Skid resistance of asphalt pavements : laboratory measurements and model assessment

Para que un automóvil pueda frenar, acelerar o cambiar de dirección, necesita un nivel suficiente de fricción entre los neumáticos y la superficie del pavimento. Aunque la influencia de los neumáticos es importante, los gestores de las carreteras son responsables de mantener un nivel adecuado de resistencia al deslizamiento de la superficie del pavimento. Ésta cambia con el tiempo debido a diversos procesos, como el pulido por la acción de los neumáticos y el desgaste por la exposición a la intemperie, pero también debido a circunstancias cambiantes como la temperatura o la acumulación de polvo. Los gestores de las carreteras realizan mediciones de la resistencia al deslizamiento de manera regular para poder planificar y realizar un mantenimiento adecuado para, en su caso, reestablecer la resistencia al deslizamiento. Tan solo en Europa existen 14 dispositivos distintos para su medición, cada uno con diferentes principios de funcionamiento y diferentes características técnicas, como el tipo de neumático, la velocidad de medición, el tipo y la cantidad de deslizamiento de la rueda, la carga vertical, etc. Estas diferencias hacen que aunque las mediciones son comparables, no exista una correlación unívoca, ya que la respuesta a los cambios en las condiciones de fricción es diferente para cada dispositivo de medición y especialmente para cada tipo de caucho utilizado en las ruedas de medida. Mientras tanto, se realizan avances significativos en las técnicas ópticas para medir la textura del pavimento con una mayor resolución y precisión que la que de la técnica actual. La superficie del pavimento se caracteriza evaluando su macrotextura, que se encuentra en el rango de longitud de onda de 0,5 mm a 50 mm. Los perfilómetros láser actuales pueden medir con resoluciones inferiores a 0,1 mm y en configuraciones de laboratorio estáticas se pueden alcanzar resoluciones del orden de 10 μm. Se espera que una descripción más detallada de la textura del pavimento mejore la correlación con la resistencia al deslizamiento. En esta tesis se han descrito, analizado y probado diferentes parámetros para la caracterización de la textura en diferentes superficies de pavimento con distintos métodos perfilométricos. Algunos de los parámetros proporcionan una descripción detallada de la forma de las asperezas de la superficie, que luego pueden tratarse estadísticamente. También se describe el uso de fractales que permite una caracterización del perfil de textura sin limitar el rango de longitudes de onda. Se demuestra que el preprocesado del perfil tiene una influencia significativa en los resultados. Se proponen procedimientos que puedan usarse en futuros documentos de estandarización. Todos los parámetros de textura se han determinado en diferentes tipos de muestras de asfalto y roca para investigar posibles correlaciones con el nivel de pulido de las muestras y más tarde con las medidas de fricción. Para la caracterización del caucho se han realizado ensayos con el reómetro dinámico de corte (DSR). En este ensayo se somete una probeta a una deformación cíclica de torsión en un amplio rango de temperaturas y frecuencias. Aplicando el principio de equivalencia de tiempo y temperatura mediante la ecuación de Arrhenius se demuestra que el ángulo de desfase, el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdidas solo dependen de la frecuencia reducida y su relación de dependencia se puede expresar mediante sendas ecuaciones potenciales. Este resultado pone de manifiesto que el modelo de Zener de material viscoelástico no se ajusta correctamente al comportamiento de los cauchos caracterizados. Dentro del proyecto de investigación SKIDSAFE, cofinanciado por el 7º Programa Marco de la Comisión Europea, se desarrolló un nuevo dispositivo de ensayo de laboratorio, denominado Skid Resistance Interface Testing Device (SR-ITD), para medir en el laboratorio la resistencia al deslizamiento en probetas de mezcla bituminosa. El dispositivo fue diseñado específicamente para medir las fuerzas que se generan en el área de contacto entre pavimento y la rueda, en condiciones controladas de deslizamiento. El equipo SR-ITD ha sido fundamental en la realización de esta tesis. Hay dos protocolos de ensayo principales para el SR-ITD: un ensayo de frenado y un procedimiento de pulido. En la prueba de frenado, la velocidad tangencial de la probeta se reduce de 80 km/h a 0, mientras que una rueda de caucho bloqueada está apoyada en la superficie con una fuerza vertical predefinida. Durante la prueba se miden las fuerzas ejercidas sobre la rueda y la temperatura dentro del caucho. Se observa que la temperatura en el neumático de caucho aumenta muy rápidamente en los 6 a 8 s de duración de la prueba. Las vibraciones y las condiciones cambiantes durante el ensayo (velocidad y temperatura) hacen que sea extremadamente difícil realizar mediciones de fricción estables. El ensayo de pulido, por otro lado, no fue diseñado para medir la fricción, sino para acelerar el desgaste de la superficie del asfalto en condiciones representativas. El principio del rozamiento transversal se usa para generar fricción con un ángulo de deslizamiento de 5 ° y una velocidad de 20 km/h. Bajo estas condiciones, la temperatura de la rueda permanece estable incluso durante varias horas, en las cuales se genera un desgaste significativo de la superficie del pavimento. Debido a la larga duración de la prueba, los promedios temporales de las fuerzas medidas proporcionan valores de fricción estables, que son sensibles al nivel de pulido de las probetas. Las deficiencias detectadas en los protocolos de ensayo no impiden que esta tesis proponga procedimientos de postproceso de datos para obtener las mejores medidas de fricción posibles. Con este fin se ha generado un gran número de datos basado en los resultados de las pruebas de frenado combinando diferentes mezclas de asfalto con dos tipos de caucho y varios niveles de fuerza vertical. Las pruebas de pulido también se realizaron con tres tipos diferentes de asfalto. Finalmente, la tesis explora las posibilidades de que, con una caracterización adecuada de la superficie del pavimento y un modelo cuantitativo físico que describa la generación de fricción entre un cuerpo de caucho y una superficie rugosa, se pueda hacer una predicción razonablemente exacta de la resistencia al deslizamiento. El modelo propuesto por Klüppel y Heinrich (2000) se analiza y sus predicciones se contrastan con los datos experimentales. El modelo reproduce cualitativamente la relación entre fricción y velocidad dentro de determinados rangos de los parámetros de entrada, aunque en el caso de la velocidad uy la temperatura es un rango más estrecho el encontrado en los datos experimentales. Además, las diferencias cuantitativas entre los valores teóricos y experimentales llegan hasta los dos órdenes de magnitud, lo que sugiere que las hipótesis del modelo de Klüppel y Heinrich necesitan ser adaptadas a la escala del fenómeno estudiado. ----------ABSTRACT---------- For a car to be able to brake, accelerate or change direction, it needs a sufficient level of friction between its tyres and the pavement surface. The tyres play an important role, but road authorities are only responsible for an adequate level of skid resistance of the pavement surface. The skid resistance of a pavement changes over time due to various processes, such as polishing, wear and weathering, but also temporary effects such as temperature or dust accumulation. Road authorities perform skid resistance measurements on a regular basis in order to be able to plan and perform timely maintenance to restore skid resistance. There are only in Europe 14 skid resistance measurement devices with different working principles and different technical characteristics, such as the type of tyre, the measurement speed, the type and amount of wheel slip, the vertical load, etc. These differences make that the measurements are comparable, but there is no unique correlation, since the response to changes in the friction conditions are different for each measurement device, and especially for each type of rubber used for the testing wheels. In the meantime, significant advances are made in the optical techniques to measure the pavement texture with a higher resolution and precision than the current practice. Pavement texture is currently characterised by macrotexture, which is in the wavelength range of 0.5 mm to 50 mm. Current laser profilers can measure with resolutions smaller than 0.1 mm and in static laboratory setups resolutions in the order of 10 μm can be reached. A more detailed description of pavement texture is expected to improve correlation with skid resistance. In this thesis different texture characterisation parameters have been described, analysed and tested on different pavement surfaces and profiler methods. Some of the parameters provide a detailed description of the shape of the asperities of the surface, which then can be treated statistically. Also a fractal approach is described which allows for a characterisation of the texture profile over the complete range of wavelengths. It is shown that the profile pre-processing has a significant influence on the results. Procedures are proposed which can be used in future standardization documents. All texture parameters have been determined on different types of asphalt and rock specimens in order to investigate possible correlations with the polishing level of the specimens and later on with friction measurements. The tyre rubber can be characterised by the Dynamic Shear Rheometer (DSR). In this test a rubber sample is subjected to a periodical shear rotation at a range of frequencies and temperatures. It is shown that by using the Arrhenius equation for time-temperature equivalence, the material's complex shear modulus, storage modulus, loss modulus and phase angle can be represented adequately by potential functions a function of the reduced frequency. With this result it is shown that the SLS- or Zener model is a poor representation of the visco-elastic material. Within the research project SKIDSAFE, co-financed by the 7th Framework Programme of the European Commission, a new laboratory testing device, named Skid Resistance Interface Testing Device (SR-ITD), was developed to measure skid resistance on asphalt specimens. The device was designed specifically to measure the forces that are generated in the tyre pavement contact area, under controlled skid conditions. The SR-ITD device has been essential in the development of the thesis. There are two main testing protocols for the SR-ITD: a braking test and a polishing procedure. In the braking test the tangential speed of the rotating specimen is reduced from 80 km/h to 0 while a locked rubber test wheel is pressed to the surface with a predefined force. During the test the forces on the wheel and the temperature inside the rubber are measured. It is observed that the temperature in the rubber tyre rises very sharply in the 6 to 8 seconds of the duration of the test. The vibration during the test and the fast changing test conditions (speed and temperature) make it extremely difficult to obtain stable friction measurements. The polishing test on the other hand was not designed to measure friction but to accelerate polishing and wear of the asphalt surface under representative conditions. The side-way force principle is used to generate friction with a 5° slip angle, and a speed of 20 km/h. Under these test conditions, the temperature of the wheel remains stable even during several hours of testing, in which a significant deterioration of the pavement surface is generated. Because of the long duration of the test, long-term averages of the measured forces do show stable friction measurements, which are sensitive to the polishing level of the specimens. Despite the detected shortcomings of the testing protocols, procedures for the postprocessing are proposed in this thesis to obtain as good as possible friction measurements. A dataset was elaborated with results from the braking tests on different asphalt mixtures, with two different rubber types and several vertical force levels. The polishing tests were also performed on the three different asphalt types, but all tests were performed at the same speed, temperature, slip angle and vertical force. Finally, the thesis explores the possibility that, given an adequate characterization of the pavement surface and a physical quantitative model describing the generation of friction between a rubber body and a rough surface, a reasonably accurate prediction of skid resistance can be made. The model proposed by Klüppel and Heinrich (2000) is analysed and assessed by comparing it to the experimental dataset. A simplified mathematical formulation of the model is presented, which qualitatively reproduces the typical speedfriction curve within a certain range of the input parameters. The range of temperature and speed in which the model produces significant friction values is narrower than the range found in the experimental data. Moreover, the quantitative difference between the theoretical and experimental results can be of two orders of magnitude. This suggests that the hypotheses of the Klüppel and Heinrich model need to be adapted to the scale of the observed phenomena