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原文传递冰雪路面抗滑行为分析及预测研究

论文题名：	冰雪路面抗滑行为分析及预测研究
关键词：	沥青混合料;路面凝冰;路面形貌评价;抗滑性能
摘要：	我国国土幅员辽阔，气象条件十分复杂，冰冻地区占我国国土面积的75%，冬季及初春时节道路冰雪灾害持续时间长、影响范围广、危害程度深，严重危害了人民生命和财产安全。冰作为地球上摩擦力最小的物质之一，其物理及力学性能复杂多变，极易受周围环境影响，因此，在摩擦系统中引入冰或雪介质显著改变了摩擦副相互作用机制，这大大的增加了冰雪路面抗滑性能研究的复杂程度。传统路面抗滑性能评价手段及研究方法难以获取胎-冰-路三相接触状态，无法从机理上解释含冰沥青路面抗滑性能失效机理；另一方面，由于缺少冰雪路面抗滑性能长期监测数据支持，在一定程度上制约了冰雪路面抗滑模型的发展。　　针对上述问题，本文以沥青混合料表面纹理冰膜填充体系为研究对象，采用多尺度研究方法，开展了沥青混合料表面全寿命形貌特征研究；结合室内模拟凝冰试验及仿真分析的方法探讨了冰雪路面形貌特征的演变规律；开发了针对于冰雪路面抗滑性能监测的测试平台，分析了含冰路面抗滑行为特性；在此基础上，考虑了融化水膜对胎-冰-路三相接触体系的影响，开展了冰雪道路抗滑性能预测模型的研究，从而为科学合理地评价冰雪路面抗滑性能提供依据。主要研究内容及成果概括如下：　　基于工业CT获取沥青混合料三维结构特征点，通过图像形态学处理和进化匹配算法实现沥青混合料表面形貌提取；通过加速磨光磨耗试验模拟了轮胎荷载对沥青路面的长期磨耗作用，结合数字图像分析了沥青路面全寿命形貌演变趋势，并构建了沥青路面全寿命表面形貌数据集；通过对比不同磨耗阶段沥青路面形貌功率谱密度，提出基于频谱分形法的分段评价方法；结合频谱分形参数及统计几何参数提出了基于多尺度的沥青路面表面形貌特征评价指标。　　针对于低温面凝冰过程影响因素特点，开发了可反映其环境特点的沥青路面凝冰室内模拟试验仓及试验方法，分析了温度、冻结时长以及湿空气含水量对路面凝冰过程的影响；基于吉布斯自由能理论采用ANSYS/Fluent有限元软件建立了沥青路面凝冰试验模型，结合室内试验数据验证了模型的可行性，分析了不同磨耗阶段沥青路面凝冰特点；提出含冰沥青路面抗滑性能恢复过程的机理假设，基于支承面积比统计法提出了冰膜污染影响系数评价冰膜消融过程沥青路面形貌特征。　　基于加速加载试验方法开发了针对于含冰路面抗滑性能测试的试验平台，通过仪器标定，确定了测试设备的控制参数；对不同路面状态下测试设备抗滑性能评价稳定性进行了验证，并提出设备使用工况及试验方法；通过试验研究了冰膜的形成对沥青路面抗滑性能的影响，并对不同工况下冰膜对抗滑性能影响的持久性进行了分析，通过对比不同磨耗阶段含冰路面抗滑行为，指出随着路面磨耗过程的进行，冰膜的形成能够产生更持久的影响。　　对Persson接触理论进行了扩展研究，并考虑了冰层相变原理及融化水膜的动力效应，基于热平衡原理得到一个与时间有关的微分方程来描述胎-冰-路三相接触状态，最终建立了含冰条件下沥青路面抗滑行为的预测理论模型；采用动态力学分析设备获取胎面橡胶材料粘弹性参数，进而推导出摩擦预测模型中的橡胶流变学模型参数；基于模型构建原理明确了含冰路面抗滑行为预测流程，并与含冰路面抗滑监测结果进行对照，验证了本文提出的抗滑行为预测模型的有效性和准确性。　　本文在冰雪路面抗滑性能测试系统开发、冰雪路面抗滑行为预测模型研究及寒区路面凝冰研究等方面开展了一系列研究工作，将促进冰雪路面抗滑研究的发展及我国冬季道路安全保障措施的推行。
作者：	谭坦
专业：	道路与铁道工程
导师：	谭忆秋
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020