Skid resistance of asphalt pavementslaboratory measurements and model assessment

Resumen

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.