沥青路面表面纹理磨耗特性及其对噪声的影响研究

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沥青路面在使用过程中,受交通荷载作用导致路面表面纹理的磨耗,并由此影响路面噪声的变化。目前主要通过现场跟踪观测同一路段的路面纹理和噪声,分析二者的相关性,但该方法实施困难,且不易获取观测路段的完整路面材料信息。现有的室内加速磨耗设备在滑移率、磨耗方向、试件尺寸等方面有所不足,实现路面表面纹理和噪声同步采集存在很大困难。本文针对沥青路面表面纹理磨耗特性及其对噪声影响的研究需求和所存在的这些不足,试图在沥青路面室内磨耗测试设备、表面纹理与磨耗特性表征及其影响因素、室内路面噪声测试方法优化、纹理衰减与噪声相关性分析方面进行深入研究,为沥青路面噪声演变规律的室内研究奠定基础。本文研发了更为合理的室内磨耗设备,构建了表面纹理磨耗特性评价指标体系,分析了关键材料参数对表面纹理磨耗特性的影响,在优化轮胎滚动下滑装置(Rolling-Tire-down Tester,RTT)及试验方法基础上,揭示了路面噪声受纹理磨耗影响的规律,并从路面表面纹理角度深入分析了RTT法路面噪声演变的原因。首先,论文在分析总结国内外加速磨耗设备特点及存在问题的基础之上,研发了具有单向磨耗和滑移功能的多参数加速磨耗设备(Multivariable Accelerated Abrasion Machine,简称MAAM),确定了磨耗轮的设计参数、行驶速度、接地压强和滑移率等关键参数,分析了金刚砂磨料、测点位置和滑移率对磨耗效果的影响,并基于不同磨耗次数下平均断面深度(Mean Profile Depth,MPD)的显著性分析,确定了磨耗终止次数。通过设备不断改进与试验合理性分析,提出了MAAM标准试验条件,即磨耗轮行驶速度为单向磨耗12.5次/min、接地压强为0.7MPa、滑移率为15%、磨耗终止次数为24000次,基准测点为磨耗中心区域测点5,并可间隔撒布金刚砂磨料100g/1000次磨耗以便加速磨耗进程。论文对激光纹理扫描仪(Laser Texture Scanner,简称LTS)的关键测试参数、断面高程数据采集、基于Matlab编程的坏点、倾斜度和偏置误差处理方法等进行了分析研究,计算了宏观纹理、微观纹理、纹理正负和纹理频谱等路面表面纹理评价指标,并结合各项纹理指标在磨耗过程中的演变规律,经优选提出采用MPD、微观纹理水平LTX,0.06→0.5以及特征波水平LTX,ch和特征波长Wmax作为纹理磨耗特性的评价指标。论文以AC和SMA路面作为研究对象,选取级配粗细程度、公称最大粒径、集料岩石类型以及油石比作为沥青混合料的关键材料参数,在分析这些参数对沥青路面初始纹理特征的影响基础上,从宏观纹理、微观纹理以及纹理频谱等角度出发,分析了关键材料参数对沥青路面表面纹理演变规律的影响,并根据灰关联熵分析结果,建立了关键材料参数与纹理指标衰减率的多元线性回归方程,提出将MPD衰减率作为路面表面纹理抗磨耗性能的判定指标,并建立了该指标与公称最大粒径、集料洛杉矶磨耗值以及关键筛孔通过率的三元线性回归模型。论文在分析已有轮胎滚动下滑设备及测试方法存在问题的基础上,对第三代RTT测试系统及测试方法进行了深入研究。在分析轮胎/路面交互作用时程数据截取方式对噪声的影响规律过程中,采用高速摄像机和重力传感器对轮胎与路面板交互作用进行了精确识别,确定了RTT法噪声室内测试的关键控制参数:交互作用的截取时长为28ms,起始点位于全过程时程数据拐点前1ms,采样频率为36571Hz,截取数据为1024个,声压传感器采用两侧放置法。通过室内、外噪声测试对比分析表明,优化RTT法测得的声压级与50km/h测速时随车声强(On-Board Sound Intensity,OBSI)法接近,噪声频谱整体位于测速为4050km/h时OBSI法噪声频谱之间。最后,论文分析了典型结构形式AC和SMA路面总声压级随纹理指标MPD、LTX,0.06→0.5、g和LTX,ch磨耗的演变规律,发现单个纹理指标和总声压级无法全面揭示纹理与噪声之间的关联,提出了路面纹理频谱与噪声频谱的分段阈值,分析了纹理分段频谱和噪声分段频谱随磨耗作用的演变规律及相关性,揭示了RTT法路面噪声演变的主要原因,即短波长纹理水平LTX,0.5→8衰减导致高频噪声SPL1600→5000显著增大。由OBSI法现场噪声测试结果表明,SPL1600→5000是路面噪声随速度增长的主要成分。
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