瀝青路表紋理特性與抗滑性能相關關系研究

黃潔玲, 汪嘉淇, 吳澤宇, 徐譽揚, 朱培軍, 黃海南

(福建農林大學交通與土木工程學院, 福州 350100)

0 引言

我國高速公路的不斷建設和等級的提高,公路運輸整體呈現出高速大流量的特點. 在這種情況下,道路安全問題變得愈來愈突出,近些年來,我國道路交通事故頻頻發生且數量龐大,道路交通事故帶來的人身傷害與經濟損失已成為我們國家迫在眉睫的社會問題和公共安全問題. 其中路面抗滑性能是決定道路安全狀況好壞的關鍵因素,路表紋理特征與瀝青路面的抗滑性能之間具有緊密的聯系. 基于此,國內外許多學者做了大量研究. Serigost[1]對比分析測得的紋理數據與路面摩擦系數,得出了相關關系,從而能利用路面微觀紋理來預測路面擺值與摩擦系數的大小. 蔣超[2]利用三維結構光檢測系統獲取水泥路面三維構造信息,并利用Matlab軟件計算水泥路面的宏觀構造表征參數;Flintsch[3]運用了鋪砂法與動摩擦系數儀獲得不同路面試件的宏觀紋理參數,從而得出所測路面的宏觀紋理指標與其平均斷面深度有著很好的相關性的結論;劉林等[4]利用Matlab軟件讀取瀝青路面的三維構造信息,計算輪廓算術平均偏差等表征路面紋理的參數,分析了這些參數與抗滑性能的相關性;于世海等[5-7]用電子激光檢測的原理計算路面構造深度,結果顯示其可靠性較高.

綜上,國內外學者在獲取瀝青路面紋理數據、分析紋理構造參數與路面抗滑性能之間的關系方面進行了許多研究. 但是目前較少有學者把宏、微觀紋理結構相結合來綜合評價它們對路面抗滑性能的影響程度,并且缺乏對瀝青路表紋理評價參數與其抗滑性能之間相關性的定量分析研究. 同時,現有對路面抗滑性能的研究多是以室內實驗為主,但是在室內實驗中對于環境因素的考慮不多或者不夠全面,因此考慮真實環境因素作用下的瀝青路面更符合路面真實的抗滑情況,所以用正在運營中的瀝青路面作為試驗試件來探究瀝青路面表面紋理特性與抗滑性能的相關關系更具有現實意義. 因此,本文選擇營運中的瀝青道路作為研究對象,采用激光紋理掃描小車進行宏、微觀紋理的測定,再利用Matlab軟件重構瀝青路面三維數據模型并進行指標的計算,利用擺式摩擦測定儀測量擺值,最后量化瀝青道路表面紋理特性與抗滑性能的相關關系.

1 瀝青路面紋理評價方法研究

1.1 瀝青路面紋理分類

路面紋理分類與形成原因如表1所示.

表1 路面紋理的分類與形成原因

由表1可知,瀝青路面紋理分為4類,分別為微觀構造、宏觀構造、大構造和平整度. 其中,微觀構造和宏觀構造形成原因主要與集料、混合料特征等相關;大構造和平整度形成原因主要與病害與施工等有關.

1.2 研究對象選取

4種路面構造對車輛的安全行駛產生了直接的影響,宏、微觀構造可反映出路面的抗滑性能高低程度,特別是當車輛在較低速度行駛時,微觀構造特征直接決定了抗滑性能的高低;而當車輛的行駛速度較高時,宏觀構造就決定了路面的抗滑性能,其中的大構造和平整度對路面抗滑性能的影響不大,可不納入考慮范圍. 因此,本研究把宏、微觀構造的分布特性作為抗滑性能研究的主要研究對象. 考慮真實環境因素作用下的瀝青路面更符合路面真實的抗滑情況,本研究選取2條正在運營中的瀝青路面作為試驗試件來探究瀝青路面表面紋理特性與抗滑性能的相關關系.

1.3 測量方案與數據處理

1)測試人員駕駛激光紋理掃描小車前往研究的瀝青道路進行路表紋理采集,每條道路各設置 5個圖像采集點,采集點與擺式摩擦系數儀測試點位置一致,所采集的路表紋理數據以二維.jpg、三維.tif格式儲存.

2)為進行瀝青表面紋理特性與抗滑性能的定量分析,本文利用MATLAB軟件提取三維圖像中的像素值.

3)刪除異常數據,并確定水平面. 路表由于車轍、路面橫坡等原因,路面紋理在一定程度上是傾斜的. 如果整個數據網絡基于同個水平高度則不同輪廓線相對于同一水平面的平均高度將大不相同,并會對最終的指標計算產生一定的影響. 因此,本文對每1條輪廓線各自進行水平面的確定,經過對比分析后本文選擇中位值的絕對值為水平面.

4)根據已知高度物體的三維圖像像素值得出物體像素值與其實際高度的比值,將處理后的三維紋理圖像像素值轉化為路面輪廓的真實高程值.

5)本文路面抗滑性能研究對象重點以路面宏觀構造和微觀構造為主,根據其取值范圍,分別提取宏觀與微觀紋理的高程值為后文宏觀、微觀紋理評價指標的計算提供數據基礎.

1.4 瀝青路面紋理指標計算

由激光紋理掃描小車所采集瀝青表面紋理高程數據計算瀝青路面宏觀紋理指標如圖1所示.

圖1 瀝青路面宏觀紋理指標

由圖1(a)可得,瀝青路面平均斷面深度值存在一定的波動,舊瀝青路面在1.5～4 mm之間波動,新建瀝青道路路面在2～3.5 mm之間波動,新建瀝青路面波動范圍整體較小. 對于測量值在一定范圍內產生波動有多種原因,影響程度較大的原因是由于瀝青混合料的路面在新建時,雖然一樣的級配,但試樣的成型仍受人為因素的影響,導致路面表面縫隙不均勻. 同時在圖中可看出,新建瀝青道路平均斷面深度整體上大于舊瀝青道路,這是因為新建瀝青路面經車輪磨耗程度較舊瀝青道路小,所以它的表面凸出程度較舊瀝青路面大,其斷面深度整體就會比舊瀝青路面大. 當Rku<3時瀝青路面輪廓曲線較為平坦,結合圖1(b)得,新、舊瀝青路面的Rku,ma均小于3,所以新、舊瀝青路面宏觀輪廓曲線整體上都較為平坦.

由激光紋理掃描小車所采集瀝青表面紋理高程數據計算瀝青道路微觀紋理指標如圖2所示.

圖2 瀝青道路微觀紋理指標

Ra值表征激光掃描路面輪廓的離散性,即混凝土強度得不均勻分布,由圖2(a)可得,新建瀝青道路路面輪廓的離散性整體上大于舊瀝青道路,說明在微觀層面上新建瀝青道路的紋理分布不均勻程度整體上大于舊瀝青道路. 同時,Rku<3時輪廓曲線較為平坦,由圖2(b)得,新、舊瀝青路面的Rku,mi均小于3,且數值波動不大,沒有突變值,新、舊瀝青路面輪廓曲線整體上都較為平坦.

2 瀝青路面抗滑性評價方法研究

2.1 基于擺式摩擦測定儀的抗滑機理研究

BM-Ⅲ型擺式摩擦測定儀形狀及結構如圖3所示[8],測試時由測試人員在度盤上直接讀值.

1—度盤; 2—指針; 3—緊固把手; 4—松緊調節螺栓; 5—釋放開關; 6—擺; 7—滑溜塊; 8—升降把手; 9—度盤; 10—水準泡; 11—調平螺栓.圖3 指針式擺式儀結構示意圖

擺式摩擦儀的擺錘底部連接著1塊橡膠,將橡膠塊調節到一定的高度(橡膠塊在中線左右兩側剛好的觸地距離之間的間距符合126 mm±1 mm的要求),將指針在一定高度處保持靜止狀態,按動釋放開關后自由下墜,底部的橡膠塊與瀝青路表面相摩擦,通過指針對應讀盤位置讀擺值BPN,每個測點重復5次測試,并通過指針記錄擺值. 瀝青道路表面紋理構造越粗糙,擺式摩擦系數儀測出的擺值越大. 橡膠物理性質技術要求如表2所示.

表2 橡膠物理性質技術要求

擺值的溫度修正:

BPN20=BPNT+ΔBPN

(1)

式中,BPN20為當路面溫度為20 ℃時的擺值;BPNT為實測路面溫度為T時的擺值;ΔBPN為把測量當時溫度下的擺值轉算為溫度20 ℃下的擺值所用的溫度修正值,具體修正值如表3所示.

表3 溫度修正值

2.2 基于擺式摩擦測定儀的路面抗滑性能評價

擺式摩擦儀測得兩條營運道路擺值如表4所示.

表4 新、舊瀝青道路擺值一覽表

由表4可知,新、舊瀝青路面的擺值分別在1個較小的范圍內波動,同時新建瀝青路面的擺值整體比舊路面大. 由此得出,對于不同時期建造的道路,新建的瀝青路面的抗滑性能較好,這是由于新建瀝青路面經車輪磨耗程度較小,表面凸出程度較大. 因為新建瀝青路面的平均斷面深度整體上大于舊瀝青路面,則新建瀝青路面紋理較粗糙,從而可得,瀝青表面紋理越粗糙則其抗滑性能越好.

3 瀝青路面表面紋理參數與抗滑性能關系分析

3.1 瀝青路面表面宏觀紋理與抗滑性能關系分析

3.1.1 豎直方向

利用激光紋理掃描車對所研究瀝青路面進行測量,對每個測試點計算其平均斷面深度MPD,通過擺式摩擦系數儀測得每個測試點的擺值BPN,計算MPD與瀝青路面BPN的相關性,其相關性結果如圖4所示.

圖4 瀝青路面平均斷面深度與擺值的相關性

由圖4可知,瀝青路面擺值BPN與平均斷面深度MPD具有良好的相關性,相關性系數為0.724,呈顯著的正相關性. 由此可推斷,平均斷面深度MPD越大,路面相應的抗滑性能越好.

3.1.2 形狀

利用激光紋理掃描車對所研究瀝青路面進行測量,對每個測試點計算其路面輪廓駝峰度Rku,ma,利用擺式摩擦測試儀測得每個測試點的擺值BPN,計算Rku,ma與瀝青路面BPN的相關性,其相關性結果如圖5所示.

圖5 瀝青路面輪廓駝峰度與擺值的相關性

由圖5可知,瀝青路面路面輪廓駝峰度Rku,ma與擺值BPN具有一定的負相關關系,相關性系數為0.438,說明瀝青路面的陡峭程度越大,路面的摩擦系數就越小. 對比擺值與平均斷面深度MPD的相關系數值,可判斷出在宏觀紋理層面豎直指標平均斷面深度與擺值的相關性相對于形狀指標路面輪廓駝峰度與擺值的相關性要好.

3.2 瀝青路面表面微觀紋理與抗滑性能關系分析

3.2.1 豎直方向

利用激光紋理掃描車對所研究瀝青路面進行測量,對每個測試點計算其路面輪廓算術平均偏差Ra,利用擺式摩擦測試儀測出每個測試點的擺值BPN,計算Ra與瀝青路面 BPN的相關性,其相關性結果如圖6所示.

圖6 瀝青路面輪廓算術平均偏差與擺值的相關性

由圖6可知,瀝青路面的路面輪廓算術平均偏差Ra與擺值BPN具有顯著的正相關關系,他們之間的相關性系數為0.792.Ra值表征激光掃描路面輪廓的離散性,即混凝土表面構造分布特性,所以路面輪廓算術平均偏差Ra越大,瀝青混凝土表面構造越不均勻分布,則路面抗滑性能越好. 同時,在宏、微觀紋理尺度的豎直紋理特征上,對比擺值與平均斷面深度MPD的相關關系數值,擺值與路面輪廓算術平均偏差Ra的相關關系更好,究其原因,擺式摩擦系數儀是1種測量低速路面抗滑性能的測試裝置,而路面低速抗滑性能主要取決于路面的微觀紋理.

3.2.2 形狀

利用激光紋理掃描車對所研究瀝青路面進行測量,對每個測試點計算其路面輪廓駝峰度Rku,mi,利用擺式摩擦測試儀測得每個測試點的擺值BPN,計算Rku,mi與瀝青路面 BPN的相關性,其相關性結果如圖7所示.

圖7 瀝青路面擺值與路面輪廓駝峰度Rku,mi相關性

由圖7可知,瀝青路面的路面輪廓駝峰度Rku,mi與擺值BPN具有較好的負相關關系,他們的相關性系數為0.696,則說明了瀝青路面的陡峭程度越大,路面的摩擦系數就越小. 在微觀紋理層面上對比路面輪廓算術平均偏差Ra相關系數值可得,微觀紋理豎直指標路面輪廓算術平均偏差與擺值的相關性較好.

3.3 提高瀝青路面表面抗滑性能主要措施

3.3.1 對于正在營運中的瀝青道路

1)保持路表面的清潔

當有著污染物的瀝青混凝土道路表面因雨天變為濕潤,但污染物還沒被雨水沖走之前,其路表面的平均構造深度會明顯減小,且道路濕滑,其抗滑性能會降到最低. 所以,要時刻讓路面保持干凈,從而降低污染物對道路表面摩擦系數的影響.

2)養護優先

要樹立養護優先的理念,應該首先重視抗滑能力明顯下降路段的第一時間處理,同時修補脫皮、坑槽等病害,避免路面摩擦系數下降而引起交通事故.

3)采用抗滑層罩面

對于抗滑能力已經明顯下降的舊瀝青路面,應該及時鋪筑滿足規范的高質量抗滑表層作為罩面,從而提高其抗滑性能.

3.3.2 針對在建的瀝青道路

1)提高道路行車性能

合理進行道路線型設計,避免出現急彎或視線不良的路段,如有規劃不合理的路線應第1時間對其進行改善,對于縱坡比較大的道路區域,應該加深表面的處理深度,采用抗滑面層來提高瀝青道路表面的防滑能力.

2)探索新技術

瀝青路面施工應探索新技術,在新建瀝青路面上壓出連續花紋圖案的情況下同時對舊瀝青路面能翻修或者攤鋪. 同時,研究新型結構面層技術,比如采用質量較優、抗滑性能較好、耐久性能較強的混凝土面層,或是研究排水性能較好的改性瀝青道路路面.

4 結論

本文選擇2條營運中的瀝青道路作為研究對象,采用激光紋理掃描小車進行宏觀紋理和微觀紋理的測定,利用擺式摩擦測定儀測量擺值,深入研究了路面宏、微觀紋理對抗滑性能的影響,并獲得以下結論:

1)通過激光紋理掃描車測定新舊瀝青道路的宏、微觀紋理指標MPD、Rku,ma、Rku,mi、Ra,得出新建瀝青路面經車輪磨耗程度較小,表面凸出程度較大,其平均斷面深度整體比舊瀝青路面大;新建瀝青道路微觀紋理路面輪廓的離散性Ra整體上大于舊瀝青道路,說明在微觀層面上新建瀝青道路的紋理分布不均勻程度整體上大于舊瀝青道路;所研究瀝青道路宏、微觀紋理的Rku<3,得出新舊瀝青路面輪廓曲線整體上都較為平坦.

2)通過擺式摩擦測定儀測量瀝青路面的擺值,得出新建瀝青道路表面的擺值整體上大于舊瀝青道路表面,則新建瀝青路面的抗滑性能較好. 同時,新建瀝青路面的平均斷面深度整體上大于舊瀝青路面,瀝青表面宏觀紋理越粗糙則抗滑性能越好.

3)通過自制激光紋理掃描小車提取瀝青表面紋理圖像數據,采用MATLAB編程獲取紋理高程信息,并進行宏、微觀紋理評價指標計算與評價. 通過建立宏、微觀紋理評價指標與路面抗滑擺值的相關性分析,得出,相對于路面輪廓無規則方向,路面輪廓豎直方向的評價指標與抗滑指標的相關性更強;紋理指標中,平均斷面深度MPD與路面輪廓算術平均偏差Ra與路面抗滑性能具有較好的正相關關系,其中路面輪廓算術平均偏差Ra與擺值的相關性大于平均斷面深度MPD與擺值的相關性.

因為目前較少有結合宏、微觀紋理結構來綜合評價它們對路面抗滑性能的影響程度,所以本文對瀝青路表紋理的宏、微觀綜合考量為廣大研究人員對抗滑性能的影響因素研究提供了1個思路. 本文研究對象為實際的營運瀝青道路,在文末提出了提高抗滑性能的具體措施,為相關部門保障行車安全方面提供了建議.

本文因測量設備限制,如利用實驗室自制激光紋理掃描小車只能獲取路面紋理的三維圖像信息而不能直接提取紋理的真實高程信息. 同時,擺式測定儀受測試人員的主觀因素、路面本身的狀況等方面影響,所測擺值具有一定的誤差. 因此,今后在設備條件允許的情況下,會對所使用的測試方法、測試設備與提高數據精確度等方面進行進一步的優化,以期在獲得瀝青表面紋理特性與抗滑性能相關關系上為后者提供1個更加準確的量化結果.