基于分形理论的沥青混合料抗滑耐久性评价研究

沥青混合料的设计过程均考虑到高温,低温,水损等的影响,并在设计过程中进行了相关实验来保证混合料的设计质量,但是在国内外沥青混合料设计中,并没有表征其抗滑耐久性的指标,为解决此问题,引入分形维数作为沥青混合料的抗滑耐久性评价指标。研究过程采用快速,简便的室内搓揉试验对车辙板进行不同时间段的搓揉,室内模拟路面抗滑衰减,用工业CT机扫描出试件断面高精度图像,photoshop技术提取断面轮廓曲线,并且对轮廓曲线采用分形理论进行分析和评价,编写MATLAB程序计算试件断面轮廓曲线的分形维数,最后对分形维数进行曲线拟合得出沥青混合料抗滑衰减规律的结论。为进一步证实用分形维数来表征沥青混合料抗滑衰减的准确合理性,测量不同搓揉阶段的车辙板的构造深度(MTD)和摆值(BPN),最终可知随着车辙板搓揉时间的不断变大,MTD,BPN,分形维数,三者均呈现不断递减的趋势,即对比验证合理可靠。因此,断面构造的分形维数能够很好的评价沥青混合料的抗滑耐久性及其衰减规律。     

采用最大峰值角分布率评价沥青混合料的抗滑耐久性

为了评价沥青路面的抗滑耐久性,自主研发了两套实验设备:其一:沥青路面激光轮廓检测仪,其二:加速加载搓揉试验机。结合这两套实验设备,采集0,2,4,6,8 h搓揉试验的车辙板表面轮廓并生成轮廓曲线,统计路表轮廓夹角分布规律,提出最大峰值角分布率来表征沥青路面的抗滑耐久性。结果表明,随着搓揉时间的增加,钝角变多,即最大峰值角分布率逐渐增大,这说明路表轮廓棱角变平,抗滑性能下降,GAC-13车辙板的抗滑性能衰减程度低于AC-13,并且GAC-13车辙板的初始及最终抗滑性能均优于AC-13。并将最大峰值角分布率与构造深度(MTD)及摆值(BPN)做相关性分析,结果显示相关性显著,因此取最大峰值角分布率来表征路面抗滑耐久性是合理准确的。在室内结合加速加载搓揉试验机,激光轮廓检测仪,形成一套采用最大峰值角分布率来评价沥青混合料的抗滑耐久性的方法,弥补现阶段沥青混合料设计阶段没有验证其抗滑耐久性的缺陷。     

路面人造纹理定向设计及其抗滑性能研究

【目的】研究路面表面人造纹理与抗滑性能之间的关系。【方法】利用3D打印技术定向设计并制备不同形状的人造纹理试件（包含三角形纹理、矩形纹理和半圆形纹理3种形状和纹理高度为1、2、3、4、5 mm的5种纹理）,并以4 mm高的三角形纹理设置了一组磨耗纹理试件,采用摆式摩擦试验、构造深度试验以及提取纹理顶部接触区域对各个试件的抗滑性能进行评价。【结果】2 mm高的三角形纹理和3 mm高的矩形纹理的抗滑性能最好,摆值均可达到107。在构造深度和摆值两个方面,三角形纹理和矩形纹理的抗滑性能相近,且均明显大于半圆形纹理的抗滑性能。随着磨损率的增大,摩擦接触面积增大,但纹理表面粗糙程度降低,导致抗滑性能逐渐衰减。【结论】纹理的抗滑性能主要取决于纹理的粗糙程度,而接触面积的影响相对较小。本文提供了一种定向纹理设计方法,为深入理解路面表面纹理与抗滑性能之间的关系提供借鉴与指导。     

基于激光和真空镀膜技术的集料细观构造评价

鉴于集料细观构造对沥青路面抗滑性能有着至关重要的影响,选取了4种不同材质的石料,借助自行研发的高精度激光细观构造仪来评价集料表面构造的细观特性,并采用分形理论中的计盒维数法对测量获得的集料纹理曲线进行量化评价.为了消除集料岩性、表观色泽及微观晶体组成等因素的影响,提高分形维数试验的测量精度,提出并实施了真空镀膜技术.结果表明,采用计盒维数法可以较好地描述不同集料细观构造的差异,利用真空镀膜技术可以显著提高试验结果的测量精度.     

基于区域三维纹理特征的路面抗滑性能评估

为实现路面抗滑性能非接触式测量,提出应用新型区域三维纹理特征来表征沥青路面形貌构造并评估路面抗滑性能.使用便携式高分辨率三维激光扫描仪采集不同类型沥青路面纹理数据,同时使用动态摩擦系数测试仪采集其路面抗滑性能数据,并分别使用70和15 km/h时的动态摩擦系数值代表高速与低速状态下的路面抗滑性能.通过相关性分析和多元线性回归,发现路面抗滑性能与多个区域三维纹理特征参数的共同作用有关.建立前馈神经网络预测模型,使用多个区域三维纹理特征参数预测高速与低速状态下的路面抗滑性能.结果表明,区域三维纹理特征参数对动态摩擦系数测试仪在70 km/h时测得的路面抗滑性能预测能力为77%,对15 km/h时测得的路面抗滑性能预测能力为69%,证实了区域三维纹理特征参数与路面抗滑性能之间存在非线性联系.     

沥青路面表面纹理的多重分形特征及其磨光行为

为揭示沥青路面表面纹理分布特征及其磨光行为,引入多重分形理论,验证了沥青路面表面纹理三维形貌分布的多重分形特性.然后,模拟了AC-13型石灰岩混合料在转速0~1×105低速荷载下表面纹理的磨光过程,分析了磨光区域表面纹理的多重分形谱参数变化情况,量化了表面纹理磨光前后的整体与局部特征变化.结果表明,沥青路面表面三维形貌具有多重分形特性,多重分形谱宽Δα反映了表面相对粗糙的整体特征,分形谱左右两侧高差Δf反映了陡峭区域占优程度.随磨光转数的增加,分形维数D变化较小,谱宽Δα则呈现出较为明显的衰减,表面平坦区域占优程度逐渐趋于稳定.因此,多重分形特征参数为描述路面表面纹理的磨光行为提供了新思路.     

探究沥青路面抗滑性能测定评价方法

通过沥青混合料配合比优化和调整沥青路面结构层形式,提高粗集料用量(大粒径),使沥青混凝土形成嵌挤型结构,增大抗滑构造深度,以提高沥青混凝土抗车辙能力和抗滑性能。     

基于高精度激光断面高程的沥青路面MTD测量

为实现沥青路面构造深度非接触式自动测量,借助三维激光技术提出了一种基于断面高程的沥青路面构造深度测量方法.采用高精度三维激光扫描仪,采集不同级配沥青路面纹理高程数据,通过数字图像处理技术和平均曲率流光顺算法,提取并处理路面断面高程轮廓.结合蒙特卡洛期望法估算断面构造深度,实现平均构造深度测量,利用铺砂法进行对比验证,并与摆式摩擦仪测量结果进行相关性分析.试验结果表明,针对不同级配沥青路面,采用所提方法与铺砂法测量的MTD值的相对误差均小于等于6.63%,与抗滑值的相关系数高达0.97.     

路面构造对环氧覆层路用性能的影响规律研究

制备具有不同表面构造深度的车辙板试件和不同刻槽处理的水泥板,并铺筑环氧覆层,通过复合板的室内拉拔试验以及加速加载磨耗试验,研究原表面构造状况对环氧覆层的路用性能的影响规律,建立环氧覆层黏结强度和磨耗值与路面构造深度的关系模型,确定了从环氧覆层黏结性能和抗磨耗性能角度出发的最佳路面构造范围.     

路表纹理包络轮廓计算及其对抗滑性能的影响

为了分析轮胎与路表的接触特性及其对路面抗滑性能的影响,采用路面纹理测量车(road surface tester)获取路表纹理二维轮廓离散数据,运用印痕法模型,利用MATLAB软件计算路表纹理包络轮廓,进一步计算了包络轮廓对应的平均断面深度(mean profile depth,MPD)、宏观纹理表面构造水平指数L_(Ma)(macro texture indices calculated with texture level)、粗大纹理表面构造水平指数L_(Me)(mega texture indices calculated with texture level)等纹理指标,并与初始轮廓纹理指标进行对比;最后计算包络轮廓、初始轮廓纹理参数MPD、L_(Ma)与路面摩擦因数(longitudinal frictional coefficient,LFC)的相关性系数,分析了路表纹理包络轮廓对路面抗滑性能的影响。研究结果表明:包络轮廓纹理参数与初始轮廓纹理参数相关性良好(判定系数R~20.85);包络轮廓MPD值较初始轮廓MPD值有明显下降,且初始轮廓MPD值越大,包络轮廓MPD值下降幅度也越大;包络轮廓表面构造水平指数较初始轮廓表面构造水平指数下降,L_(Ma)的下降幅度比L_(Me)的下降幅度高10%左右;印痕法参数S取值对包络轮廓纹理参数有较大影响,S值越小,其对应的包络轮廓纹理参数值较初始轮廓纹理参数值下降的幅度越大;此外,包络轮廓纹理参数与摩擦因数的判定系数较初始轮廓纹理参数与摩擦因数的判定系数有较大提升,其中MPD与摩擦因数的判定系数提高了约35%,L_(Ma)与摩擦因数的判定系数提高了约23%;印痕法参数S值越小,包络纹理参数与摩擦因数的判定系数越高。该结果可为研究胎-路接触特性对路用性能的影响提供参考。     

基于双侧窄角域摄影的沥青路表三维重构及构造特征分析

为满足无人驾驶车辆快速获取路表构造的需求,建立了基于双侧窄角域摄影的沥青路表三维重构方法.对室内压实混合料和室外路面进行表面三维重构,将平均构造深度计算值与铺砂法、环绕摄影的构造深度值进行比较,验证所建重构方法的正确性.建立了构造标准差、单位面积上峰数、峰高标准差等构造评价新指标,并应用于AC-13、SMA-13和OGFC-13构造分析中.结果表明:双侧窄角域摄影重构方法能快速获取路表的三维点云,重建三维构造;基于该方法的构造深度计算值与铺砂法实测、环绕摄影重构的构造深度值相当,适用于室内压实混合料和室外实际路面;所建立的构造评价指标能从构造分布特征、胎/路接触应力集中度等角度为无人驾驶车辆提供完整的路表构造信息.     

沥青混凝土表面抗滑与渗水性能的试验研究

通过大量室内试验研究了矿料级配、沥青用量、粗集料磨耗值等因素对沥青混凝土表面抗滑及渗水性能的影响。进行了不同级配、不同沥青用量、不同粗集料的沥青混凝土的表面构造深度、摆值和渗水系数的室内试验。分析了沥青混凝土的表面抗滑与渗水性能的影响因素,并找出了抗滑性能与渗水性的关系,提出了沥青混合料设计的基本要求。研究表明,选择质地坚硬、磨耗值小的粗集料配置的沥青混合料,可以提高沥青混合料的表面抗滑性能;综合考虑沥青混合料的耐久性和表面抗滑性能,选择合理的沥青用量。     

多孔水泥混凝土路面的分形特征与构造参数

提出了多孔水泥混凝土路面断面轮廓线是分形曲线,其分数维充分反映了路面宏观、微观构造和分布密度信息.应用分形插值法拟合路面断面轮廓线,通过分数维在路面构造参数与抗滑、降噪性能之间的桥梁作用,分析了多孔水泥混凝土表面构造参数对路面抗滑及降噪效果的影响.为优化多孔混凝土表面构造,设计和制备路用多孔混凝土,铺筑抗滑、低噪音的多孔水泥混凝土路面奠定基础.     

机场沥青道面表面性能评价及雾封层使用效果

为了对机场沥青道面表面性能进行评价,并研究雾封层技术实际使用效果,以西双版纳机场联络道为例,首先通过密度及渗水试验研究其表面泛白机理,然后对施工雷诺锋雾封层材料前后的抗滑摆值、构造深度和渗水系数进行检测分析,并对其表干性能进行评价。研究结果表明,道面结构渗水造成集料中碱性物质溶解析出是造成泛白现象的主要原因;原道面抗滑性能良好,但大部分区域已出现渗水现象,尤其离析带上最为明显;距中心标线3m处的轮迹带抗滑摆值和构造深度均较低,进行道面抗滑性能评价时应重点关注;雷诺锋雾封层材料具有良好的表干性能,且能有效改善道面抗渗性能,对抗滑影响则较小。     

沥青路面的线激光测量方法及构造深度

路面构造的测量方法一直是路面抗滑性能研究的重点话题,为了弥补传统路面构造测量技术的精度不高、效率低下且测量范围代表性不足的缺陷,基于非接触式激光三角测距法原理,自主研发了一套超高速线激光测试系统。利用线性插值与空间拟合平面法对采集数据进行处理,有效重构了路面构造的三维形貌。基于传统铺砂法平均构造深度指标(MTD)和平均断面深度(MPD)测量原理,提出三维曲面构造深度计算方法,以改善人工铺砂法测量构造深度的主观性。最后通过几何学方法对比,验证了该计算方法的可靠性。试验结果表明基于面域扫描技术的线激光系统能够大幅度提高沥青路面构造的扫描效率与测量范围,测量数据三维直观,具有很高的应用价值。     

DXG-1抗车辙剂沥青混合料路用性能研究

车辙的出现会严重影响行车安全,同时会缩减沥青路面的使用年限,增加后期的养护成本.改善沥青路面高温抗车辙能力以减缓车辙病害的形成是交通行业研究的重要方向.通过室内试验开展新型抗车辙DXG-1沥青路面路用性能研究,确定DXG-1的最佳掺量,同时进行SBS改性与掺DXG-1两种沥青混合料的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害及抗滑能力等性能对比分析.研究表明:普通混合料高温稳定性逐渐增强;SBS改性混合料低温抗开裂及抗滑能力优于掺抗车辙剂的普通混合料;当DXG-1掺量为0.4%时,普通混合料与SBS改性混合料抗水损害能力相当.     

采用表面分形维数评价Ni-P化学镀层的耐蚀性

采用化学镀Ni-P镀层改善RB400钢的耐蚀性,并对镀层进行不同温度的热处理。通过Matlab计算其分形维数,并研究其表面分形维数与耐蚀性的对应关系。结果表明:随着Ni-P合金层热处理温度的升高,分形维数先增大后减小,350℃热处理镀层的表面分形维数最大。而镀层的耐蚀性能在400℃较好,分形维数的变化与镀层的耐蚀性能呈现一定的正相关关系,通过镀层表面形貌分形维数的变化可以较好地预测其耐蚀性。     

基于轮胎滑水模型的轮胎-沥青路面附着特性影响因素分析

为研究轮胎与沥青路面之间的附着特性,基于耦合欧拉-拉格朗日法(CEL法)建立充气花纹轮胎滑水有限元模型,验证了滑水模型适用性,计算出AC,SMA及OGFC三种沥青路面附着系数曲线.基于轮胎-路面附着特性理论,分析了制动防抱死系统(ABS)状态和潮湿条件下轮胎-路面附着特性影响因素.研究发现:胎路附着特性与轮胎运动状态有关,随滑移率增大轮胎受到的纵向附着系数先上升后下降,滑移率为15%左右时附着系数达到最大;在水膜厚度较小、轮胎压力较高时增大表面宏观纹理可提高路面抗滑性;平均断面深度(MPD)一定时,干燥路面较潮湿状态体现出更高的附着性能;相同水膜厚度时,附着系数随车速增加而不断减小,OGFC路面比AC路面和SMA路面具有更好的抗滑性能.     

湿度-尾气共同作用对沥青混合料抗滑性能的影响

基于尾气排放在隧道沥青路面表面形成油膜进而导致路面抗滑性能快速衰减的工程背景,探究了湿度-尾气共同作用下沥青混合料抗滑性能的衰减规律及尾气油膜的形成机理。采用恒温恒湿养护箱及自制尾气处理系统对三种沥青混合料车辙板试件进行了不同湿度-尾气组合作用的模拟,并测试试件摆值用于表征试件的抗滑性能。除此之外,对有水（无水）尾气-沥青界面进行了分子动力学模拟,用以探究尾气油膜形成的微观机理。结果表明,在相对干燥和完全潮湿条件下,随着尾气处理时间的增长三种沥青混合料试件摆值呈现线性下降趋势,完全潮湿条件下尾气处理1h后OGFC混合料抗滑性能衰减幅度较其余两种混合料低近30%,OGFC混合料具有优异的抗滑性,并且在湿度-尾气共同作用下还具有良好的抗滑耐久性。尾气油膜导致的沥青混合料抗滑性能衰减难以自然消散且具有累积效应,是导致沥青混合料抗滑性能快速衰减的主要原因。尾气油膜主要形成在尾气排放后冷却的过程中,水分子主要存在于尾气分子附近0～5?范围内填充尾气分子间空隙,其自身较强的极性能够吸引尾气分子并有助于尾气在沥青分子表面的吸附。     

MB模型的修正及应用

由于MB模型存在3个缺陷,工程上会引入无法接受的误差.本文修正了MB模型的后两个缺陷.针对第2个缺陷,提出了实际临界接触面积、最小有效分形维数、量纲一的最大有效分形粗糙度参数、最小有效材料特性等术语.根据MB模型和提出的计算术语,对两弹塑性接触粗糙表面的接触行为及界面的静摩擦因数进行了研究.研究结果表明：界面的静摩擦因数首先随分形维数的增加而增加,然后随分形维数的增加而减小;界面的静摩擦因数随分形粗糙度参数的增加而减小,但随材料特性的增加而增加,也随总法向载荷的增加而增加;当分形维数较小或分形粗糙度参数较大或材料特性较小时,静摩擦因数-量纲一的总法向载荷曲线为凸弧.