影响,而该级配组成下其他两种粗集料类型的显著性较低,在统计学意义上认为3种影响因素(交通荷载等级、重载出现时间、重载持续时间)对胎路接触面积的影响较小。

2)针对SMA型级配试件,各因素对胎路接触面积的影响均不显著,重载持续时间对粗集料为花岗岩的SMA型试件接触面积的影响最大。方差分析结果显示其有86%的概括拒绝原假设,认为重载持续时间对接触面积有显著性影响。

3)针对AC型级配试件,方差分析结果显示三种因素对接触面积有显著的影响。针对粗集料为石灰岩的试件,有98%的概率拒绝原假设,认为重载出现时间对接触面积有显著影响,有90%的概率拒绝原假设,认为交通荷载等级对接触面积有显著影响;粗集料为玄武岩的试件,有98%的概率拒绝原假设,认为重载持续时间对接触面积有显著影响。

综上可知,当取置信区间为90%时,交通荷载等级对OGFC石灰岩、AC石灰岩路面胎路接触面积,重载出现时间对AC石灰岩试件胎路接触面积,重载持续时间对AC玄武岩试件胎路接触面积的影响在统计学意义上显著。由此可知,道路耐久性影响因素对胎路接触面积的变化并无明显影响,但表面平整的AC型试件的胎路接触面积受三因素的影响明显大于表面纹理丰富的OGFC和SMA型试件。

2.3 基于道路抗滑耐久性影响因素的沥青路面抗滑性能分析

由表8～表10可得:取置信区间为90%,在9组正交试验中,总交通量的P值均小于0.1,表明其对摩擦系数的影响在统计学意义上显著;重载持续时间对AC石灰岩不显著的原因是由于AC石灰岩为悬浮密实型结构细集料较多,且石灰岩耐磨性较差,导致在试验过程中路面磨损严重,从而无法分析出重载交通出现时间对摩擦系数的影响。

结合前文2.2节中各因素对胎路接触面积的影响分析可知,交通荷载等级、重交通出现时间和重交通持续时间对沥青路面的接触面积影响并不显著,但与摩擦系数变化显著相关。由此可知,在路面抗滑性能的衰变过程中,胎路接触面积的变化对摩擦力的影响贡献较小,不是主要影响因素。

表8 OGFC路面接抗滑性能方差分析结果Table 8 Variance analysis results of OGFC pavement anti-slip performance

表9 轮胎-SMA路面抗滑性能方差分析结果Table 9 Variance analysis results of tire-SMA pavement anti-slip performance

表10 轮胎-AC路面抗滑性能方差分析结果Table 10 Variance analysis results of tire-AC pavement anti-slip performance

2.4 胎路耦合接触行为对沥青路面抗滑性能衰变的影响

为研究沥青路面在其设计使用年限内的抗滑性能衰变,对9种沥青混合料试件进行加速加载磨耗试验。在荷载25 kg,速度25 km/h的标准试验状态下,考虑沥青混合料早期抗滑性能波动较为明显,分别测试4 000、8 000、12 000、16 000、20 000、40 000、80 000、200 000、220 000次磨耗后的接触面积以及滚动摩擦系数,并绘制接触面积和摩擦系数的双y轴图(图2～图10)。由图可知:9种沥青混合料的胎路接触面积的衰变规律不明显,而抗滑性能均呈现磨耗初期快速增加,中期快速衰减,后期缓慢衰减的趋势。此外,无论从级配类型、粗集料种类亦或混合料磨耗时期的角度分析,接触面积与摩擦系数之间都未呈现明显相关性关系。

图2 花岗岩AC沥青路面接触面积与摩擦系数关系Fig. 2 Relation between contact area and friction coefficient of granite AC asphalt pavement

图3 石灰岩AC沥青路面接触面积与摩擦系数关系Fig. 3 Relation between contact area and friction coefficient of limestone AC asphalt pavement

参照汽车制动状态下不同级配类型试件的摩擦系数与接触面积的关系,并基于磨耗次数对汽车行驶状态下3种级配类型路面的摩擦系数与接触面积之间进行分析,结果见表11。由表11可知,汽车行驶状态下的摩擦力与接触面积之间的关系较低,其与胎路接触面积之间的关系有别于汽车行驶状态下的摩擦力。由此可知,汽车行驶状态下的摩擦力研究有别于汽车制动状态下的研究,胎路接触面积作为摩擦力影响因素的优先级较低。

图4 玄武岩AC沥青路面接触面积与摩擦系数关系Fig. 4 Relation between contact area and friction coefficient of basalt AC asphalt pavement

图5 花岗岩SMA沥青路面接触面积与摩擦系数关系Fig. 5 Relation between contact area and friction coefficient of granite SMA asphalt pavement

图6 石灰岩SMA沥青路面接触面积与摩擦系数关系Fig. 6 Relation between contact area and friction coefficient of limestone SMA asphalt pavement

图7 玄武岩SMA沥青路面接触面积与摩擦系数关系Fig. 7 Relation between contact area and friction coefficient of basalt SMA asphalt pavement

图8 花岗岩OGFC沥青路面接触面积与摩擦系数关系Fig. 8 Relation between contact area and friction coefficient of granite OGFC asphalt pavement

图9 石灰岩OGFC沥青路面接触面积与摩擦系数关系Fig. 9 Relation between contact area and friction coefficient of limestone OGFC asphalt pavement

图10 玄武岩OGFC沥青路面接触面积与摩擦系数关系Fig. 10 Relation between contact area and friction coefficient of basalt OGFC asphalt pavement

表11 3种级配试件的滚动摩擦系数与接触面积的相关性Table 11 Correlation between rolling friction coefficient and contact area of three kinds of graded specimens

3 结 论

对沥青路面3种常用的面层级配类型AC-13、SMA-13、OGFC-13和3种粗集料类型石灰岩、玄武岩、花岗岩共计9种试件进行磨耗试验;并考虑道路服务年限内抗滑耐久性影响因素及水平,设计正交试验;利用FPD-8010压力胶片纸系统和胎路动态摩擦测试系统TDFA得到了取置信区间为90%时轮胎在滚动状态下的沥青路面胎路接触面积以及抗滑性能的衰变规律:

1)新成型沥青混合料路面中,AC路面较OGFC和SMA路面更为平整,三者的胎路接触面积大小排序为SAC>SSMA>SOGFC。此外,由于SMA和OGFC路面较AC路面更为粗糙,在胎路接触时轮胎局部形变较大,使得大部分能量在轮胎变形和恢复的过程中耗散,从而在宏观上表现为更强的抗滑性能。

2)交通荷载等级、重交通出现时间和重交通持续时间对9种试件的抗滑性能影响大致相同。交通荷载等级和重载持续时间对9种试件抗滑性能的影响均在统计学意义上显著,重载出现时间对沥青路面抗滑性能的影响在统计学意义上显著,而在AC石灰岩沥青路面上,其对抗滑性能的影响并不显著,这是由于AC石灰岩为悬浮密实型路面细集料较多,且石灰岩耐磨性较差,导致在试验过程中路面磨损严重,因而不能实际分析出重载交通出现区间因素对摩擦系数的影响。

3)基于以上对比分析可知,轮胎在滚动与滑动工况下,其胎路接触面积及摩擦系数的衰变规律并不一致。换言之,汽车行驶状态下,无论在摩擦系数快速增加的磨耗初期、摩擦系数快速衰减的磨耗中期还是摩擦系数缓慢衰减的磨耗末期,胎路接触面积与摩擦系数之间均未呈现明显相关性关系。因此,与制动状态下的胎路耦合摩擦行为不同,在研究汽车行驶状态下的沥青路面抗滑衰变规律时,仅需考虑将路面摩擦系数作为评价抗滑性能的主要指标。