沥青路表纹理特性与抗滑性能相关关系研究

黄洁玲, 汪嘉淇, 吴泽宇, 徐誉扬, 朱培军, 黄海南

(福建农林大学交通与土木工程学院, 福州 350100)

0 引言

我国高速公路的不断建设和等级的提高,公路运输整体呈现出高速大流量的特点. 在这种情况下,道路安全问题变得愈来愈突出,近些年来,我国道路交通事故频频发生且数量庞大,道路交通事故带来的人身伤害与经济损失已成为我们国家迫在眉睫的社会问题和公共安全问题. 其中路面抗滑性能是决定道路安全状况好坏的关键因素,路表纹理特征与沥青路面的抗滑性能之间具有紧密的联系. 基于此,国内外许多学者做了大量研究. Serigost[1]对比分析测得的纹理数据与路面摩擦系数,得出了相关关系,从而能利用路面微观纹理来预测路面摆值与摩擦系数的大小. 蒋超[2]利用三维结构光检测系统获取水泥路面三维构造信息,并利用Matlab软件计算水泥路面的宏观构造表征参数;Flintsch[3]运用了铺砂法与动摩擦系数仪获得不同路面试件的宏观纹理参数,从而得出所测路面的宏观纹理指标与其平均断面深度有着很好的相关性的结论;刘林等[4]利用Matlab软件读取沥青路面的三维构造信息,计算轮廓算术平均偏差等表征路面纹理的参数,分析了这些参数与抗滑性能的相关性;于世海等[5-7]用电子激光检测的原理计算路面构造深度,结果显示其可靠性较高.

综上,国内外学者在获取沥青路面纹理数据、分析纹理构造参数与路面抗滑性能之间的关系方面进行了许多研究. 但是目前较少有学者把宏、微观纹理结构相结合来综合评价它们对路面抗滑性能的影响程度,并且缺乏对沥青路表纹理评价参数与其抗滑性能之间相关性的定量分析研究. 同时,现有对路面抗滑性能的研究多是以室内实验为主,但是在室内实验中对于环境因素的考虑不多或者不够全面,因此考虑真实环境因素作用下的沥青路面更符合路面真实的抗滑情况,所以用正在运营中的沥青路面作为试验试件来探究沥青路面表面纹理特性与抗滑性能的相关关系更具有现实意义. 因此,本文选择营运中的沥青道路作为研究对象,采用激光纹理扫描小车进行宏、微观纹理的测定,再利用Matlab软件重构沥青路面三维数据模型并进行指标的计算,利用摆式摩擦测定仪测量摆值,最后量化沥青道路表面纹理特性与抗滑性能的相关关系.

1 沥青路面纹理评价方法研究

1.1 沥青路面纹理分类

路面纹理分类与形成原因如表1所示.

表1 路面纹理的分类与形成原因

由表1可知,沥青路面纹理分为4类,分别为微观构造、宏观构造、大构造和平整度. 其中,微观构造和宏观构造形成原因主要与集料、混合料特征等相关;大构造和平整度形成原因主要与病害与施工等有关.

1.2 研究对象选取

4种路面构造对车辆的安全行驶产生了直接的影响,宏、微观构造可反映出路面的抗滑性能高低程度,特别是当车辆在较低速度行驶时,微观构造特征直接决定了抗滑性能的高低;而当车辆的行驶速度较高时,宏观构造就决定了路面的抗滑性能,其中的大构造和平整度对路面抗滑性能的影响不大,可不纳入考虑范围. 因此,本研究把宏、微观构造的分布特性作为抗滑性能研究的主要研究对象. 考虑真实环境因素作用下的沥青路面更符合路面真实的抗滑情况,本研究选取2条正在运营中的沥青路面作为试验试件来探究沥青路面表面纹理特性与抗滑性能的相关关系.

1.3 测量方案与数据处理

1)测试人员驾驶激光纹理扫描小车前往研究的沥青道路进行路表纹理采集,每条道路各设置 5个图像采集点,采集点与摆式摩擦系数仪测试点位置一致,所采集的路表纹理数据以二维.jpg、三维.tif格式储存.

2)为进行沥青表面纹理特性与抗滑性能的定量分析,本文利用MATLAB软件提取三维图像中的像素值.

3)删除异常数据,并确定水平面. 路表由于车辙、路面横坡等原因,路面纹理在一定程度上是倾斜的. 如果整个数据网络基于同个水平高度则不同轮廓线相对于同一水平面的平均高度将大不相同,并会对最终的指标计算产生一定的影响. 因此,本文对每1条轮廓线各自进行水平面的确定,经过对比分析后本文选择中位值的绝对值为水平面.

4)根据已知高度物体的三维图像像素值得出物体像素值与其实际高度的比值,将处理后的三维纹理图像像素值转化为路面轮廓的真实高程值.

5)本文路面抗滑性能研究对象重点以路面宏观构造和微观构造为主,根据其取值范围,分别提取宏观与微观纹理的高程值为后文宏观、微观纹理评价指标的计算提供数据基础.

1.4 沥青路面纹理指标计算

由激光纹理扫描小车所采集沥青表面纹理高程数据计算沥青路面宏观纹理指标如图1所示.

图1 沥青路面宏观纹理指标

由图1(a)可得,沥青路面平均断面深度值存在一定的波动,旧沥青路面在1.5～4 mm之间波动,新建沥青道路路面在2～3.5 mm之间波动,新建沥青路面波动范围整体较小. 对于测量值在一定范围内产生波动有多种原因,影响程度较大的原因是由于沥青混合料的路面在新建时,虽然一样的级配,但试样的成型仍受人为因素的影响,导致路面表面缝隙不均匀. 同时在图中可看出,新建沥青道路平均断面深度整体上大于旧沥青道路,这是因为新建沥青路面经车轮磨耗程度较旧沥青道路小,所以它的表面凸出程度较旧沥青路面大,其断面深度整体就会比旧沥青路面大. 当Rku<3时沥青路面轮廓曲线较为平坦,结合图1(b)得,新、旧沥青路面的Rku,ma均小于3,所以新、旧沥青路面宏观轮廓曲线整体上都较为平坦.

由激光纹理扫描小车所采集沥青表面纹理高程数据计算沥青道路微观纹理指标如图2所示.

图2 沥青道路微观纹理指标

Ra值表征激光扫描路面轮廓的离散性,即混凝土强度得不均匀分布,由图2(a)可得,新建沥青道路路面轮廓的离散性整体上大于旧沥青道路,说明在微观层面上新建沥青道路的纹理分布不均匀程度整体上大于旧沥青道路. 同时,Rku<3时轮廓曲线较为平坦,由图2(b)得,新、旧沥青路面的Rku,mi均小于3,且数值波动不大,没有突变值,新、旧沥青路面轮廓曲线整体上都较为平坦.

2 沥青路面抗滑性评价方法研究

2.1 基于摆式摩擦测定仪的抗滑机理研究

BM-Ⅲ型摆式摩擦测定仪形状及结构如图3所示[8],测试时由测试人员在度盘上直接读值.

1—度盘; 2—指针; 3—紧固把手; 4—松紧调节螺栓; 5—释放开关; 6—摆; 7—滑溜块; 8—升降把手; 9—度盘; 10—水准泡; 11—调平螺栓.图3 指针式摆式仪结构示意图

摆式摩擦仪的摆锤底部连接着1块橡胶,将橡胶块调节到一定的高度(橡胶块在中线左右两侧刚好的触地距离之间的间距符合126 mm±1 mm的要求),将指针在一定高度处保持静止状态,按动释放开关后自由下坠,底部的橡胶块与沥青路表面相摩擦,通过指针对应读盘位置读摆值BPN,每个测点重复5次测试,并通过指针记录摆值. 沥青道路表面纹理构造越粗糙,摆式摩擦系数仪测出的摆值越大. 橡胶物理性质技术要求如表2所示.

表2 橡胶物理性质技术要求

摆值的温度修正:

BPN20=BPNT+ΔBPN

(1)

式中,BPN20为当路面温度为20 ℃时的摆值;BPNT为实测路面温度为T时的摆值;ΔBPN为把测量当时温度下的摆值转算为温度20 ℃下的摆值所用的温度修正值,具体修正值如表3所示.

表3 温度修正值

2.2 基于摆式摩擦测定仪的路面抗滑性能评价

摆式摩擦仪测得两条营运道路摆值如表4所示.

表4 新、旧沥青道路摆值一览表

由表4可知,新、旧沥青路面的摆值分别在1个较小的范围内波动,同时新建沥青路面的摆值整体比旧路面大. 由此得出,对于不同时期建造的道路,新建的沥青路面的抗滑性能较好,这是由于新建沥青路面经车轮磨耗程度较小,表面凸出程度较大. 因为新建沥青路面的平均断面深度整体上大于旧沥青路面,则新建沥青路面纹理较粗糙,从而可得,沥青表面纹理越粗糙则其抗滑性能越好.

3 沥青路面表面纹理参数与抗滑性能关系分析

3.1 沥青路面表面宏观纹理与抗滑性能关系分析

3.1.1 竖直方向

利用激光纹理扫描车对所研究沥青路面进行测量,对每个测试点计算其平均断面深度MPD,通过摆式摩擦系数仪测得每个测试点的摆值BPN,计算MPD与沥青路面BPN的相关性,其相关性结果如图4所示.

图4 沥青路面平均断面深度与摆值的相关性

由图4可知,沥青路面摆值BPN与平均断面深度MPD具有良好的相关性,相关性系数为0.724,呈显著的正相关性. 由此可推断,平均断面深度MPD越大,路面相应的抗滑性能越好.

3.1.2 形状

利用激光纹理扫描车对所研究沥青路面进行测量,对每个测试点计算其路面轮廓驼峰度Rku,ma,利用摆式摩擦测试仪测得每个测试点的摆值BPN,计算Rku,ma与沥青路面BPN的相关性,其相关性结果如图5所示.

图5 沥青路面轮廓驼峰度与摆值的相关性

由图5可知,沥青路面路面轮廓驼峰度Rku,ma与摆值BPN具有一定的负相关关系,相关性系数为0.438,说明沥青路面的陡峭程度越大,路面的摩擦系数就越小. 对比摆值与平均断面深度MPD的相关系数值,可判断出在宏观纹理层面竖直指标平均断面深度与摆值的相关性相对于形状指标路面轮廓驼峰度与摆值的相关性要好.

3.2 沥青路面表面微观纹理与抗滑性能关系分析

3.2.1 竖直方向

利用激光纹理扫描车对所研究沥青路面进行测量,对每个测试点计算其路面轮廓算术平均偏差Ra,利用摆式摩擦测试仪测出每个测试点的摆值BPN,计算Ra与沥青路面 BPN的相关性,其相关性结果如图6所示.

图6 沥青路面轮廓算术平均偏差与摆值的相关性

由图6可知,沥青路面的路面轮廓算术平均偏差Ra与摆值BPN具有显著的正相关关系,他们之间的相关性系数为0.792.Ra值表征激光扫描路面轮廓的离散性,即混凝土表面构造分布特性,所以路面轮廓算术平均偏差Ra越大,沥青混凝土表面构造越不均匀分布,则路面抗滑性能越好. 同时,在宏、微观纹理尺度的竖直纹理特征上,对比摆值与平均断面深度MPD的相关关系数值,摆值与路面轮廓算术平均偏差Ra的相关关系更好,究其原因,摆式摩擦系数仪是1种测量低速路面抗滑性能的测试装置,而路面低速抗滑性能主要取决于路面的微观纹理.

3.2.2 形状

利用激光纹理扫描车对所研究沥青路面进行测量,对每个测试点计算其路面轮廓驼峰度Rku,mi,利用摆式摩擦测试仪测得每个测试点的摆值BPN,计算Rku,mi与沥青路面 BPN的相关性,其相关性结果如图7所示.

图7 沥青路面摆值与路面轮廓驼峰度Rku,mi相关性

由图7可知,沥青路面的路面轮廓驼峰度Rku,mi与摆值BPN具有较好的负相关关系,他们的相关性系数为0.696,则说明了沥青路面的陡峭程度越大,路面的摩擦系数就越小. 在微观纹理层面上对比路面轮廓算术平均偏差Ra相关系数值可得,微观纹理竖直指标路面轮廓算术平均偏差与摆值的相关性较好.

3.3 提高沥青路面表面抗滑性能主要措施

3.3.1 对于正在营运中的沥青道路

1)保持路表面的清洁

当有着污染物的沥青混凝土道路表面因雨天变为湿润,但污染物还没被雨水冲走之前,其路表面的平均构造深度会明显减小,且道路湿滑,其抗滑性能会降到最低. 所以,要时刻让路面保持干净,从而降低污染物对道路表面摩擦系数的影响.

2)养护优先

要树立养护优先的理念,应该首先重视抗滑能力明显下降路段的第一时间处理,同时修补脱皮、坑槽等病害,避免路面摩擦系数下降而引起交通事故.

3)采用抗滑层罩面

对于抗滑能力已经明显下降的旧沥青路面,应该及时铺筑满足规范的高质量抗滑表层作为罩面,从而提高其抗滑性能.

3.3.2 针对在建的沥青道路

1)提高道路行车性能

合理进行道路线型设计,避免出现急弯或视线不良的路段,如有规划不合理的路线应第1时间对其进行改善,对于纵坡比较大的道路区域,应该加深表面的处理深度,采用抗滑面层来提高沥青道路表面的防滑能力.

2)探索新技术

沥青路面施工应探索新技术,在新建沥青路面上压出连续花纹图案的情况下同时对旧沥青路面能翻修或者摊铺. 同时,研究新型结构面层技术,比如采用质量较优、抗滑性能较好、耐久性能较强的混凝土面层,或是研究排水性能较好的改性沥青道路路面.

4 结论

本文选择2条营运中的沥青道路作为研究对象,采用激光纹理扫描小车进行宏观纹理和微观纹理的测定,利用摆式摩擦测定仪测量摆值,深入研究了路面宏、微观纹理对抗滑性能的影响,并获得以下结论:

1)通过激光纹理扫描车测定新旧沥青道路的宏、微观纹理指标MPD、Rku,ma、Rku,mi、Ra,得出新建沥青路面经车轮磨耗程度较小,表面凸出程度较大,其平均断面深度整体比旧沥青路面大;新建沥青道路微观纹理路面轮廓的离散性Ra整体上大于旧沥青道路,说明在微观层面上新建沥青道路的纹理分布不均匀程度整体上大于旧沥青道路;所研究沥青道路宏、微观纹理的Rku<3,得出新旧沥青路面轮廓曲线整体上都较为平坦.

2)通过摆式摩擦测定仪测量沥青路面的摆值,得出新建沥青道路表面的摆值整体上大于旧沥青道路表面,则新建沥青路面的抗滑性能较好. 同时,新建沥青路面的平均断面深度整体上大于旧沥青路面,沥青表面宏观纹理越粗糙则抗滑性能越好.

3)通过自制激光纹理扫描小车提取沥青表面纹理图像数据,采用MATLAB编程获取纹理高程信息,并进行宏、微观纹理评价指标计算与评价. 通过建立宏、微观纹理评价指标与路面抗滑摆值的相关性分析,得出,相对于路面轮廓无规则方向,路面轮廓竖直方向的评价指标与抗滑指标的相关性更强;纹理指标中,平均断面深度MPD与路面轮廓算术平均偏差Ra与路面抗滑性能具有较好的正相关关系,其中路面轮廓算术平均偏差Ra与摆值的相关性大于平均断面深度MPD与摆值的相关性.

因为目前较少有结合宏、微观纹理结构来综合评价它们对路面抗滑性能的影响程度,所以本文对沥青路表纹理的宏、微观综合考量为广大研究人员对抗滑性能的影响因素研究提供了1个思路. 本文研究对象为实际的营运沥青道路,在文末提出了提高抗滑性能的具体措施,为相关部门保障行车安全方面提供了建议.

本文因测量设备限制,如利用实验室自制激光纹理扫描小车只能获取路面纹理的三维图像信息而不能直接提取纹理的真实高程信息. 同时,摆式测定仪受测试人员的主观因素、路面本身的状况等方面影响,所测摆值具有一定的误差. 因此,今后在设备条件允许的情况下,会对所使用的测试方法、测试设备与提高数据精确度等方面进行进一步的优化,以期在获得沥青表面纹理特性与抗滑性能相关关系上为后者提供1个更加准确的量化结果.