瀝青路面抗滑性能檢測技術(shù)分析

李二娜

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司,宜昌 443002)

中國自改革開放以來，經(jīng)濟取得了快速發(fā)展，公路建設(shè)里程數(shù)不斷增長。截至2021年底，我國公路里程已達到528.07萬公里，高速公路達到16.91萬公里，穩(wěn)居世界第一。公路里程的增長對我國經(jīng)濟發(fā)展和人民日常生活品質(zhì)的改善起到了重要作用。但另一方面，我國交通事故量也在不斷上升，給人民生命安全帶來巨大威脅的同時，也造成不可估量的財產(chǎn)損失。研究人員分析大量交通事故后發(fā)現(xiàn)，不少交通事故是路面因素造成的，其中路面抗滑性能是對行車安全影響最為顯著的因素[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國與路面抗滑相關(guān)的交通事故比例高達81%[2]。研究表明路面抗滑性能的提升可以有效降低交通事故發(fā)生的概率[3]。因此開展路面抗滑相關(guān)的研究對于保障道路安全至關(guān)重要。

路面在建設(shè)完成的初期都有著良好的抗滑性能，但隨著路面服役時間的延長，其抗滑性能會出現(xiàn)不同程度的下降。雖然抗滑性能是道路運營部門和相關(guān)交管部門關(guān)注的重點，但對于目前常見的一些路面抗滑性能檢測方法[4-6]，在測試設(shè)備、操作方法、適用場景等方面存在很大區(qū)別，因此非常有必要對路面抗滑性能檢測方法進行總結(jié)，整理分析不同路面抗滑檢測技術(shù)的特點，促進從業(yè)人員根據(jù)道路實際情況采用合適的路面抗滑性能檢測方法。

綜上，為促進不同抗滑檢測技術(shù)的合理應(yīng)用，保障路面抗滑性能和行車安全，開展了幾個方面的工作：總結(jié)了影響路面抗滑性能的主要因素；在此基礎(chǔ)上，對比分析了不同抗滑性能檢測技術(shù)的差異；同時指出了未來路面抗滑性能檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 路面抗滑性能影響因素

車輛事故多發(fā)生在制動過程中，這主要是因為車輛制動距離過長造成的，因此輪胎和路面間的摩擦特征對路面抗滑性能產(chǎn)生直接的影響。輪胎與路面之間的摩擦力包括兩部分：黏附力Fa和阻滯力Fh，如圖1所示。摩擦力與路面、輪胎以及環(huán)境等多方面因素相關(guān)，具體如路面的紋理構(gòu)造、路面材料、路面的潔凈程度、溫度、濕度以及行車速度等。路面紋理構(gòu)造對路面抗滑性能的影響非常顯著，主要表現(xiàn)在兩個方面：黏附力Fa與路面微觀紋理息息相關(guān)，豐富的微觀紋理有助于提高黏附力；阻滯力Fh則主要與路面的宏觀構(gòu)造相關(guān)，輪胎與路面接觸過程中，輪胎會變形產(chǎn)生應(yīng)變能損耗，而阻滯力就與輪胎壓縮-松弛過程中的能量損耗相關(guān)。除路面紋理構(gòu)造外，前面已經(jīng)提到還有很多其他因素影響路面的抗滑性能，例如，潮濕路面的抗滑性能差，車輛制動距離大；行車速度過快也會使車輛制動距離變大。因此，影響路面抗滑性能的因素較多，單一檢測手段往往難以精準判斷路面的抗滑能力，基于這一需求，逐漸發(fā)展出了多種路面抗滑性能檢測技術(shù)，目前以兩類檢測技術(shù)為主：路面紋理測試技術(shù)和路面摩擦指標測試技術(shù)。

2 路面紋理測試技術(shù)

根據(jù)構(gòu)造尺寸劃分，可將路面紋理分為微觀紋理、宏觀紋理、粗大構(gòu)造和路面不平度等幾個方面，其中微觀和宏觀紋理是抗滑性能研究的重點。微觀紋理對應(yīng)波長1 μm～0.5 mm、高度1 μm～0.5 mm的構(gòu)造，即集料表面極其微小的構(gòu)造。宏觀紋理對應(yīng)波長為0.5～50 mm，高度0.5～20 mm的構(gòu)造，宏觀紋理與路面空隙、集料形狀、集料粒徑等密切相關(guān)。路面微觀紋理的測量難度較大，一方面無明確的測量規(guī)定，另一方面受采樣率和傳感器分辨率的限制。因此常見的紋理測試方法主要集中在宏觀紋理的測量上，如最為常用的鋪沙法。宏觀紋理雖容易測量，但是傳統(tǒng)的鋪沙法也存在準確性差、效率和可靠性低的問題。但隨著激光測量、圖像處理、測距技術(shù)等的發(fā)展，路面紋理測量方法得到了很大補充，主要的新型路面紋理測試方法如表1所示。

表1 路面紋理檢測技術(shù)

激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于路面紋理測量，且隨著研究的深入，形成了成熟的路面紋理評估方案。當激光技術(shù)與GPS系統(tǒng)相結(jié)合時，能夠快速掃描路面的紋理，檢測路面抗滑性能。現(xiàn)階段雷達傳感器測量也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場，并可以直接分析出路面的摩擦特性。接觸測試有著極高的精度，但成本也較高，且測量范圍有限，因此多用于實驗室研究。非接觸測試技術(shù)現(xiàn)階段還在不斷提升精度過程中。近景攝影測量技術(shù)可以快捷的獲取路面紋理，圖像可以用普通相機拍攝，但必須結(jié)合使用專業(yè)軟件對圖像進行分析和三維建模，基于三維模型分析路面抗滑性能。

綜上可知，雖然各種測試方法或多或少都存在一些缺陷，但新型紋理檢測技術(shù)使得自動測量路面紋理成為可能，為獲得大量路面紋理數(shù)據(jù)提供了技術(shù)支撐，在全線路網(wǎng)抗滑性能檢測中有著巨大優(yōu)勢。但是路面紋理與路面抗滑性能對應(yīng)關(guān)系難以量化的問題也日益突出，如何基于獲取的紋理特征有效地確定路面的抗滑性能一直是個難題。因此規(guī)范中并未引入激光掃描等紋理檢測技術(shù)分析路面抗滑性能。同時，除了前述的一些缺點外，紋理測試方法在技術(shù)層面也存在一些問題。如采用光學(xué)儀器測量路面紋理時，采集結(jié)果會存在數(shù)據(jù)尖峰問題；另外，瀝青路面存在凹陷，這將會產(chǎn)生漏點問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。因此還需要進一步改進檢測設(shè)備和豐富設(shè)備類型。

3 路面摩擦指標測試技術(shù)

路面紋理檢測技術(shù)是一種間接分析路面抗滑性能的方法，主要關(guān)注路面的微觀紋理和宏觀紋理。間接測量有著方便快捷的優(yōu)勢，但無法取代直接測量。直接測量是通過測量路面摩擦指標來評價路面的抗滑性能。例如，輪胎與路面之間的摩擦系數(shù)大小，被測試車輛的制動距離長短等都可直接反映路面的抗滑性能。目前主要通過測試摩擦系數(shù)這類指標來直接反映路面的抗滑性能，而摩擦系數(shù)又根據(jù)具體的測試方法而不同，常見的幾種主要測試方法如表2所示。

表2 路面摩擦指標測試技術(shù)

具體來看，目前使用最廣泛的是英國擺式摩擦系數(shù)測試儀，它具有成本低、操作簡單、便于攜帶等優(yōu)點，但該測試儀器的不足之處也很明顯，擺錘與路面的接觸與實際輪胎與路面的接觸有明顯差異，測試數(shù)據(jù)波動性大，特別是在對粗糙路面進行測試時，試驗結(jié)果不能反映路面的實際摩擦行為。因此，許多研究機構(gòu)一直致力于改進檢測方法，動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀就是在不斷改進過程中研發(fā)的路面摩擦指標測試新設(shè)備。動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀相比擺式摩擦系數(shù)測試儀適應(yīng)范圍更廣，可以在各種速度下測試車輛與路面的摩擦指標，尤其是高速下的路面摩擦特性，大大方便了對輪胎與路面間摩擦數(shù)據(jù)的采集。橫向力摩擦系數(shù)和縱向力摩擦系數(shù)測試是常見的現(xiàn)場抗滑性能檢測手段。測試橫向力摩擦系數(shù)時，輪胎采用光面輪胎，測試輪胎荷載為(1 960±10)N，測試角度為車輛前進方向20°。車輛行進時，測試輪上將會產(chǎn)生橫向滑動摩擦力，橫向滑動摩擦力與作用在試驗輪上的荷載之比，稱之為橫向力系數(shù)SFC。縱向力摩擦系數(shù)測試時，承受豎向荷載的測試輪與路面緊密接觸，并以恒定速度且平行于車輛方向前進，產(chǎn)生縱向滾動摩擦力，縱向摩擦力和豎向荷載的比值就是縱向摩擦系數(shù)BFC。SFC和BFC都可用于評價路面抗滑性能。可見，相比于路面紋理測試方法，路面摩擦指標測試方法可操作性更強，結(jié)果更加直觀。

4 瀝青路面抗滑性能檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

從技術(shù)需求來看，當前針對路面抗滑性能開展的研究主要是圍繞路面和輪胎兩個方面進行，如路面紋理測試和輪胎—路面摩擦指標測試。但環(huán)境因素對路面抗滑性能也產(chǎn)生直接的影響，如溫度、濕度和行車速度等。因環(huán)境因素比較復(fù)雜，且往往沒有顯著的規(guī)律，在開展路面抗滑性能研究時，對環(huán)境因素造成的影響考慮較少。這就使得難以揭示出路面在實際服役環(huán)境下的抗滑性能變化特征，因而未來在研究路面抗滑性能時應(yīng)更多關(guān)注路面、輪胎、環(huán)境三方面的相互作用。此外，如何科學(xué)、有效地確定路面紋理與路面抗滑性能間的對應(yīng)關(guān)系也是未來需要重點解決的技術(shù)問題之一。

從現(xiàn)場應(yīng)用需求來看，主要是檢測設(shè)備還需要改進。一方面，提高設(shè)備采集數(shù)據(jù)的精度，如當前采用光學(xué)儀器采集路面紋理數(shù)據(jù)時，存在數(shù)據(jù)尖峰和漏點等問題，致使數(shù)據(jù)結(jié)果不能反映出測試路面的真實紋理特征；另一方面，擺式摩擦系數(shù)儀和動態(tài)摩擦系數(shù)儀等小型設(shè)備已經(jīng)越來越難以滿足快速、大規(guī)模測試的需求。我國的道路交通在過去的幾十年里雖然取得了飛速發(fā)展，但離建成四通八達的交通網(wǎng)絡(luò)還有很長的距離，道路新建和養(yǎng)護任務(wù)依然繁重，因此對路面性能檢測也提出了快速、大規(guī)模化的需求。開發(fā)大型檢測車是未來路面抗滑檢測設(shè)備的發(fā)展方向之一，在不影響交通的情況下開展全線路網(wǎng)抗滑檢測，提高測試效率的同時，可實現(xiàn)對路面的大規(guī)模檢測。

5 結(jié) 語

為促進路面抗滑檢測技術(shù)的合理應(yīng)用和發(fā)展，該研究首先從輪胎與路面的接觸方面分析了影響路面抗滑性能的主要因素，進而對常見的路面紋理測試方法和路面摩擦指標測試方法進行了對比分析，同時基于檢測技術(shù)和現(xiàn)場應(yīng)用層面的需求，指出了路面抗滑性能檢測技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

a.路面紋理測試和路面摩擦指標測試是目前在研究和現(xiàn)場應(yīng)用中采用較多的路面抗滑性能檢測方法。相比于路面紋理測試方法，路面摩擦指標測試方法則可操作性更強，測試結(jié)果更加直觀。

b.未來應(yīng)加強研究環(huán)境因素對路面抗滑性能的影響，并嘗試確定路面紋理與路面抗滑性能間的對應(yīng)關(guān)系；同時改進現(xiàn)場測試設(shè)備，一方面使現(xiàn)場測試結(jié)果更精準，另一方面使設(shè)備能滿足大型化測試的需求。