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Skid resistance of asphalt pavements: laboratory measurements and model assessment
Abstract
Para que un automovil pueda frenar, acelerar o cambiar de direccion, necesita un nivel suficiente de friccion entre los neumaticos y la superficie del pavimento. Aunque la influencia de los neumaticos es importante, los gestores de las carreteras son responsables de mantener un nivel adecuado de resistencia al deslizamiento de la superficie del pavimento. Esta cambia con el tiempo debido a diversos procesos, como el pulido por la accion de los neumaticos y el desgaste por la exposicion a la intemperie, pero tambien debido a circunstancias cambiantes como la temperatura o la acumulacion de polvo.\nLos 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 medicion, cada uno con diferentes principios de funcionamiento y diferentes caracteristicas tecnicas, como el tipo de neumatico, la velocidad de medicion, 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 correlacion univoca, ya que la respuesta a los cambios en las condiciones de friccion es diferente para cada dispositivo de medicion y especialmente para cada tipo de caucho utilizado en las ruedas de medida.\nMientras tanto, se realizan avances significativos en las tecnicas opticas para medir la textura del pavimento con una mayor resolucion y precision que la que de la tecnica 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 perfilometros laser actuales pueden medir con resoluciones inferiores a 0,1 mm y en configuraciones de laboratorio estaticas se pueden alcanzar resoluciones del orden de 10 μm. Se espera que una descripcion mas detallada de la textura del pavimento mejore la correlacion con la resistencia al deslizamiento.\nEn esta tesis se han descrito, analizado y probado diferentes parametros para la caracterizacion de la textura en diferentes superficies de pavimento con distintos metodos perfilometricos. Algunos de los parametros proporcionan una descripcion detallada de la forma de las asperezas de la superficie, que luego pueden tratarse estadisticamente. Tambien se describe el uso de fractales que permite una caracterizacion 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 estandarizacion.\nTodos los parametros 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 mas tarde con las medidas de friccion.\nPara la caracterizacion del caucho se han realizado ensayos con el reometro dinamico de corte (DSR). En este ensayo se somete una probeta a una deformacion ciclica de torsion en un amplio rango de temperaturas y frecuencias. Aplicando el principio de equivalencia de tiempo y temperatura mediante la ecuacion de Arrhenius se demuestra que el angulo de desfase, el modulo de almacenamiento y el modulo de perdidas solo dependen de la frecuencia reducida y su relacion de dependencia se puede expresar mediante sendas ecuaciones potenciales. Este resultado pone de manifiesto que el modelo de Zener de material viscoelastico no se ajusta correctamente al comportamiento de los cauchos caracterizados.\nDentro del proyecto de investigacion SKIDSAFE, cofinanciado por el 7o Programa Marco de la Comision Europea, se desarrollo 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 disenado especificamente para medir las fuerzas que se generan en el area de contacto entre pavimento y la rueda, en condiciones controladas de deslizamiento. El equipo SR-ITD ha sido fundamental en la realizacion de esta tesis.\nHay 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 esta 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 neumatico de caucho aumenta muy rapidamente en los 6 a 8 s de duracion de la prueba. Las vibraciones y las condiciones cambiantes durante el ensayo (velocidad y temperatura) hacen que sea extremadamente dificil realizar mediciones de friccion estables. El ensayo de pulido, por otro lado, no fue disenado para medir la friccion, sino para acelerar el desgaste de la superficie del asfalto en condiciones representativas. El principio del rozamiento transversal se usa para generar friccion con un angulo 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 duracion de la prueba, los promedios temporales de las fuerzas medidas proporcionan valores de friccion estables, que son sensibles al nivel de pulido de las probetas.\nLas deficiencias detectadas en los protocolos de ensayo no impiden que esta tesis proponga procedimientos de postproceso de datos para obtener las mejores medidas de friccion posibles. Con este fin se ha generado un gran numero 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 tambien se realizaron con tres tipos diferentes de asfalto.\nFinalmente, la tesis explora las posibilidades de que, con una caracterizacion adecuada de la superficie del pavimento y un modelo cuantitativo fisico que describa la generacion de friccion entre un cuerpo de caucho y una superficie rugosa, se pueda hacer una prediccion razonablemente exacta de la resistencia al deslizamiento. El modelo propuesto por Kluppel y Heinrich (2000) se analiza y sus predicciones se contrastan con los datos experimentales. El modelo reproduce cualitativamente la relacion entre friccion y velocidad dentro de determinados rangos de los parametros de entrada, aunque en el caso de la velocidad uy la temperatura es un rango mas estrecho el encontrado en los datos experimentales. Ademas, las diferencias cuantitativas entre los valores teoricos y experimentales llegan hasta los dos ordenes de magnitud, lo que sugiere que las hipotesis del modelo de Kluppel y Heinrich necesitan ser adaptadas a la escala del fenomeno estudiado.