基于界面接触特性的多尺度沥青路面抗滑性能评价及应用研究

发布时间：2018-05-31 18:26

本文选题：沥青路面 + 抗滑性能　；参考：《华南理工大学》2015年博士论文

【摘要】：沥青路面抗滑问题已成为业内面临的一个十分迫切的技术难题,而轮胎与道路粗糙表面的界面接触特性又是解决抗滑问题的关键所在。沥青路面抗滑构造主要包括宏观构造和其表面的微观粗糙峰构造。其中,微观构造与轮胎橡胶接触,顶部平滑的微凸体与胎面橡胶发生黏着摩擦,约占轮胎与路面整个摩擦力的90%。因此,本文主要通过对常用轮胎与沥青路面的接触面微观范围的特征研究,摸清实际接触面的纹理和构造等特性对有效接触面积及压力分布状况等的影响,从而找出影响路面抗滑摩擦力的基本因素,并有针对性的给出提高路面摩擦力的有效级配设计方法,从而达到提高路面抗滑安全性能的目的。从材料摩擦学、轮胎与路面接触作用机理出发,重点研究接触面的微观作用行为。首次运用压力胶片及激光纹理测量这两种创新分析方法,统计分析常用的沥青路面表面特征,设计相关评价指标并与常规抗滑性能检测方法进行比较验证。对沥青混合料抗滑性能的衰变机理研究,本文首次使用了自主研发的基于模拟沥青路面行车荷载作用的花纹轮胎搓揉试验机,在不同搓揉时间内对不同级配试件抗滑性能进行评价,以期获得理想的抗滑沥青混合料级配设计。通过本文研究,有助于揭示影响路面抗滑性能的内在结构和材料因素,从而在抗滑表层结构设计、选材和养护维护施工时,进行有针对性的改进,有效提高道路的行车安全性。论文的主要工作和创新成果如下：1.运用高精度(0.016mm2)压力胶片测量系统,对轮胎与沥青路面间界面接触的压力分布规律展开了一系列的试验研究,探索轮胎与沥青路面间不同荷载、胎压和路面类型下的真实接触界面压力分布规律,并结合MATLAB程序实现接触界面压力分布的可视化研究。考虑到压力胶片量程的局限性及轮胎接地压力分布的压力数值范围,本文设计了同时选用LLLW型和LLW型两种量程压力胶片联合分析的试验方法,选取LLLW型的压力胶片可以检测[0,0.6]MPa范围的压力分布,LLW型的压力胶片可以检测[0.6,3.06]MPa范围的压力分布,完全满足实际轮胎路面之间接触界面抗滑性能研究需要。2.结合应力集中有效面积和应力分布情况,提出应力分布集中度指标来定量描述路面粗糙构造表面微凸体的黏着摩擦力。试验表明,沥青混合料路面的平均接地压力为光面钢板接触压力的1.15～1.4倍；增加4.75mm以上的粗集料比例可以获得较大的应力分布集中度,有效提高路面抗滑的黏着摩擦力；当骨架嵌挤型结构级配设计的4.75档集料为30%左右,9.5档集料为35%左右时,集料骨架更加稳定,抗滑耐久性更理想。3.运用本课题组自主研发的微距电机程控三维激光纹理测量系统,对石料与轮胎接触面的微观纹理的棱角曲折复杂程度进行测量,分析结果显示,激光轮廓仪的轮廓峰顶夹角与常规试验方法相关性明显,轮廓峰顶夹角越大,路面宏观轮廓越宽越平,抗滑性能越差,反之,抗滑性能越好。新建路面的峰值角度主要集中在10°～30°区间,而小于90°的有效保证率基本都在70%以上。随着搓揉时间的增加,密实悬浮型AC-13的轮廓峰顶夹角衰变最大,SMA-13的衰变幅度较小,进一步验证了骨架密实型级配SMA-13无论初始抗滑性能还是抗滑耐久性能都优于密实悬浮型AC-13沥青混合料。当沥青混合料路面的轮廓峰顶夹角有效保证率(小于90度的轮廓峰顶夹角百分比)达到60%以上时,沥青混合料能够提供足够的抗滑性能。4.为了揭示不同搓揉试验阶段,沥青混合料抗滑表层接触面积、接触角度的变化以及表面2cm深度范围内粗集料颗粒在碾压作用下的运动规律。通过数字图像处理技术,分别提取表面2cm深度范围内粗集料颗粒沿着长轴方向夹角进行分析。试验表明,骨架嵌挤型级配SMA-13的抗滑表层“竖立”状态的粗集料数量比密实悬浮型级配AC-13多,抗滑性能更好。SMA-13在搓揉试验过程中,车轮的压密和磨耗作用导致了应力分布集中度的衰减,而抗滑表层粗集料的倾角不规则变化影响了应力集中效应变化的单调性。试验结果表明,间断2.36档,增加4.75档集料可以使SMA-13沥青混合料具有更好的稳定性,其较好的嵌挤效果有利于提高骨架结构的整体稳定性,保持路面的抗滑性能,进一步验证了4.75mm以上粗集料能提供更稳定的主骨架接触。
[Abstract]:The anti - skid structure of asphalt pavement has become one of the most urgent technical problems faced by the industry , and the interface contact between the tire and the road surface is the key to solve the anti - slip problem .
By increasing the proportion of coarse aggregate over 4.75 mm , the stress distribution concentration can be obtained , and the anti - sliding friction force of the road surface can be effectively improved ;
The results show that the angle of peak - to - top included angle of contour peak - to - top angle of SMA - 13 is greater than that of compact suspension type AC - 13 asphalt mixture . The results show that the angle of peak - top included angle of contour peak - top is greater than that of compact suspension type AC - 13 asphalt mixture .
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U416.217

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