瀝青路面表面紋理構造特征參數與抗滑性能研究進展

李俊麗

（重慶交通大學,重慶 400000）

0 引言

隨著瀝青道路的建設、車輛通行量的增加，交通事故頻繁發生，行車安全問題日益突出。從摩擦學的角度來看，影響瀝青路面抗滑性能的因素很多，如路面紋理、天氣條件、輪胎-路面耦合摩擦等[1]。瀝青路面的抗滑性能主要取決于路面表面的紋理構造。目前國內外對瀝青路面的抗滑性能主要從路面摩擦因數和構造深度兩方面進行評價，由于測試儀器與原理的不同，各種抗滑性能評價方法存在一定局限性[2]。

1 瀝青路面表面紋理構造類型

路面紋理構造表示路面在特定波長和振幅范圍內偏離理想平面的程度[3]。波長和振幅作為劃分標準將路面表面紋理分為如表1所示的四種紋理類型:微觀紋理、宏觀紋理、巨紋理和不平整度。每種紋理類型對路面性能的影響是不同的：微觀紋理影響低速摩擦，宏觀紋理對高速摩擦、滾動阻力、表面排水和噪聲有顯著影響，而巨紋理和不平整度主要影響行車噪聲、行車舒適性和車輛穩定性[4]。

表1 路表紋理構造分類

對于宏觀紋理的測量，傳統的測試手段采用鋪砂法和流溢時間法，分別從構造深度和排水時間的角度反映宏觀紋理的狀況，通常用平均構造深度（MTD）和平均斷面深度（MPD）來表征宏觀構造[5]。有研究表明相同平均構造深度（MTD）但是摩擦系數不同，這可能與標準測量方法的局限性以及由此產生的紋理參數及其對摩擦的影響有關[6-9]。如不同紋理分布的路面平均構造深度（MTD）可能一樣，但它們所表征的抗滑性能可能不同[10-12]。證明僅依靠傳統方法測量的摩擦系數和平均構造深度（MTD）無法準確全面評價路面抗滑能力。雖然MTD和MPD可以代表路面表面紋理的整體特性，但是不能準確表征路面紋理的分布和范圍。

微觀紋理結構與路面表面的微觀粗糙度有關，很難在現場直接測量。目前，通常采用擺式儀所測得的摩擦系數間接表征路面的微觀紋理構造[13]，具有容易操作、適用范圍廣等優點，但測量結果易受人為、環境等因素影響，測量精度不高。近年來，圖像采集、激光掃描技術的發展為瀝青路面表面紋理的研究提供了新的方向。通過掃描設備，可以直接獲取路面紋理的二維或三維形貌，這種掃描結果不僅更加直觀，且具有很高的精度。通過自動化路面表面紋理測量和數據分析過程，可以快速有效地估計路面紋理特性[14]。

綜上所述，摩擦系數不能準確地表征微觀紋理的特征，不能明確微觀紋理結構對路面摩擦性能的影響，因為測量時摩擦系數的大小還受宏觀紋理和其他影響因素的影響[15]。目前常用的宏觀紋理的參數MPD和MTD及微觀紋理參數摩擦系數，不足以全面評估路面的抗滑性能[16]。因此針對路面紋理特征的評價指標還需進一步的研究，從而提出更加詳細描述路面紋理信息評價參數。

2 瀝青路面表面紋理構造特征參數

2.1 常用的單一特征評價參數

工程中表述宏觀紋理構造深度的兩特征參數分別為平均構造深度MTD和平均斷面深度MPD，同時《公路瀝青路面設計規范》（JTGD50—2017）[17]中采用橫向力系數SFC和構造深度TD作為路面抗滑能力的評價指標。雖然目前表2中常用的評價參數具有測量操作簡單、方便快捷等優點，但是測量結果受人為因素或環境因素影響較大，因此還需嘗試研究自動化測量方法以提高測量的效率及測量結果精度。

表2 常用的路面紋理評價參數

諸多學者對路面表面紋理的評價方法及指標進行了研究，表面紋理指標獲取手段和紋理參數多種多樣，紋理獲取手段包括鋪砂法、圖像處理方法、激光紋理掃描方法等、紋理指標主要包括幾何指標和統計指標[18]。學者基于集料顆粒特性、輪胎有效接觸面積等研究理論提出相關紋理參數，并驗證其用于評價路面抗滑性能的可行性。

邱志雄[19]采用CT掃描技術實驗分析手段，針對瀝青路面層結構約1～2 cm尺寸范圍內的抗滑構造影響深度，探索從準三維尺度以角度描述和分形描述為基礎的宏觀輪廓的提取和衰減分析。根據不同粗糙程度路面的宏觀輪廓線所表現出不同的空間分布形態，在研究中采用輪廓峰頂夾角值α單一參數評價瀝青路面抗滑性能。將測量并經濾波處理后所得的路面輪廓線上每一個波峰認為路面上的一個小顆粒，即輪廓峰頂夾角α表征了突出的集料的顆粒形態，夾角值越小，則說明集料顆粒越窄，抗滑性能越好。

藍忠志[20]應用數字圖像技術分析處理得到的二值化路表紋理結構圖，計算分析后得出結論上凹區域面積率與摩擦系數兩者擬合曲線近似呈拋物線，有明顯的相關性。在對瀝青路面抗滑性能做出評價時，可從上凸區域面積率的大小進行側面評價。

錢朝清[21]利用CT掃描技術提取出芯樣表面輪廓后提出紋理參數PLindex指標，并驗證PLindex與BPN、MTD、SP、F60的相關性均為強相關。表明用PLindex表征路表紋理特征是有效可行的。

Pranji?[22]等人根據圖像分析方法提取路面紋理后進行三維模型重構基于二維剖面分析，所選取的參數分別為峰高Rm、平均高度Ra、均方根粗糙度Rms、偏度Rsk和峰度Rku。分析結果顯示峰高Rm、均方根粗糙度Rms與SRT、MPD均為強相關可替代表征路面紋理特征。

劉夢梅[23]通過構建穩健高斯濾波器，使路面表面原始輪廓經過有效接觸輪廓截取、重構和宏、微觀波識取處理后，在有效接觸輪廓中識取路面宏、微觀紋理波，進而計算宏、微觀尺度路面紋理幾何統計指標，提出有效接觸輪廓紋理指標：Ra、Rq、Rsk、Rku、MTD、MPD、Rsm、LR、D、LTX,0.5-32、LTX,0.06-0.5。驗證了除Rsk和LTX指標，接觸輪廓宏觀紋理指標與DF60顯著相關，且相關系數大于未處理的原始輪廓紋理指標與DF60的相關系數。同理，相較于原始路面輪廓紋理指標，接觸輪廓微觀紋理指標與DF20的相關性更為顯著。驗證路面紋理評價方法考慮輪胎、路面接觸情況，可以有效提高路面表面紋理指標用于分析路面抗滑性能的準確度。

2.2 三維紋理特征參數

國內外學者提出許多路面三維形貌參數用于評價路面抗滑性能，按照指標物理意義和數學基礎，可將這些指標分為高度相關指標、波長相關指標、形狀相關指標及綜合相關指標四類。下述學者基于激光測量法、近景攝影測量法研究三維紋理特征參數用于表征路面粗糙程度。

張淑文[24]基于三維激光紋理儀測量技術手段獲取豐富的路面紋理手段，根據測量數據得路表輪廓的三維模型表面，選用改進的覆蓋投影法計算曲面分形維數。分析得出路面表面分形維數與摩擦系數相關性極強，相關性系數為0.961，表明可使用路表面分形維數在一定程度上可以表征路面粗糙程度指標。

楊躍琴[25]借助高精度激光掃描儀和動態摩擦系數儀對6條道路跟蹤測試，借助SPSS軟件對采集的宏觀紋理指標和動摩擦系數進行相關性分析，發現宏觀紋理指標Ra、Rq、Rz、Rku與MPD極強相關，相關系數均在0.9以上，因此推薦可用以上指標表征路面的抗滑性能。

Kogbara等人[26]利用近景攝影測量法測量了路面，使用GripTester收集路面摩擦力數據，評估了使用手持攝像機從CRP測量中獲得的紋理參數與使用GripTester測量的路面摩擦力之間的關系。逐步回歸表明，峰值密度（Spd）和峰值材料體積（Vmp）與摩擦力的相關性最佳（R2=0.75-0.76），驗證這些參數可用作路面摩擦力的評價指標。

3 基于路表紋理特征瀝青路面抗滑能力評價預測模型

目前，國內外學者對于瀝青路面抗滑預測主要采用數據統計、實驗測定和回歸分析等方法展開研究，并取得了一定的研究成果。理論研究表明瀝青路面的抗滑性能主要由微觀紋理和宏觀紋理提供，由單一的紋理指標無法全面準確的評估路面抗滑能力。許多研究缺乏引用多尺度和多個數字化手段進行便捷和直觀的高精度測量評價的方法研究。同時考慮路面宏觀構造和微觀構造的多尺度抗滑評價方法，目前較多的是二維評價指標而針對三維的評價指標研究及運用較少。下文介紹一些學者采用不同的參數指標建立預測模型對路面紋理特性進行綜合評價的研究結果。

吳凡[27]基于三維激光掃描儀得到路面紋理三維模型，選擇表征微觀紋理的空間參數MPD、RMS、MPH、SV2pts、SV6pts與橫向力系數相關性分析。基于宏觀和微觀MPD的綜合模型可得到較優的抗滑性能預測結果，并得出考慮有效接觸輪廓宏微觀MPD相關性系數為0.896 7的橫向力預測模型。

Wang[28]利用改進的六條激光線約束的雙目重建方法，獲得了瀝青路面的宏觀紋理和微觀紋理，提出基于平均紋理深度MTD、均方根波長、偏斜度Sk等三維紋理數據的改進IFI路面抗滑評價模型。該模型只需要測量路面的三維紋理數據，便可計算出任意測試速度下的摩擦系數，為路面抗滑性能的評價提供了一種新的方法，其評價結果直接取決于路面的三維結構和集料類型。

楊躍琴[25]借助高精度激光掃描儀和動態摩擦系數儀對6條道路跟蹤測試，借助SPSS軟件對采集的宏觀紋理指標和動摩擦系數進行相關性分析。確定了可評價路面抗滑性能的宏觀紋理參數后，建立了宏觀紋理指標和動態摩擦系數F60之間相關系數為0.6的線性模型和基于B-P算法的多層感知器相關系數為0.8的非線性模型。

劉夢梅[23]針對現有IFI模型對不同紋理特征路面的區分度較差、忽視路面微觀紋理對抗滑貢獻等不足，提出紋理特性參數Tp和摩擦系數WFC，進而建立適用于不同測試速度下AC、SMA、OGFC路面且相關性均在0.9以上的多參數優化的IIFI抗滑模型。其中紋理特性參數Tp為考慮有效接觸輪廓下優選的宏、微觀尺度上是水平、豎直、形狀方向的混合料表面紋理評價指標。經驗證多參數優化的IIFI抗滑模型提高了速度域內路面不同速度下抗滑預測的準確性，并提出IFI抗滑模型的擴展應用，對于無法判斷路面類型時可根據MPD進行劃分，選擇與之對應的IIFI模型。

KOVá?M[29]等認為從路面紋理輪廓評估的二維紋理參數，缺少與顆粒形狀相關的表面特征，二維參數可能不足以提供與輪胎-道路相互作用描述相關的信息。因此采用靜態道路掃描儀測量路面紋理計算了85個不同的三維紋理參數，統計分析各三維宏、微觀紋理參數與擺式儀測量值PTV的相關性得出微觀紋理下支承率Smr2,MIC可為表征路面微觀紋理的評價指標，證實了微觀紋理對摩擦系數有顯著影響并提出基于微觀紋理三維參數的多元線性回歸摩擦系數預測模型。

CAOYZ[30]等提出一種基于路面三維微觀和宏觀紋理參數預測SFC的神經網絡模型，選擇了包含三維微觀結構參數和宏觀結構參數的神經網絡模型（R2為0.85）來預測SFC。驗證提出的神經網絡模型提供了通過非接觸式高分辨率3D激光掃描技術獲得SFC值的替代方案，而不是使用昂貴的側向摩阻力測試車SCRIM測量路面橫向力系數。

4 結語

（1）目前大部分路面抗滑性能評價均采用單一的評價參數，如平均構造深度（MTD）和平均斷面深度（MPD）等。決定路面抗滑性能的是多方面的，僅從某個參數單一評價是不合理的。應考慮路面宏、微觀紋理從二維、三維角度多尺度對路面抗滑性能進行評價。

（2）基于目前在集料的宏、微觀紋理對路面摩擦水平的影響研究，路面設計階段可根據集料的紋理特征合理設計級配以增大路面的抗滑性，可在路面抗滑病害分析中準確診斷抗滑不足的原因，為瀝青路面抗滑性能養護技術提供理論基礎和論據。

（3）目前研究路面表面紋理的特性從二維、三維多尺度研究得出許多與抗滑能力相關性高的宏、微觀紋理評價指標，均可用來評價路面紋理特性。根據目前的二維、三維紋理參數以及學者新提出的相關紋理評價參數，選擇合適的評價指標優化已有抗滑評價模型或建立抗滑能力評價模型，還需繼續研究適用不同類型路面相關預測模型，以此建立統一的路面抗滑能力綜合評價體系。

（4）目前國內外許多學者采用高精度圖像數字技術、激光掃描技術、攝影測量技術基于紋理對路面抗滑能力的進行研究，且基于這些技術提出不同路面抗滑能力預測模型很多。如何將研究所得的抗滑能力預測模型運用在實際道路測量、抗滑能力評價中以提高路面抗滑能力評價效率還需進一步的研究。