瀝青路面表面紋理測量及修復(fù)方法研究進(jìn)展

耿九光,蘭倩,劉光軍,周恒玉,劉潤喜

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064; 2.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471013)

路面抗滑性不足是導(dǎo)致交通事故發(fā)生的主要原因之一，而路面抗滑性能與路面紋理構(gòu)造特征有著密切的聯(lián)系[1-2]。目前，通常采用平均構(gòu)造深度(MTD)、平均斷面深度(MPD)以及摩擦系數(shù)(f)來評價路面抗滑性能[3]。隨著表面測試技術(shù)和數(shù)字圖像采集處理等技術(shù)的發(fā)展，可以得到真實的表面形貌從而更好地評價路面的紋理構(gòu)造[4-7]。

在氣候、車輛等綜合因素作用下路表紋理逐漸被磨損導(dǎo)致抗滑性變差，為此需要對路面進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)或維修來恢復(fù)正常的表面功能。本文從路面紋理構(gòu)造類型及其對路面抗滑性能的影響、路表紋理構(gòu)造測量方法和路面紋理修復(fù)措施三個方面來展開評述。

1 瀝青路面表面紋理構(gòu)造

1.1 瀝青路面表面紋理類型

路面抗滑性能與路表紋理構(gòu)造狀況有著密切聯(lián)系[8-9]。1987年，國際道路協(xié)會(PIARC，Permanent International Association of Road Congresses)，根據(jù)瀝青路面水平方向的波長、垂直方向振幅、功率譜特性及其對道路使用者所產(chǎn)生的可能影響，將瀝青路面表面構(gòu)造分為四種類型，包括微觀紋理、宏觀紋理、大構(gòu)造和不平度[10]，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。但在工程中為了方便研究構(gòu)造深度對抗滑性能的影響，通常將瀝青路面的構(gòu)造分為宏觀紋理(又稱“宏觀構(gòu)造”)和微觀紋理(又稱“微觀構(gòu)造”)，見圖1。

表1 路表紋理構(gòu)造分類Table 1 Road surface texture structure classification

圖1 路面宏觀紋理和微觀紋理

微觀構(gòu)造主要來源于瀝青膠漿表面和集料表面的微觀紋理特性。張淑文研究表明[11]，微觀構(gòu)造與車輛輪胎接觸時，頂部平滑的微凸體與胎面橡膠發(fā)生黏著摩擦力和微切削摩擦力約占輪胎與路面整個摩擦力的90%。車輛在濕潤的路面上行走時，輪胎與路面的咬合程度隨著路面微觀構(gòu)造密度、平均高度、輪胎與路面接觸面積增大而增大。

宏觀構(gòu)造主要取決于路表輪廓的粗糙程度，控制輪胎與路面之間的噪音以及高速行駛下的摩擦，在下雨天氣主要起排水作用[12]。大構(gòu)造和不平整度屬于有害構(gòu)造，對路面抗滑性能影響較小。大構(gòu)造會使行車噪音和滾動阻力的增加，不平整度主要影響車輛穩(wěn)定性、行車舒適性和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性[13]。

車輛在行駛過程中會使路表紋理產(chǎn)生磨損，路面抗滑性能減弱[14]。由于微觀紋理特征波太小無法捕獲，因此在工程實踐中直接測量路面的微觀紋理很難，一般通過優(yōu)選集料來控制。通常采用平均構(gòu)造深度(MTD)和平均斷面深度(MPD)來評估宏觀紋理[15-16]。MTD是路面與通過三個最高點(diǎn)的平面之間距離的三維表示。MPD是平均斷面深度的二維表示。盡管MPD和MTD可以表征路面摩擦和降噪特性，但它們僅代表路面表面紋理的整體特性，而不是詳細(xì)的紋理分布。表面紋理整體特性(即相同的MPD)相同的路面可以有不同的表面紋理分布并產(chǎn)生不同的防滑性和降噪性能[17]。因此需要準(zhǔn)確表征路面紋理構(gòu)造來評價路面的抗滑性能從而準(zhǔn)確預(yù)測路面表面性能。

1.2 瀝青路面表面紋理與路面抗滑性能的關(guān)系

研究者主要從兩方面研究瀝青路面表面紋理構(gòu)造與抗滑性能的關(guān)系。一是通過路表圖像重構(gòu)路面真實形貌，研究表面紋理特性與集料形狀特性與路面抗滑性能的關(guān)系；二是研究集料顆粒的物理化學(xué)特性，評價不同類型集料的抗磨耗性能以及其對路面抗滑性能的影響。

Kokkali等[18-20]使用路表形貌的分形維數(shù)研究了潮濕和磨損兩種情況的路面的抗滑性能，驗證了采用分形理論評價抗滑性能的有效性。孫楊勇[21]使用激光三角測量技術(shù)得到了花崗巖、玄武巖、閃長巖等粗集料表面微觀紋理圖像，采用盒子計數(shù)法進(jìn)行分維數(shù)D的計算，提出了瀝青路面抗滑表層粗集料設(shè)計選材時的分維數(shù)控制指標(biāo)。Thomas Fletcher等[22]利用圖像處理技術(shù)研究了粗細(xì)集料顆粒的特性，基于小波理論分析集料表面紋理。對于集料棱角性是在獲取集料單色照片后采用當(dāng)量橢圓指數(shù)AI定量描述的。對于集料顆粒的形狀是在獲取集料三維主軸長度后采用的是球狀指數(shù)SF來評定的。劉福明等[23]研究了集料的種類、級配等因素對抗滑性能的影響，研究得出級配最大粒徑越大，摩擦系數(shù)就越大。另有研究表明最大粒徑對構(gòu)造深度的影響比級配更加顯著[24]。錢朝清[25]應(yīng)用CT掃描系統(tǒng)得到瀝青路面芯樣的側(cè)視剖面圖，并用圖像分析處理軟件提取芯樣表面輪廓線，使用紋理參數(shù)Profile Line(PL)index表征構(gòu)造幾何特性，得出PL index 表征路表紋理特性是有效可行的。Malal Kane[26]采用德國研制的Wehner-Schulze磨光設(shè)備研究了三種不同巖性的集料在磨損前后微觀紋理和摩擦系數(shù)變化情況，得出在長期使用后三種集料抗滑性能排序為雜砂巖>花崗巖>石灰?guī)r。

2 瀝青路面表面紋理構(gòu)造測量方法

2.1 間接測量方法

間接測量法是用常規(guī)易實現(xiàn)的方法測量與路面紋理特性相關(guān)的其他指標(biāo)，從側(cè)面反映紋理狀況。通常采用擺式儀測量微觀紋理，采用鋪砂法和溢流時間法測量宏觀紋理。

鋪砂法由英國道路研究所設(shè)計，被很多國家將其納入規(guī)范，如我國現(xiàn)行規(guī)范《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》( JTG E60—2008)[27]和美國的ASTM E965。該方法是將一定體積的標(biāo)準(zhǔn)砂或者玻璃珠攤鋪在測試路面上，用推平板將砂推平并形成圓形，用砂的體積與攤鋪面積比值得出測點(diǎn)的構(gòu)造深度平均值MTD。鋪砂法特點(diǎn)是操作方便，但勞動強(qiáng)度大，安全性差且不適合用于檢測開放交通路面以及在潮濕天氣下測試。鋪砂法根據(jù)儀器不同，可以分為手工和電動鋪砂法兩種，雖然兩者原理相同，但是電動鋪砂法降低了人工法在攤鋪時的誤差，因其設(shè)備推廣不全面，所以手工鋪砂法仍是我國主要的表面構(gòu)造深度測試方法。程志豪等[28]指出大空隙排水路面空隙的直徑遠(yuǎn)大于鋪砂法所用砂的粒徑，砂會漏到路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)漏砂，從而導(dǎo)致測量結(jié)果偏大，Gao L等[29]基于CT掃描法修正了誤差。

擺式儀法可以直接測試路面摩擦系數(shù)，具有容易操作、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是測試點(diǎn)不具有代表性且試驗數(shù)據(jù)易受試驗者主觀因素、技能、路面潮濕狀況、設(shè)備狀況的影響。

溢流時間法是由Henry等[30]開發(fā)的，該方法是將一個配有橡膠密封圈底座的圓柱形筒在一定的壓力下放置于路面上，筒內(nèi)裝一定體積的水，采用水流出的總時間來評價路面宏觀紋理，與鋪砂法相比更容易操作，重復(fù)性高。

2.2 直接測量方法

隨著表面測試技術(shù)、光電技術(shù)和數(shù)字圖像采集處理技術(shù)的發(fā)展，各種表面形貌直接測量方法不斷被提出。相對于間接測量法，直接測量法可以直接獲取路表二維或三維形貌，測量結(jié)果直觀形象，可以直接用于路表紋理特征的評價。常用的測量方法有接觸式表面輪廓儀、激光位移傳感系統(tǒng)、反射式光纖傳感系統(tǒng)、基于計算機(jī)視覺技術(shù)的檢測設(shè)備等。其中反射式光纖傳感類必須對測試表面進(jìn)行鍍膜因此應(yīng)用受到了限制[31]。

接觸式表面輪廓儀是用計算機(jī)記錄微型探針從被測表面劃動過程中的位移，從而測得路面的表面輪廓。該方法測量精度可達(dá)到0.7 μm，測量高度可達(dá)40 mm，穩(wěn)定性好，但其高硬度的探針會破壞路面原有微觀構(gòu)造從而影響測量精度，同時該設(shè)備多用于二維直線式測量，難以得到路面全面的三維形貌[32]。

激光位移傳感類測試系統(tǒng)根據(jù)原理可以分為激光三角法和激光共聚焦跟蹤法。激光三角法是將待測物體、光源及接收設(shè)備形成三角形光路，故稱之為三角測距法，其中直射式三角法更適合用于瀝青路面紋理檢測。激光三角法是通過激光傳感器感應(yīng)光束所處的位置來獲得表面紋理的高度信息，之后采用圖像處理技術(shù)并經(jīng)過特定的算法將高度信息轉(zhuǎn)化成需要的構(gòu)造深度。激光共聚焦原理則是通過檢測在機(jī)械驅(qū)動下跟著聚焦點(diǎn)移動的鏡頭的位移來得到路面表面高程變化情況。孫瑞寧[4]采用線激光與點(diǎn)陣相機(jī)CCD采集路面信息，再經(jīng)過通過圖像處理檢測了路面構(gòu)造深度(見圖2)。歐美國家應(yīng)用的環(huán)形測路儀就是采用一個電荷耦合激光位移傳感器測量圓形斷面的MPD從而研究分析路面的粗構(gòu)造的紋理[33]。丁世海等[34]采用激光三角法獲取路面0.1 mm精度三維高程數(shù)據(jù)，使用四連通區(qū)域多種子組合填充算法計算了宏觀紋理構(gòu)造深度，發(fā)現(xiàn)與鋪砂法得到的(MTD)相關(guān)性較高。Zahouani等[35]利用激光聚焦跟蹤法測量了路面微觀構(gòu)造的二維輪廓，波長、高度方向可精確至1,0.1 μm，但該方法存在局限性，只適用于試驗室不適用于現(xiàn)場檢測且不能檢測路面宏觀紋理。

圖2 線激光三角檢測系統(tǒng)[4]

基于計算機(jī)視覺的紋理檢測方法是利用圖像處理技術(shù)提取圖片中的有用信息，包括圖像處理法、光度立體法和雙目立體視覺等。此方法具有設(shè)備簡單、成本低廉、操作簡單、節(jié)省人力物力等優(yōu)點(diǎn)，同時有利于推廣，能夠大范圍檢測路面構(gòu)造并且不對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何影響。施敏[5]和胡克波等[6]基于圖像處理技術(shù)采用雙目立體視覺三維重構(gòu)技術(shù)提取路面紋理信息，通過與三維坐標(biāo)掃描儀結(jié)果相比證明了此方法的可靠性。El Gendy和Shalabi[36]使用四源光度立體系統(tǒng)對路面進(jìn)行三維(3D)重建，矯正了路面高光反射以及陰影造成恢復(fù)的3D形貌變形失真，采用功率譜能量(PSE)作為路面紋理指標(biāo)評估紋理高度和粗糙度分布。雷進(jìn)軍[7]基于四光源光度立體視覺的高分辨圖形快速生成路面紋理三維模型，用分形參數(shù)描述了路面紋理特征?；诠舛攘Ⅲw的三維重構(gòu)技術(shù)具有設(shè)備簡單、拍攝方便、分辨率高、不用定標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。但是，相機(jī)和光照等會引起細(xì)小誤差從而直接影響三維重構(gòu)的精度。采取多個光源、亮度矩陣低秩恢復(fù)等方法可以提高測量精度，從而保證準(zhǔn)確提取路面宏、微觀三維紋理形貌信息。

綜上所述，隨著表面測試技術(shù)、光電技術(shù)和數(shù)字圖像采集處理技術(shù)成熟與快速發(fā)展，激光位移傳感類測試系統(tǒng)、基于計算機(jī)視覺技術(shù)的紋理檢測設(shè)備等路面紋理測量方法對瀝青路面表面紋理的掃描和獲取讀取技術(shù)已日臻成熟，借助這一類方式獲取瀝青路面表面紋理信息的方法是可靠、有效的。

3 瀝青路面紋理修復(fù)措施

新建的瀝青路面在車輪不斷碾壓和摩擦作用下，暴露的集料不斷被磨光同時瀝青混合料不斷被壓實導(dǎo)致粗糙度降低，進(jìn)而導(dǎo)致抗滑性能降低。加鋪抗滑性表層和表面機(jī)械處理等方法可以有效的提高新建公路和修復(fù)舊路表紋理構(gòu)造深度從而保證瀝青路面的抗滑性能。

3.1 加鋪抗滑表層

加鋪抗滑表層是一種經(jīng)濟(jì)且有效的方法。國內(nèi)外對抗滑表層的研究大多集中在抗滑表層的瀝青混合料形式和級配類型上，主要有嵌入式抗滑表層、瀝青瑪蹄脂碎石瀝青混合料、薄層瀝青混凝土、多孔隙瀝青混凝土、分異型瀝青混合料、多碎石瀝青混凝土、富集料碾壓瀝青混凝土、微表處和稀漿封層等。

嵌入式抗滑表層是在瀝青混凝土上嵌壓經(jīng)瀝青預(yù)拌的優(yōu)質(zhì)集料后所形成的一種抗滑表層，具有宏觀構(gòu)造深度大和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用于英國，此方法不適用于夏季氣溫大于25 ℃的情況。

瀝青瑪蹄脂碎石瀝青混合料(SMA)路面是由德國開發(fā)的，是一種粗集料、斷級配、密實型瀝青混凝土。該路面的表面構(gòu)造深度可達(dá)到1～1.5 mm，因此抗滑性能較好，但是該路面成本高。

法國薄層瀝青混凝土(BBM)也是一種密實型間斷級配的瀝青混凝土，其礦料級配在2～6.3 mm間是斷的，大于6.3 mm的礦料占65%，空隙率在6%～12%之間。BBM表面構(gòu)造深度大于0.6 mm，因此抗滑特性較好。

多孔隙瀝青混凝土(PAWC)路面是由大量集料、少量填料和瀝青組成的，有的國家也稱之為OGFC(開級配磨耗層)。其空隙率一般在18%～25%之間，表面構(gòu)造深度較大，但是孔隙容易被灰塵等雜質(zhì)堵塞而影響其排水抗滑性能。

分異型瀝青混合料是基于集料之間耐磨性能的差異，在行車荷載磨耗作用下生成新的紋理構(gòu)造，使混合料構(gòu)造特性保持良好的一種抗滑表層技術(shù)，常使用于主要道路養(yǎng)護(hù)中[37-38]。

多碎石瀝青混凝土(SAC)是我國在1988年自主研發(fā)的一種粗集料斷級配骨架密實型瀝青混凝土，SAC粗集料、細(xì)集料各個篩孔的通過率分別是一條指數(shù)較大和指數(shù)較小的冪函數(shù)曲線[39]，它使粗集料形成間隙率較大的骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)集料和礦粉填充在骨架結(jié)構(gòu)中形成優(yōu)良的表面構(gòu)造深度，抗滑性能較好。但是由于施工等問題會使路面產(chǎn)生早期破壞從而導(dǎo)致路面的構(gòu)造深度減小，抗滑性能降低。

富集料碾壓瀝青混凝土(VIACPTOP)簡稱ABC，是瑞典提出的一種粗集料、斷級配的瀝青混凝土，其孔隙率較大且骨架承受能力較強(qiáng)，可調(diào)整公稱最大粒徑來滿足不同的用途。

微表處和稀漿封層是我國早期恢復(fù)路面粗糙度的方法，這類表層構(gòu)造深度較小，耐久性較差，但成本低，適用于低等級道路。

綜上，抗滑表層存在的三個問題，一是抗滑但是耐久性差，二是防水但不抗滑，三是抗滑但成本高。針對這三個問題近年來出現(xiàn)了許多新型抗滑薄層技術(shù)如抗滑霧封層、水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青超薄抗滑表層(EAS)?？够F封層是將鐵鋼砂和封層材料利用專業(yè)設(shè)備均勻撒布在路面上，通過特殊工藝形成一種具有高效防水、抗滑的超薄層，此技術(shù)可以有效地恢復(fù)路面的表面形貌，增大路面的粗糙度[40]。EAS是采用水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青作為膠結(jié)料材料的新型罩面技術(shù)，可以處理原路面磨光、磨損等病害，提高路面宏觀紋理構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)，有效地解決了原路面抗滑性不足的問題[41]。

3.2 表面機(jī)械處理

表面機(jī)械處理有金剛石鋸片刻槽、噴砂打毛、精(微)銑刨和拋丸法[42]。金剛石鋸片刻槽法是通過采用密間距的研磨刀片在高速旋轉(zhuǎn)輪轂的帶動下，與路面產(chǎn)生一定深度和寬度的鋸切槽，同時去除4～6 mm的混凝土薄層。噴砂打毛法是利用噴射機(jī)將小石子或者小鐵珠噴射到路表，使路表形成粗糙面。噴射出來的珠子或石子會反彈回來傷害工作人員且噴射機(jī)較貴。拋丸是利用離心力將高速的金屬丸對瀝青路面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，從而使瀝青路面的雜質(zhì)、附著物以及其他需要清理的物質(zhì)處于剝離狀態(tài)。經(jīng)過處理后的瀝青路面會形成許多均勻致密的小坑，增加了路表的粗糙度從而改善了瀝青路面的抗滑性。該方法相比于其他表面處治技術(shù)更快，但其缺點(diǎn)是抗滑耐久性差、成本較高[43]。精銑刨或微銑刨方法是通過清除路面磨損層或者堆積過多的瀝青以此來恢復(fù)路面摩擦系數(shù)。此方法在清除銑刨的路面材料后即可開放交通，效率極高[44]。

瀝青路面紋理修復(fù)雖然有很多成熟的施工工藝和設(shè)備，但普遍存在不能兼顧成本低、抗滑性能和防水性能優(yōu)異這三方面。為了能更好的適應(yīng)現(xiàn)代瀝青路面的使用及養(yǎng)護(hù)要求，需要尋找成本低、修復(fù)效果好、速度快、對交通影響小的設(shè)備和工藝來提高新建公路和修復(fù)舊路面表面宏觀紋理與微觀紋理構(gòu)造深度從而保證瀝青路面的抗滑性能。

4 結(jié)論

(1)國際道路協(xié)會將瀝青路面表面構(gòu)造分微觀紋理、宏觀紋理、大構(gòu)造和不平度度，但在工程上將路面表面構(gòu)造分為宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造。傳統(tǒng)的瀝青路面紋理評價指標(biāo)平均構(gòu)造深度(MTD)和平均斷面深度(MPD)可以表征路面摩擦和降噪特性，但它們僅代表路面表面紋理的整體特性，而不是詳細(xì)的紋理分布。因此需要準(zhǔn)確表征路面紋理構(gòu)造來評價路面的抗滑性能從而準(zhǔn)確預(yù)測路面表面性能。

(2)路面抗滑性能與路表紋理構(gòu)造狀況有著密切聯(lián)系。研究者主要從兩方面研究瀝青路面表面紋理構(gòu)造與抗滑性能的關(guān)系。一是通過路表圖像重構(gòu)路面真實形貌，研究表面紋理特性與集料形狀特性與路面抗滑性能的關(guān)系；二是研究集料顆粒的物理化學(xué)特性，評價不同類型集料的抗磨耗性能以及其對路面抗滑性能的影響。

(3)采用鋪砂法、溢流時間法和擺式儀等間接法測量路面表面紋理雖然操作方便但是不能直觀形象地表征路面構(gòu)造特征。直接測量法能夠直接獲取路面二維或三維形貌，測量結(jié)果形象直觀。其中激光聚焦跟蹤法只適合試驗室檢測，不能用于現(xiàn)場檢測且不能檢測路面宏觀紋理?；谟嬎銠C(jī)視覺的紋理檢測方法具有設(shè)備簡單、成本低廉、操作簡單、節(jié)省人力物力等優(yōu)點(diǎn)，但是易受圖像采集裝置、光照等設(shè)備以及三維重構(gòu)精度的影響從而導(dǎo)致測量精度無法滿足要求。

(4)在路面服役期間路面紋理會逐漸被磨損，采用加鋪抗滑表層或機(jī)械法可以恢復(fù)路面紋理構(gòu)造，增加路面粗糙度從而提高抗滑性能，保證行車安全。