沥青路面表面纹理构造特征参数与抗滑性能研究进展
时间：2023-01-20 20:00:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李俊丽
（重庆交通大学,重庆 400000）
随着沥青道路的建设、车辆通行量的增加，交通事故频繁发生，行车安全问题日益突出。从摩擦学的角度来看，影响沥青路面抗滑性能的因素很多，如路面纹理、天气条件、轮胎-路面耦合摩擦等[1]。沥青路面的抗滑性能主要取决于路面表面的纹理构造。目前国内外对沥青路面的抗滑性能主要从路面摩擦因数和构造深度两方面进行评价，由于测试仪器与原理的不同，各种抗滑性能评价方法存在一定局限性[2]。
路面纹理构造表示路面在特定波长和振幅范围内偏离理想平面的程度[3]。波长和振幅作为划分标准将路面表面纹理分为如表1所示的四种纹理类型:微观纹理、宏观纹理、巨纹理和不平整度。每种纹理类型对路面性能的影响是不同的：微观纹理影响低速摩擦，宏观纹理对高速摩擦、滚动阻力、表面排水和噪声有显著影响，而巨纹理和不平整度主要影响行车噪声、行车舒适性和车辆稳定性[4]。
表1 路表纹理构造分类
对于宏观纹理的测量，传统的测试手段采用铺砂法和流溢时间法，分别从构造深度和排水时间的角度反映宏观纹理的状况，通常用平均构造深度（MTD）和平均断面深度（MPD）来表征宏观构造[5]。有研究表明相同平均构造深度（MTD）但是摩擦系数不同，这可能与标准测量方法的局限性以及由此产生的纹理参数及其对摩擦的影响有关[6-9]。如不同纹理分布的路面平均构造深度（MTD）可能一样，但它们所表征的抗滑性能可能不同[10-12]。证明仅依靠传统方法测量的摩擦系数和平均构造深度（MTD）无法准确全面评价路面抗滑能力。虽然MTD和MPD可以代表路面表面纹理的整体特性，但是不能准确表征路面纹理的分布和范围。
微观纹理结构与路面表面的微观粗糙度有关，很难在现场直接测量。目前，通常采用摆式仪所测得的摩擦系数间接表征路面的微观纹理构造[13]，具有容易操作、适用范围广等优点，但测量结果易受人为、环境等因素影响，测量精度不高。近年来，图像采集、激光扫描技术的发展为沥青路面表面纹理的研究提供了新的方向。通过扫描设备，可以直接获取路面纹理的二维或三维形貌，这种扫描结果不仅更加直观，且具有很高的精度。通过自动化路面表面纹理测量和数据分析过程，可以快速有效地估计路面纹理特性[14]。
综上所述，摩擦系数不能准确地表征微观纹理的特征，不能明确微观纹理结构对路面摩擦性能的影响，因为测量时摩擦系数的大小还受宏观纹理和其他影响因素的影响[15]。目前常用的宏观纹理的参数MPD和MTD及微观纹理参数摩擦系数，不足以全面评估路面的抗滑性能[16]。因此针对路面纹理特征的评价指标还需进一步的研究，从而提出更加详细描述路面纹理信息评价参数。
2.1 常用的单一特征评价参数
工程中表述宏观纹理构造深度的两特征参数分别为平均构造深度MTD和平均断面深度MPD，同时《公路沥青路面设计规范》（JTGD50—2017）[17]中采用横向力系数SFC和构造深度TD作为路面抗滑能力的评价指标。虽然目前表2中常用的评价参数具有测量操作简单、方便快捷等优点，但是测量结果受人为因素或环境因素影响较大，因此还需尝试研究自动化测量方法以提高测量的效率及测量结果精度。
表2 常用的路面纹理评价参数
诸多学者对路面表面纹理的评价方法及指标进行了研究，表面纹理指标获取手段和纹理参数多种多样，纹理获取手段包括铺砂法、图像处理方法、激光纹理扫描方法等、纹理指标主要包括几何指标和统计指标[18]。学者基于集料颗粒特性、轮胎有效接触面积等研究理论提出相关纹理参数，并验证其用于评价路面抗滑性能的可行性。
邱志雄[19]采用CT扫描技术实验分析手段，针对沥青路面层结构约1～2 cm尺寸范围内的抗滑构造影响深度，探索从准三维尺度以角度描述和分形描述为基础的宏观轮廓的提取和衰减分析。根据不同粗糙程度路面的宏观轮廓线所表现出不同的空间分布形态，在研究中采用轮廓峰顶夹角值α单一参数评价沥青路面抗滑性能。将测量并经滤波处理后所得的路面轮廓线上每一个波峰认为路面上的一个小颗粒，即轮廓峰顶夹角α表征了突出的集料的颗粒形态，夹角值越小，则说明集料颗粒越窄，抗滑性能越好。
蓝忠志[20]应用数字图像技术分析处理得到的二值化路表纹理结构图，计算分析后得出结论上凹区域面积率与摩擦系数两者拟合曲线近似呈抛物线，有明显的相关性。在对沥青路面抗滑性能做出评价时，可从上凸区域面积率的大小进行侧面评价。
钱朝清[21]利用CT扫描技术提取出芯样表面轮廓后提出纹理参数PLindex指标，并验证PLindex与BPN、MTD、SP、F60的相关性均为强相关。表明用PLindex表征路表纹理特征是有效可行的。
Pranjić[22]等人根据图像分析方法提取路面纹理后进行三维模型重构基于二维剖面分析，所选取的参数分别为峰高Rm、平均高度Ra、均方根粗糙度Rms、偏度Rsk和峰度Rku。分析结果显示峰高Rm、均方根粗糙度Rms与SRT、MPD均为强相关可替代表征路面纹理特征。
刘梦梅[23]通过构建稳健高斯滤波器，使路面表面原始轮廓经过有效接触轮廓截取、重构和宏、微观波识取处理后，在有效接触轮廓中识取路面宏、微观纹理波，进而计算宏、微观尺度路面纹理几何统计指标，提出有效接触轮廓纹理指标：Ra、Rq、Rsk、Rku、MTD、MPD、Rsm、LR、D、LTX,0.5-32、LTX,0.06-0.5。验证了除Rsk和LTX指标，接触轮廓宏观纹理指标与DF60显著相关，且相关系数大于未处理的原始轮廓纹理指标与DF60的相关系数。同理，相较于原始路面轮廓纹理指标，接触轮廓微观纹理指标与DF20的相关性更为显著。验证路面纹理评价方法考虑轮胎、路面接触情况，可以有效提高路面表面纹理指标用于分析路面抗滑性能的准确度。
2.2 三维纹理特征参数
国内外学者提出许多路面三维形貌参数用于评价路面抗滑性能，按照指标物理意义和数学基础，可将这些指标分为高度相关指标、波长相关指标、形状相关指标及综合相关指标四类。下述学者基于激光测量法、近景摄影测量法研究三维纹理特征参数用于表征路面粗糙程度。
张淑文[24]基于三维激光纹理仪测量技术手段获取丰富的路面纹理手段，根据测量数据得路表轮廓的三维模型表面，选用改进的覆盖投影法计算曲面分形维数。分析得出路面表面分形维数与摩擦系数相关性极强，相关性系数为0.961，表明可使用路表面分形维数在一定程度上可以表征路面粗糙程度指标。
杨跃琴[25]借助高精度激光扫描仪和动态摩擦系数仪对6条道路跟踪测试，借助SPSS软件对采集的宏观纹理指标和动摩擦系数进行相关性分析，发现宏观纹理指标Ra、Rq、Rz、Rku与MPD极强相关，相关系数均在0.9以上，因此推荐可用以上指标表征路面的抗滑性能。
Kogbara等人[26]利用近景摄影测量法测量了路面，使用GripTester收集路面摩擦力数据，评估了使用手持摄像机从CRP测量中获得的纹理参数与使用GripTester测量的路面摩擦力之间的关系。逐步回归表明，峰值密度（Spd）和峰值材料体积（Vmp）与摩擦力的相关性最佳（R2=0.75-0.76），验证这些参数可用作路面摩擦力的评价指标。
目前，国内外学者对于沥青路面抗滑预测主要采用数据统计、实验测定和回归分析等方法展开研究，并取得了一定的研究成果。理论研究表明沥青路面的抗滑性能主要由微观纹理和宏观纹理提供，由单一的纹理指标无法全面准确的评估路面抗滑能力。许多研究缺乏引用多尺度和多个数字化手段进行便捷和直观的高精度测量评价的方法研究。同时考虑路面宏观构造和微观构造的多尺度抗滑评价方法，目前较多的是二维评价指标而针对三维的评价指标研究及运用较少。下文介绍一些学者采用不同的参数指标建立预测模型对路面纹理特性进行综合评价的研究结果。
吴凡[27]基于三维激光扫描仪得到路面纹理三维模型，选择表征微观纹理的空间参数MPD、RMS、MPH、SV2pts、SV6pts与横向力系数相关性分析。基于宏观和微观MPD的综合模型可得到较优的抗滑性能预测结果，并得出考虑有效接触轮廓宏微观MPD相关性系数为0.896 7的横向力预测模型。
Wang[28]利用改进的六条激光线约束的双目重建方法，获得了沥青路面的宏观纹理和微观纹理，提出基于平均纹理深度MTD、均方根波长、偏斜度Sk等三维纹理数据的改进IFI路面抗滑评价模型。该模型只需要测量路面的三维纹理数据，便可计算出任意测试速度下的摩擦系数，为路面抗滑性能的评价提供了一种新的方法，其评价结果直接取决于路面的三维结构和集料类型。
杨跃琴[25]借助高精度激光扫描仪和动态摩擦系数仪对6条道路跟踪测试，借助SPSS软件对采集的宏观纹理指标和动摩擦系数进行相关性分析。确定了可评价路面抗滑性能的宏观纹理参数后，建立了宏观纹理指标和动态摩擦系数F60之间相关系数为0.6的线性模型和基于B-P算法的多层感知器相关系数为0.8的非线性模型。
刘梦梅[23]针对现有IFI模型对不同纹理特征路面的区分度较差、忽视路面微观纹理对抗滑贡献等不足，提出纹理特性参数Tp和摩擦系数WFC，进而建立适用于不同测试速度下AC、SMA、OGFC路面且相关性均在0.9以上的多参数优化的IIFI抗滑模型。其中纹理特性参数Tp为考虑有效接触轮廓下优选的宏、微观尺度上是水平、竖直、形状方向的混合料表面纹理评价指标。经验证多参数优化的IIFI抗滑模型提高了速度域内路面不同速度下抗滑预测的准确性，并提出IFI抗滑模型的扩展应用，对于无法判断路面类型时可根据MPD进行划分，选择与之对应的IIFI模型。
KOVÁČM[29]等认为从路面纹理轮廓评估的二维纹理参数，缺少与颗粒形状相关的表面特征，二维参数可能不足以提供与轮胎-道路相互作用描述相关的信息。因此采用静态道路扫描仪测量路面纹理计算了85个不同的三维纹理参数，统计分析各三维宏、微观纹理参数与摆式仪测量值PTV的相关性得出微观纹理下支承率Smr2,MIC可为表征路面微观纹理的评价指标，证实了微观纹理对摩擦系数有显著影响并提出基于微观纹理三维参数的多元线性回归摩擦系数预测模型。
CAOYZ[30]等提出一种基于路面三维微观和宏观纹理参数预测SFC的神经网络模型，选择了包含三维微观结构参数和宏观结构参数的神经网络模型（R2为0.85）来预测SFC。验证提出的神经网络模型提供了通过非接触式高分辨率3D激光扫描技术获得SFC值的替代方案，而不是使用昂贵的侧向摩阻力测试车SCRIM测量路面横向力系数。
（1）目前大部分路面抗滑性能评价均采用单一的评价参数，如平均构造深度（MTD）和平均断面深度（MPD）等。决定路面抗滑性能的是多方面的，仅从某个参数单一评价是不合理的。应考虑路面宏、微观纹理从二维、三维角度多尺度对路面抗滑性能进行评价。
（2）基于目前在集料的宏、微观纹理对路面摩擦水平的影响研究，路面设计阶段可根据集料的纹理特征合理设计级配以增大路面的抗滑性，可在路面抗滑病害分析中准确诊断抗滑不足的原因，为沥青路面抗滑性能养护技术提供理论基础和论据。
（3）目前研究路面表面纹理的特性从二维、三维多尺度研究得出许多与抗滑能力相关性高的宏、微观纹理评价指标，均可用来评价路面纹理特性。根据目前的二维、三维纹理参数以及学者新提出的相关纹理评价参数，选择合适的评价指标优化已有抗滑评价模型或建立抗滑能力评价模型，还需继续研究适用不同类型路面相关预测模型，以此建立统一的路面抗滑能力综合评价体系。
（4）目前国内外许多学者采用高精度图像数字技术、激光扫描技术、摄影测量技术基于纹理对路面抗滑能力的进行研究，且基于这些技术提出不同路面抗滑能力预测模型很多。如何将研究所得的抗滑能力预测模型运用在实际道路测量、抗滑能力评价中以提高路面抗滑能力评价效率还需进一步的研究。
猜你喜欢 摩擦系数微观纹理 反挤压Zn-Mn二元合金的微观组织与力学性能材料与冶金学报(2022年2期)2022-08-10摩擦系数对螺栓连接的影响分析汽车实用技术(2022年13期)2022-07-19摩阻判断井眼情况的误差探讨承德石油高等专科学校学报(2022年2期)2022-05-18说说摩擦系数中学生数理化·八年级物理人教版(2020年3期)2020-10-29基于BM3D的复杂纹理区域图像去噪软件(2020年3期)2020-04-20使用纹理叠加添加艺术画特效摄影之友(影像视觉)(2018年12期)2019-01-28TEXTURE ON TEXTURE质地上的纹理Coco薇(2017年8期)2017-08-03GAG（格莱利）指定摩擦系数不准确消费者报道(2016年5期)2016-11-18消除凹凸纹理有妙招！Coco薇(2015年5期)2016-03-29微观的山水诗选刊(2015年6期)2015-10-26
