耿九光,兰倩,刘光军,周恒玉,刘润喜

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064; 2.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛阳 471013)

路面抗滑性不足是导致交通事故发生的主要原因之一，而路面抗滑性能与路面纹理构造特征有着密切的联系[1-2]。目前，通常采用平均构造深度(MTD)、平均断面深度(MPD)以及摩擦系数(f)来评价路面抗滑性能[3]。随着表面测试技术和数字图像采集处理等技术的发展，可以得到真实的表面形貌从而更好地评价路面的纹理构造[4-7]。

在气候、车辆等综合因素作用下路表纹理逐渐被磨损导致抗滑性变差，为此需要对路面进行预防性养护或维修来恢复正常的表面功能。本文从路面纹理构造类型及其对路面抗滑性能的影响、路表纹理构造测量方法和路面纹理修复措施三个方面来展开评述。

1 沥青路面表面纹理构造

1.1 沥青路面表面纹理类型

路面抗滑性能与路表纹理构造状况有着密切联系[8-9]。1987年，国际道路协会(PIARC，Permanent International Association of Road Congresses)，根据沥青路面水平方向的波长、垂直方向振幅、功率谱特性及其对道路使用者所产生的可能影响，将沥青路面表面构造分为四种类型，包括微观纹理、宏观纹理、大构造和不平度[10]，其划分标准见表1。但在工程中为了方便研究构造深度对抗滑性能的影响，通常将沥青路面的构造分为宏观纹理(又称“宏观构造”)和微观纹理(又称“微观构造”)，见图1。

表1 路表纹理构造分类Table 1 Road surface texture structure classification

图1 路面宏观纹理和微观纹理

微观构造主要来源于沥青胶浆表面和集料表面的微观纹理特性。张淑文研究表明[11]，微观构造与车辆轮胎接触时，顶部平滑的微凸体与胎面橡胶发生黏着摩擦力和微切削摩擦力约占轮胎与路面整个摩擦力的90%。车辆在湿润的路面上行走时，轮胎与路面的咬合程度随着路面微观构造密度、平均高度、轮胎与路面接触面积增大而增大。

宏观构造主要取决于路表轮廓的粗糙程度，控制轮胎与路面之间的噪音以及高速行驶下的摩擦，在下雨天气主要起排水作用[12]。大构造和不平整度属于有害构造，对路面抗滑性能影响较小。大构造会使行车噪音和滚动阻力的增加，不平整度主要影响车辆稳定性、行车舒适性和运营经济性[13]。

车辆在行驶过程中会使路表纹理产生磨损，路面抗滑性能减弱[14]。由于微观纹理特征波太小无法捕获，因此在工程实践中直接测量路面的微观纹理很难，一般通过优选集料来控制。通常采用平均构造深度(MTD)和平均断面深度(MPD)来评估宏观纹理[15-16]。MTD是路面与通过三个最高点的平面之间距离的三维表示。MPD是平均断面深度的二维表示。尽管MPD和MTD可以表征路面摩擦和降噪特性，但它们仅代表路面表面纹理的整体特性，而不是详细的纹理分布。表面纹理整体特性(即相同的MPD)相同的路面可以有不同的表面纹理分布并产生不同的防滑性和降噪性能[17]。因此需要准确表征路面纹理构造来评价路面的抗滑性能从而准确预测路面表面性能。

1.2 沥青路面表面纹理与路面抗滑性能的关系

研究者主要从两方面研究沥青路面表面纹理构造与抗滑性能的关系。一是通过路表图像重构路面真实形貌，研究表面纹理特性与集料形状特性与路面抗滑性能的关系；二是研究集料颗粒的物理化学特性，评价不同类型集料的抗磨耗性能以及其对路面抗滑性能的影响。

Kokkali等[18-20]使用路表形貌的分形维数研究了潮湿和磨损两种情况的路面的抗滑性能，验证了采用分形理论评价抗滑性能的有效性。孙杨勇[21]使用激光三角测量技术得到了花岗岩、玄武岩、闪长岩等粗集料表面微观纹理图像，采用盒子计数法进行分维数D的计算，提出了沥青路面抗滑表层粗集料设计选材时的分维数控制指标。Thomas Fletcher等[22]利用图像处理技术研究了粗细集料颗粒的特性，基于小波理论分析集料表面纹理。对于集料棱角性是在获取集料单色照片后采用当量椭圆指数AI定量描述的。对于集料颗粒的形状是在获取集料三维主轴长度后采用的是球状指数SF来评定的。刘福明等[23]研究了集料的种类、级配等因素对抗滑性能的影响，研究得出级配最大粒径越大，摩擦系数就越大。另有研究表明最大粒径对构造深度的影响比级配更加显著[24]。钱朝清[25]应用CT扫描系统得到沥青路面芯样的侧视剖面图，并用图像分析处理软件提取芯样表面轮廓线，使用纹理参数Profile Line(PL)index表征构造几何特性，得出PL index 表征路表纹理特性是有效可行的。Malal Kane[26]采用德国研制的Wehner-Schulze磨光设备研究了三种不同岩性的集料在磨损前后微观纹理和摩擦系数变化情况，得出在长期使用后三种集料抗滑性能排序为杂砂岩>花岗岩>石灰岩。

2 沥青路面表面纹理构造测量方法

2.1 间接测量方法

间接测量法是用常规易实现的方法测量与路面纹理特性相关的其他指标，从侧面反映纹理状况。通常采用摆式仪测量微观纹理，采用铺砂法和溢流时间法测量宏观纹理。

铺砂法由英国道路研究所设计，被很多国家将其纳入规范，如我国现行规范《公路路基路面现场测试规程》( JTG E60—2008)[27]和美国的ASTM E965。该方法是将一定体积的标准砂或者玻璃珠摊铺在测试路面上，用推平板将砂推平并形成圆形，用砂的体积与摊铺面积比值得出测点的构造深度平均值MTD。铺砂法特点是操作方便，但劳动强度大，安全性差且不适合用于检测开放交通路面以及在潮湿天气下测试。铺砂法根据仪器不同，可以分为手工和电动铺砂法两种，虽然两者原理相同，但是电动铺砂法降低了人工法在摊铺时的误差，因其设备推广不全面，所以手工铺砂法仍是我国主要的表面构造深度测试方法。程志豪等[28]指出大空隙排水路面空隙的直径远大于铺砂法所用砂的粒径，砂会漏到路面内部结构漏砂，从而导致测量结果偏大，Gao L等[29]基于CT扫描法修正了误差。

摆式仪法可以直接测试路面摩擦系数，具有容易操作、结果直观等优点，缺点是测试点不具有代表性且试验数据易受试验者主观因素、技能、路面潮湿状况、设备状况的影响。

溢流时间法是由Henry等[30]开发的，该方法是将一个配有橡胶密封圈底座的圆柱形筒在一定的压力下放置于路面上，筒内装一定体积的水，采用水流出的总时间来评价路面宏观纹理，与铺砂法相比更容易操作，重复性高。

2.2 直接测量方法

随着表面测试技术、光电技术和数字图像采集处理技术的发展，各种表面形貌直接测量方法不断被提出。相对于间接测量法，直接测量法可以直接获取路表二维或三维形貌，测量结果直观形象，可以直接用于路表纹理特征的评价。常用的测量方法有接触式表面轮廓仪、激光位移传感系统、反射式光纤传感系统、基于计算机视觉技术的检测设备等。其中反射式光纤传感类必须对测试表面进行镀膜因此应用受到了限制[31]。

接触式表面轮廓仪是用计算机记录微型探针从被测表面划动过程中的位移，从而测得路面的表面轮廓。该方法测量精度可达到0.7 μm，测量高度可达40 mm，稳定性好，但其高硬度的探针会破坏路面原有微观构造从而影响测量精度，同时该设备多用于二维直线式测量，难以得到路面全面的三维形貌[32]。

激光位移传感类测试系统根据原理可以分为激光三角法和激光共聚焦跟踪法。激光三角法是将待测物体、光源及接收设备形成三角形光路，故称之为三角测距法，其中直射式三角法更适合用于沥青路面纹理检测。激光三角法是通过激光传感器感应光束所处的位置来获得表面纹理的高度信息，之后采用图像处理技术并经过特定的算法将高度信息转化成需要的构造深度。激光共聚焦原理则是通过检测在机械驱动下跟着聚焦点移动的镜头的位移来得到路面表面高程变化情况。孙瑞宁[4]采用线激光与点阵相机CCD采集路面信息，再经过通过图像处理检测了路面构造深度(见图2)。欧美国家应用的环形测路仪就是采用一个电荷耦合激光位移传感器测量圆形断面的MPD从而研究分析路面的粗构造的纹理[33]。丁世海等[34]采用激光三角法获取路面0.1 mm精度三维高程数据，使用四连通区域多种子组合填充算法计算了宏观纹理构造深度，发现与铺砂法得到的(MTD)相关性较高。Zahouani等[35]利用激光聚焦跟踪法测量了路面微观构造的二维轮廓，波长、高度方向可精确至1,0.1 μm，但该方法存在局限性，只适用于试验室不适用于现场检测且不能检测路面宏观纹理。

图2 线激光三角检测系统[4]

基于计算机视觉的纹理检测方法是利用图像处理技术提取图片中的有用信息，包括图像处理法、光度立体法和双目立体视觉等。此方法具有设备简单、成本低廉、操作简单、节省人力物力等优点，同时有利于推广，能够大范围检测路面构造并且不对结构产生任何影响。施敏[5]和胡克波等[6]基于图像处理技术采用双目立体视觉三维重构技术提取路面纹理信息，通过与三维坐标扫描仪结果相比证明了此方法的可靠性。El Gendy和Shalabi[36]使用四源光度立体系统对路面进行三维(3D)重建，矫正了路面高光反射以及阴影造成恢复的3D形貌变形失真，采用功率谱能量(PSE)作为路面纹理指标评估纹理高度和粗糙度分布。雷进军[7]基于四光源光度立体视觉的高分辨图形快速生成路面纹理三维模型，用分形参数描述了路面纹理特征。基于光度立体的三维重构技术具有设备简单、拍摄方便、分辨率高、不用定标等优点。但是，相机和光照等会引起细小误差从而直接影响三维重构的精度。采取多个光源、亮度矩阵低秩恢复等方法可以提高测量精度，从而保证准确提取路面宏、微观三维纹理形貌信息。

综上所述，随着表面测试技术、光电技术和数字图像采集处理技术成熟与快速发展，激光位移传感类测试系统、基于计算机视觉技术的纹理检测设备等路面纹理测量方法对沥青路面表面纹理的扫描和获取读取技术已日臻成熟，借助这一类方式获取沥青路面表面纹理信息的方法是可靠、有效的。

3 沥青路面纹理修复措施

新建的沥青路面在车轮不断碾压和摩擦作用下，暴露的集料不断被磨光同时沥青混合料不断被压实导致粗糙度降低，进而导致抗滑性能降低。加铺抗滑性表层和表面机械处理等方法可以有效的提高新建公路和修复旧路表纹理构造深度从而保证沥青路面的抗滑性能。

3.1 加铺抗滑表层

加铺抗滑表层是一种经济且有效的方法。国内外对抗滑表层的研究大多集中在抗滑表层的沥青混合料形式和级配类型上，主要有嵌入式抗滑表层、沥青玛蹄脂碎石沥青混合料、薄层沥青混凝土、多孔隙沥青混凝土、分异型沥青混合料、多碎石沥青混凝土、富集料碾压沥青混凝土、微表处和稀浆封层等。

嵌入式抗滑表层是在沥青混凝土上嵌压经沥青预拌的优质集料后所形成的一种抗滑表层，具有宏观构造深度大和耐久性好等优点。主要应用于英国，此方法不适用于夏季气温大于25 ℃的情况。

沥青玛蹄脂碎石沥青混合料(SMA)路面是由德国开发的，是一种粗集料、断级配、密实型沥青混凝土。该路面的表面构造深度可达到1～1.5 mm，因此抗滑性能较好，但是该路面成本高。

法国薄层沥青混凝土(BBM)也是一种密实型间断级配的沥青混凝土，其矿料级配在2～6.3 mm间是断的，大于6.3 mm的矿料占65%，空隙率在6%～12%之间。BBM表面构造深度大于0.6 mm，因此抗滑特性较好。

多孔隙沥青混凝土(PAWC)路面是由大量集料、少量填料和沥青组成的，有的国家也称之为OGFC(开级配磨耗层)。其空隙率一般在18%～25%之间，表面构造深度较大，但是孔隙容易被灰尘等杂质堵塞而影响其排水抗滑性能。

分异型沥青混合料是基于集料之间耐磨性能的差异，在行车荷载磨耗作用下生成新的纹理构造，使混合料构造特性保持良好的一种抗滑表层技术，常使用于主要道路养护中[37-38]。

多碎石沥青混凝土(SAC)是我国在1988年自主研发的一种粗集料断级配骨架密实型沥青混凝土，SAC粗集料、细集料各个筛孔的通过率分别是一条指数较大和指数较小的幂函数曲线[39]，它使粗集料形成间隙率较大的骨架结构，细集料和矿粉填充在骨架结构中形成优良的表面构造深度，抗滑性能较好。但是由于施工等问题会使路面产生早期破坏从而导致路面的构造深度减小，抗滑性能降低。

富集料碾压沥青混凝土(VIACPTOP)简称ABC，是瑞典提出的一种粗集料、断级配的沥青混凝土，其孔隙率较大且骨架承受能力较强，可调整公称最大粒径来满足不同的用途。

微表处和稀浆封层是我国早期恢复路面粗糙度的方法，这类表层构造深度较小，耐久性较差，但成本低，适用于低等级道路。

综上，抗滑表层存在的三个问题，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。针对这三个问题近年来出现了许多新型抗滑薄层技术如抗滑雾封层、水性环氧树脂乳化沥青超薄抗滑表层(EAS)。抗滑雾封层是将铁钢砂和封层材料利用专业设备均匀撒布在路面上，通过特殊工艺形成一种具有高效防水、抗滑的超薄层，此技术可以有效地恢复路面的表面形貌，增大路面的粗糙度[40]。EAS是采用水性环氧树脂乳化沥青作为胶结料材料的新型罩面技术，可以处理原路面磨光、磨损等病害，提高路面宏观纹理构造深度和摩擦系数，有效地解决了原路面抗滑性不足的问题[41]。

3.2 表面机械处理

表面机械处理有金刚石锯片刻槽、喷砂打毛、精(微)铣刨和抛丸法[42]。金刚石锯片刻槽法是通过采用密间距的研磨刀片在高速旋转轮毂的带动下，与路面产生一定深度和宽度的锯切槽，同时去除4～6 mm的混凝土薄层。喷砂打毛法是利用喷射机将小石子或者小铁珠喷射到路表，使路表形成粗糙面。喷射出来的珠子或石子会反弹回来伤害工作人员且喷射机较贵。抛丸是利用离心力将高速的金属丸对沥青路面产生强烈的冲击，从而使沥青路面的杂质、附着物以及其他需要清理的物质处于剥离状态。经过处理后的沥青路面会形成许多均匀致密的小坑，增加了路表的粗糙度从而改善了沥青路面的抗滑性。该方法相比于其他表面处治技术更快，但其缺点是抗滑耐久性差、成本较高[43]。精铣刨或微铣刨方法是通过清除路面磨损层或者堆积过多的沥青以此来恢复路面摩擦系数。此方法在清除铣刨的路面材料后即可开放交通，效率极高[44]。

沥青路面纹理修复虽然有很多成熟的施工工艺和设备，但普遍存在不能兼顾成本低、抗滑性能和防水性能优异这三方面。为了能更好的适应现代沥青路面的使用及养护要求，需要寻找成本低、修复效果好、速度快、对交通影响小的设备和工艺来提高新建公路和修复旧路面表面宏观纹理与微观纹理构造深度从而保证沥青路面的抗滑性能。

4 结论

(1)国际道路协会将沥青路面表面构造分微观纹理、宏观纹理、大构造和不平度度，但在工程上将路面表面构造分为宏观构造和微观构造。传统的沥青路面纹理评价指标平均构造深度(MTD)和平均断面深度(MPD)可以表征路面摩擦和降噪特性，但它们仅代表路面表面纹理的整体特性，而不是详细的纹理分布。因此需要准确表征路面纹理构造来评价路面的抗滑性能从而准确预测路面表面性能。

(2)路面抗滑性能与路表纹理构造状况有着密切联系。研究者主要从两方面研究沥青路面表面纹理构造与抗滑性能的关系。一是通过路表图像重构路面真实形貌，研究表面纹理特性与集料形状特性与路面抗滑性能的关系；二是研究集料颗粒的物理化学特性，评价不同类型集料的抗磨耗性能以及其对路面抗滑性能的影响。

(3)采用铺砂法、溢流时间法和摆式仪等间接法测量路面表面纹理虽然操作方便但是不能直观形象地表征路面构造特征。直接测量法能够直接获取路面二维或三维形貌，测量结果形象直观。其中激光聚焦跟踪法只适合试验室检测，不能用于现场检测且不能检测路面宏观纹理。基于计算机视觉的纹理检测方法具有设备简单、成本低廉、操作简单、节省人力物力等优点，但是易受图像采集装置、光照等设备以及三维重构精度的影响从而导致测量精度无法满足要求。

(4)在路面服役期间路面纹理会逐渐被磨损，采用加铺抗滑表层或机械法可以恢复路面纹理构造，增加路面粗糙度从而提高抗滑性能，保证行车安全。