CN115081813A - 一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，包括：获取钢渣沥青混合料路面的建模样本，在设定荷载下作用不同的次数进行磨耗，得到不同磨耗程度的建模样本；记录在各个设定作用次数下的摩擦因数μ、宏观纹理参数和微观纹理参数；建立摩擦因数与宏观纹理、微观纹理之间的相关性模型，以及建立摩擦系数与荷载作用次数关联的摩擦系数衰变规律预测模型；绘制曲线，根据曲线规律选择临界值μa；获取路面的待评价样本，测试其宏观纹理参数和微观纹理参数，代入相关性模型得到测试摩擦因数μce；根据摩擦因数μce进行评价。与现有技术相比，本发明具有测量速度快、信息量全、直观形象、精确地反映表面三维形貌信息等优点。

Description

一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法
技术领域
本发明涉及公路沥青路面抗滑性能领域，尤其是涉及一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法。
背景技术
良好的路面抗滑性能是行车安全的重要保障。目前钢渣沥青路面尚未进行系统化、规模化的应用，虽有许多实体工程，但总体规模均较小且多为1km大小的试验路段。调研发现，国内外虽然有的研究大多是关于提高钢渣沥青混合料的材料性能，对路面抗变形、抗车辙、抗开裂等方面的路用性能有了足够保障，而对钢渣路面抗滑功能耐久性问题的研究稀缺，抗滑性能的有效评价仍未得到深入研究。
沥青路面摩擦机理主要与路表宏观纹理与微观纹理相关。目前工程《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1-2017，第一册，土建工程)中常用的评价表征指标主要有构造深度MTD、摆值BPN、横向力系数SFC和纵向力系数BFC。其中，MTD、BPN操作简单、设备成本低，属于定点式测试，需要临时封闭交通，影响车辆通行。操作时要与路面上的既有交通抢时间，导致重复性差、试验效率低、受人为因素影响大、无法反映路面实际的抗滑性能。对于横向力系数SFC和纵向力系数BFC虽属于连续式检测，但是，检测设备最大的缺点就是不能在室内测量，且测试设备价格昂贵，普适性和经济性差。此外，这些常用检测方法和指标并不能很好地反映表面物体形貌特性，从而使得路面丰富的形貌信息得不到有效地表达。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，有效的解决了传统抗滑评价方法普适性较差的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，步骤包括：
S1、获取钢渣沥青混合料路面的建模样本，采用室内加速加载磨耗仪在设定荷载下作用不同的次数进行磨耗，得到不同磨耗程度的建模样本；同时，记录建模样本在各个设定作用次数下的摩擦因数μ、宏观纹理参数和微观纹理参数，建模样本未磨耗前的摩擦因数为μ0；
S2、根据记录的摩擦因数μ，宏观纹理参数和微观纹理参数，建立摩擦因数与宏观纹理、微观纹理之间的相关性模型，以及建立摩擦系数与荷载作用次数关联的摩擦系数衰变规律预测模型；
S3、绘制摩擦系数衰变规律预测模型的相关曲线，根据曲线规律选择临界值μa；
S4、获取钢渣沥青混合料路面的待评价样本，测试其宏观纹理参数和微观纹理参数，代入相关性模型得到测试摩擦因数μce；
S5、根据摩擦因数μce进行判断：当μce≥μ0时，待评价样本为路面抗滑状态优秀；当μ0>μce≥μa时，待评价样本为路面抗滑状态合格；当μce＜μa时，待评价样本为路面抗滑状态较差。
进一步地，所述宏观纹理参数包括断面轮廓均方根偏差Rq，所述微观纹理参数包括微观算术平均高度Sa、波峰密度Spd和波峰平均曲率Spc。
进一步地，所述相关性模型的表达式为：
μ＝k1Rq+k2Sa+k3Spd+k4Spc+C
式中，k1、k2、k3、k4为试验数据回归分析得到的系数，C为常数项。
进一步地，所述摩擦系数衰变规律预测模型的表达式为：
μ＝a ln(N)+b
式中，μ为摩擦系数，a为试验数据回归分析得到的系数，b为常数项，N为累积的作用次数。
进一步地，所述建模样本为实验室内制做的、和路面相同级配和集料的试样。
进一步地，建模样本的数量至少为三个。
进一步地，所述相关性模型和摩擦系数衰变规律预测模型均采用多元线性回归分析建模。
进一步地，选择级配和集料不同的建模样本重复进行步骤S1～S3，提高摩擦因数与宏观纹理、微观纹理之间的相关性模型，以及摩擦系数衰变规律预测模型的回归精度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过对钢渣沥青混合料路面进行摩擦因数与宏观纹理、微观纹理之间的相关性模型建模，以及进行摩擦系数衰变规律预测模型建模，从而制定抗滑性能状态评价参照标准，可以有效克服各传统评价方法忽视路表形貌特征、重复性差、试验效率低、受人为环境因素影响大等问题，普适性好、可以精确且客观反映路面真实的抗滑状态。
2、本发明可以在工程应用中对钢渣沥青混合料路面的抗滑性能进行快速评价，并给出针对性的抗滑性能修复或处理措施，实用性强。
3、本发明在建立模型是可以采用级配和集料不同的建模样本，从而提高模型的精度和适用性，提高评价精度。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为初步设定的SMA-13三种级配曲线图。
图3为断面轮廓均方根偏差Rq示意图。
图4为算术平均高度Sa示意图。
图5为波峰密度Spd示意图。
图6为摩擦系数衰变曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、获取钢渣沥青混合料路面的建模样本，采用室内加速加载磨耗仪在设定荷载下作用不同的次数进行磨耗，得到不同磨耗程度的建模样本；同时，记录建模样本在各个设定作用次数下的摩擦因数μ、宏观纹理参数和微观纹理参数，建模样本未磨耗前的摩擦因数为μ0。
步骤S2、根据记录的摩擦因数μ，宏观纹理参数和微观纹理参数，建立摩擦因数与宏观纹理、微观纹理之间的相关性模型，以及建立摩擦系数与荷载作用次数关联的摩擦系数衰变规律预测模型。
步骤S3、绘制摩擦系数衰变规律预测模型的相关曲线，根据曲线规律和行业规范要求选择临界值μa。
步骤S4、获取钢渣沥青混合料路面的待评价样本，测试其宏观纹理参数和微观纹理参数，代入相关性模型得到测试摩擦因数μce。
步骤S5、根据摩擦因数μce进行判断。当μce≥μ0时，待评价样本为路面抗滑状态优秀；当μ0>μce≥μa时，待评价样本为路面抗滑状态合格；当μce＜μa时，待评价样本为路面抗滑状态较差。
各个步骤的具体展开如下：
一、在步骤S1中首先获取钢渣沥青混合料路面的建模样本，建模样本为实验室内制做的、和路面相同级配和集料的试样，具体过程如下：
①选取经过3年以上陈化的钢渣，原渣经过鄂破、锤破及制砂机处理，钢渣规格为10-15mm及5-10mm，检测其作为集料的各项指标，须满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)中作为路面磨耗层粗集料的技术要求，如表1。
表1钢渣集料性能试验结果
测试指标 钢渣 技术要求 试验规程
表观相对密度 3.52 ≥2.6 T0304-2005
压碎值/％ 16.3 ≤26 T0316-2005
洛杉矶磨耗损失/％ 12.1 ＜28 T0317-2005
吸水率/％ 1.5 ≤2 T0307-2005
坚固性/％ 1.6 ＜12 T0314-2000
0.075mm以下含量/％ 0.70 ≤1.0 T0310-2005
磨光值 45 ≥36 T0321-2005
黏附等级 5 ≥4 T0326-2005
②设定SMA-13钢渣沥青混合料，用钢渣均代替同体积的碎石，调整合理的级配，如图2中经各技术指标对比后选用级配3，选用SBS改性沥青，采用6.2％的油石比，按照规范制备钢渣沥青混合料试件，试件形式为30cm×30cm×5cm规格的车辙板，制备得到三个平行试件。
二、在步骤S1中，采用实验室室内磨耗试验、三维形貌特征采集试验和动态摩擦系数实验记录建模样本在各个设定作用次数下的摩擦因数μ、宏观纹理参数和微观纹理参数，具体过程如下：
①在磨耗试验之前测定三个制成的平行试件的表面的宏观纹理、微观纹理和动态摩擦系数。测试过程为：
1)纹理采集：在磨耗试验之前，先采用激光扫描仪测试钢渣沥青混合料表面的宏观纹理、微观纹理。测量的波长范围为0.5mm～20mm的宏观纹理和0.001mm～0.5mm的微观纹理。宏观纹理采用为断面轮廓均方根偏差Rq，微观纹理选取微观算术平均高度Sa，波峰密度Spd和波峰平均曲率Spc：
如图3所示为断面轮廓均方根偏差Rq示意图；断面轮廓均方根偏差Rq指取样范围内表面形貌轮廓偏距的均方根值。Rq相当于数理统计中标准差的概念，反映了随机表面形貌轮廓幅值分布的标准差。轮廓均方根偏差Rq对轮廓幅值具有加权的效果，轮廓幅值越大对结果影响所占的权重就越大。该参数易于进行统计处理，且由于受划痕、污染、和测量噪声影响不显著，可以获得稳定的结果。
如图4所示为算术平均高度Sa示意图，能够体现采集到的数据在高度方向上偏离参照面的程度，即平均平面高度差的平均值，表示一个定义区域内绝对坐标Z(x,y)的算术平均值，Sa的大小代表了物体表面粗糙程度，值越大，说明表面越粗糙。
如图5所示为波峰密度Spd示意图，波峰密度Spd反映的是表面形貌中与物体接触点的密集程度，当Spd较大时，说明表面在与其他物体接触时，会有更多的接触点。
波峰平均曲率Spc，反映了表面上波峰顶点的主曲率的算术平均值，该参数由定义区域内的曲率的算术平均值得出，用于分析两个物体之间的接触状态。当Spc数值小时，表明接触点较圆润，当Spc数值大时，表明接触点较尖锐。
采用动态摩擦系数测试仪获取未磨耗前的路面摩擦系数μ0。动态摩擦系数测试原理与JTG 3450-2019公路路基路面现场测试规程T0968动态旋转式摩擦系数测试仪测试摩擦系数测量方法的原理相似，通过在转动过程中测量扭矩进而计算动摩擦力和动态摩擦系数，其磨耗前的各指标初始试验值见表2。
表2试验前纹理及摩擦因数初始值
Figure BDA0003655457870000051
②在规定的荷载条件下，用加速加载磨耗仪对试件进行磨耗，每磨耗至一定次数后，均采用三维激光表面纹理采集测试不同磨耗程度的断面轮廓均方根偏差Rq、微观算术平均高度Sa，波峰密度Spd，波峰平均曲率Spc，以及摩擦因数u值，并记录数据，如表3。磨耗次数序列依次设定为1万次、2万次、3万次、5万次、10万次、20万次、50万次、100万次。
表3不同轮载磨磨耗作用次数下纹理及摩擦因数值
Figure BDA0003655457870000061
三、在步骤S2中，通过多元线性回归分析，建立钢渣沥青混合料磨耗层摩擦因数u与宏观纹理和微观纹理各指标之间的相关性模型：
μ＝k1Rq+k2Sa+k3Spd+k4Spc+C
得到各系数k1、k2、k3、k4为和常数项C的值，分别为k1＝0.09266，k2＝0.0045，k3＝-0.00019，k4＝7.29954×10-6，C＝0.33821进而得到基于路面纹理的摩擦系数计算公式：
μ＝0.09266Rq+0.0045Sa-0.00019Spd+7.29954×10-6Spc+0.33821
其中，Rq、Sa、Spd、Spc均为三维激光扫描法测得的试验值。
通过表3中试验数据亦可得到摩擦系数与荷载作用次数(N)间的预测模型：
μ＝-0.01814ln(N)+0.58329
从而进一步绘制摩擦系数随荷载作用次数衰变特征曲线。
四、如图6所示，同时综合考虑衰变曲线变化特征和行业规范要求设立摩擦系数值临界线，本案例中设为0.46。根据曲线变化规律划分为三个不同阶段，即：阶段Ⅰ代表荷载作用前期，在1～2万次以内摩擦系数有一个短暂的上升；阶段Ⅱ代表经荷载磨耗作用次数的累积在1000万次以内，摩擦系数逐渐下降的的过程，这个阶段较为漫长，摩擦系数一般处于临界线以上，路面抗滑性能处于合格和优良的状态；阶段Ⅲ代表随着荷载作用次数的持续增加，超过1000万次，摩擦系数下降到临界线以下，并保持相对稳定的状态，这个阶段的路面抗滑性能较差，需要采取及时的工程处理措施。各阶段对应的路面抗滑性能状态评价标准如表4所示。
表4路面抗滑性能状态评价标准参照表
Figure BDA0003655457870000062
Figure BDA0003655457870000071
因此，抗滑状态评价时，首先通过采集待评价样本计算得到确定的摩擦系数值，再根据图6追溯路面经历的累积轴载作用次数，就可以进一步判断钢渣沥青路面所处抗滑性能状态和服役寿命阶段。
五、实体工程中的检测与评价
利用已建立的抗滑性能评价公式，应用到实际工程，获取不同状态或不同运营时间的路面，采集其路表形貌特征和数据，基于已建立的评价公式，计算得到摩擦因数u，进而分析钢渣沥青混合料路面磨耗层摩擦因数衰变的特征，快速评估抗滑性能所处事实状态，为采取积极有效的工程措施提供依据。
综上，本方法借助三维激光扫描技术，采集路表宏观和微观纹理数据，求得与摩擦系数间的相关性，建立基于形貌纹理变量的摩擦系数计算公式和基于累积加载次数的摩擦系数衰变模型，制定抗滑性能状态评价参照标准，具有测量速度快、信息量全、直观形象、精确地反映表面三维形貌信息的优点。
以此建立的基于纹理指标的抗滑评价方法，有望克服传统各评价方法忽视路表形貌特征、重复性差、试验效率低、受人为环境因素影响大、普适性较差、不能客观反映路面真实的抗滑状态等问题。
本发明建立基于形貌纹理变量的摩擦系数计算公式和基于累积加载次数的摩擦系数衰变模型，制定抗滑性能状态评价参照标准，进而通过工程应用实现对钢渣沥青路面抗滑性能的快速评价，并给出针对性的抗滑性能修复或处理措施。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，其特征在于，包括：
S1、获取钢渣沥青混合料路面的建模样本，采用室内加速加载磨耗仪在设定荷载下作用不同的次数进行磨耗，得到不同磨耗程度的建模样本；同时，记录建模样本在各个设定作用次数下的摩擦因数μ、宏观纹理参数和微观纹理参数，建模样本未磨耗前的摩擦因数为μ0；
S2、根据记录的摩擦因数μ，宏观纹理参数和微观纹理参数，建立摩擦因数与宏观纹理、微观纹理之间的相关性模型，以及建立摩擦系数与荷载作用次数关联的摩擦系数衰变规律预测模型；
S3、绘制摩擦系数衰变规律预测模型的相关曲线，根据曲线规律选择临界值μa；
S4、获取钢渣沥青混合料路面的待评价样本，测试其宏观纹理参数和微观纹理参数，代入相关性模型得到测试摩擦因数μce；
S5、根据摩擦因数μce进行判断：当μce≥μ0时，待评价样本为路面抗滑状态优秀；当μ0>μce≥μa时，待评价样本为路面抗滑状态合格；当μce＜μa时，待评价样本为路面抗滑状态较差。
2.根据权利要求1所述的一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，其特征在于，所述宏观纹理参数包括断面轮廓均方根偏差Rq，所述微观纹理参数包括微观算术平均高度Sa、波峰密度Spd和波峰平均曲率Spc。
3.根据权利要求2所述的一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，其特征在于，所述相关性模型的表达式为：
μ＝k1Rq+k2Sa+k3Spd+k4Spc+C
式中，k1、k2、k3、k4为试验数据回归分析得到的系数，C为常数项。
4.根据权利要求1所述的一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，其特征在于，所述摩擦系数衰变规律预测模型的表达式为：
μ＝a ln(N)+b
式中，μ为摩擦系数，a为试验数据回归分析得到的系数，b为常数项，N为累积的作用次数。
5.根据权利要求1所述的一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，其特征在于，所述建模样本为实验室内制做的、和路面相同级配和集料的试样。
6.根据权利要求1所述的一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，其特征在于，建模样本的数量至少为三个。
7.根据权利要求1所述的一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，其特征在于，所述相关性模型和摩擦系数衰变规律预测模型均采用多元线性回归分析建模。
8.根据权利要求7所述的一种钢渣沥青混合料路面磨耗层抗滑性能评价方法，其特征在于，选择级配和集料不同的建模样本重复进行步骤S1～S3，提高摩擦因数与宏观纹理、微观纹理之间的相关性模型，以及摩擦系数衰变规律预测模型的回归精度。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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