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《重庆交通大学》 2014年
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基于轮胎—路面耦合的干法CRM抗滑面层研究

余苗  
【摘要】:高速公路进入山区后会存在较多长大下坡路段,车辆行驶于此类路段时,受到自身重力分量在前进方向的加速作用,往往车速增加较快,制动时间和制动距离也随之延长。然而车辆在长时间的制动状态下,容易发生制动失效,继而引发侧翻、追尾甚至连环相撞等严重事故。当车辆一定时,在车—胎—路耦合系统中,车辆能获得的最强制动效果主要取决于路面能够提供给轮胎的最大制动力。传统的高等级道路一般基于路表微观构造粗糙、骨料耐磨的理念进行面层抗滑设计,并不考虑路面变形与轮胎之间的摩擦接触对轮胎的制动作用。事实上,适当降低路面刚度,提高路面材料弹性,可以改善轮胎与路面之间的附着效果,起到增大路面制动力的目的。针对这一系列问题,本论文采用在沥青混合料中添加废旧轮胎胶粉的方式,开发出干法CRM(crumb rubber modified的简称,下同)抗滑面层沥青混合料,将这种材料应用于高速公路长大下坡路段,可以提高路面材料的弹性以及协同变形的能力,增大轮胎与路面之间的直接接触面积,增强轮胎与路面之间的附着效果,从而实现车辆在长大下坡路段行驶过程中的快速制动。论文首先提出了适用于干法CRM抗滑面层混合料的橡胶颗粒质量控制指标和密度测试方法,完成了用于抗滑面层配合比研究的骨架嵌挤密实型级配设计。通过粗集料逐级捣实和细集料逐级振实的方法,以骨架间隙率最小为评价依据,结合 CAVF(Coarse Aggragate Void Filling Method 的简称,下同)主骨料填充法,设计出了骨架嵌挤密实型SIDG(Skeleton Interlocking Dense Gradation的简称,下同)级配,用于干法CRM抗滑面层沥青混合料的设计。论文完成了干法CRM抗滑面层的压实成型工艺的单因素研究,提出了 CRM抗滑面层沥青混合料的配合比设计方法,通过正交试验得出了 CRM抗滑面层沥青混合料的优化压实成型工艺,给出了保持CRM抗滑面层体积稳定性的胶粉掺量,比较得出了适用于CRM抗滑面层的高度膨胀率计算方法,最后得到了干法CRM抗滑面层的优化配方。1)首先通过CRM抗滑面层混合料的成型次数、成型温度、胶粉内掺和外掺方式、胶粉等质量和等体积替换集料、胶粉粒径,胶粉替换的集料粒径以及不同压实设备对抗滑面层压实效果的对比,提出了系统的干法CRM抗滑面层沥青混合料的配合比设计方法;2)通过正交试验,得出CRM抗滑面层的最佳成型工艺为:橡胶掺量:不大于矿料毛体积的5.5%;振动频率:28.7Hz;振动时间:90s;振动温度:180~175℃。马歇尔试件压实温度:140℃+90℃。基于以上研究,提出了干法CRM抗滑面层沥青混合料的压实成型工艺:a.将胶粉加入到集料中干拌30s;b.将沥青加入矿料中,拌合90s;c.将纤维加入到混合料中,拌合90s;d.将矿粉加入到混合料中,拌合90s;e.将混合料在28Hz,170℃的温度下振动90s;f.将试件在140℃,用大型马歇尔击实仪击实。3)进行CRM抗滑面层马歇尔试件的高度膨胀率对比,发现当胶粉掺量超过8.0%后,试件膨胀率增长较快,并且水损害风险也相应增加;在此基础上提出以5.5%作为保持CRM抗滑面层压实稳定性胶粉最佳掺量,并给出了合理的抗滑面层膨胀率计算公式。4)通过正交试验,提出了干法CRM抗滑面层沥青混合料的优化配方:级配:骨架嵌挤密实型级配(推荐SIDG级配,SMA亦可);胶粉中粗橡胶颗粒含量:50%;油石比增加百分比:0.3%;橡胶溶胀抑制剂含量:0.5%;臭氧氧化时间:15min。以上研究系统提出了 CRM抗滑面层的级配设计、压实成型工艺、配合比设计以及配方设计方法,可为相似类型路面材料的研发及制备提供参考。论文完成了 CRM抗滑面层的高温、低温、水稳定性以及动态性能的研究;按照我国现行沥青路面结构设计方法,测试了抗滑面层混合料的单轴抗压回弹模量,用于路面三维建模的材料特性参数输入。研究可得:1)适量胶粉的掺入可以明显改善CRM抗滑面层的高温性能。当胶粉掺量由0%增加到3%时,混合料高温性能改善最为显著。但是当胶粉掺量超过5.5%时,混合料高温性能开始下降;2)适当增加油石比可以改善CRM抗滑面层的低温以及水稳性能;3)加入少量胶粉,可以增强CRM混合料的弹性恢复能力以及抵抗永久变形的能力;随着胶粉掺量的增加,混合料弹性增强,可恢复变形增大,弹性恢复时间缩短。4)随着胶粉比例的增加,混合料表面抗滑摆值随之增大,并且延缓了路表摩擦系数的衰减。以上研究表明,胶粉掺量不超过5.5%时,CRM抗滑面层路用性能良好;胶粉少量添加时可以显著提高抗滑面层的高温性能;胶粉掺量较大时可以明显改善路面弹性。论文建立了纵向刻槽轮胎—CRM抗滑路面的摩擦接触三维模型,以胎路接触面积、路面制动力以及路面制动力系数为主要评价指标,分别在隐式分析和显式分析中完成了不同胶粉含量的CRM抗滑路面对轮胎的制动作用分析。1)首先通过在CAD中绘制轮胎二维截面后再导入ABAQUS中划分网格和充气,在此基础上通过对称模型生成的方法完成了充气纵向刻槽轮胎的三维建模;2)依据路面动力学基本理论,参照现行《公路沥青路面设计规范》,将CRM抗滑面层单轴抗压回弹模量实测数据及其他材料特性参数代入ABAQUS的路面建模参数中,建立了 CRM抗滑面层的道路三维模型,并通过位移接触控制到荷载接触控制的转换,完成了轮胎——CRM抗滑道路模型的组合装配。3)进行了不同上部荷载、不同胎压以及不同滑移率条件下的轮胎—CRM抗滑路面摩擦接触分析。发现随着胶粉掺量的逐渐增大,轮胎在CRM抗滑路面上的接地压强分布更为均匀;在外部荷载相同时,胶粉掺量高的路面对轮胎的制动效果最为显著;当胎压较低时,轮胎滚动阻碍主要取决于自身特性;在滑移率相同时,5.5%胶粉含量的CRM抗滑路面提供的制动力系数最大。4)采用对轮胎中心施加水平拉力以及反向弯矩的方式,实现了显式分析中对滚动轮胎在下坡路段时长0.1s的高速制动过程工况仿真。在0.1s末时,与普通路面相比,5.5%胶粉含量的CRM抗滑路面瞬时速度降低了 0.60%,运行距离缩短了 0.55%。通过以上对轮胎—CRM抗滑路面的摩擦接触仿真分析可知,弹性较强的CRM抗滑路面对滚动轮胎具有较为明显的制动作用,可以提供更大的路面制动力以及制动力系数,从而有效降低轮胎制动速度,缩短制动距离。论文进行了干法CRM抗滑面层的应用研究,修筑了干法CRM抗滑路面实体工程,按照前期室内研究所得干法CRM抗滑面层混合料的配合比设计方法以及压实成型工艺,完成了实体工程的配合比设计;确定了完整的干法CRM抗滑面层施工工艺;分别在试验路以及相邻SMA对比路段上,进行了相同M3型客车发动机脱开的0型制动距离现场测试。实测得到车辆在实体路段上的制动时间以及制动距离分别为2.50s和22.60m,比相邻SMA对比路段的制动时间减少0.17s,制动距离缩短0.93m,充分发出的平均减速度MFDD和平均减速度分别增大了3.5%和4.2%。由此可知:胶粉的掺入提高了路面弹性,增强了轮胎在路面上的附着作用,增大了路面对轮胎的制动力系数,缩短了制动时间和制动距离。实体工程的MFDD以及平均减速度分别为6.59 m/s2以及6.14 m/s2,与轮胎——路面摩擦接触瞬态显式分析中所得轮胎在5.5%胶粉含量的CRM抗滑路面上的制动减速度值接近,并且结论相同,即胶粉掺量较高的CRM抗滑路面对车辆具有较为明显的制动减速作用,从而可以减少车辆制动时间,缩短制动距离,减小由于制动时间过长而引起的各类重大交通事故发生概率。通过以上研究工作,本论文在前期试验研究的基础上,从理论建模与实体工程测试两方面实现了 CRM抗滑面层在高速公路长大下坡路段对车辆制动效果的有效性与可行性的共同论证。
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