水泥混凝土路表抗滑构造三维形貌磨耗行为研究

赵大能，张盼盼，田波，黄智健，李立辉

（1.云南省曲靖公路局，云南 曲靖 655000；2.交通运输部公路科学研究所，北京 100088）

0 引 言

水泥混凝土路面露石磨耗层是在新铺筑完成的水泥混凝土面层上撒布露石剂，延缓表层水泥砂浆的强度形成，并覆膜养生，下层则采用普通水泥混凝土。当上、下层混凝土之间形成合适的强度差时，将表面砂浆刷洗干净，水泥混凝土表层因集料裸露形成规则凹凸的粗糙构造。影响露石路面（EACCP）抗滑性能的因素很多，主要包括路面、车辆和环境等情况。其中，宏观结构作为路面因素，可根据JTG 3450—2019《公路路基路面现场测试规程》的平均结构深度（MTD）进行评估：一般情况下，MTD 越大，路面宏观结构越丰富，车辆高速行驶时路面的抗滑性越高；但对于不同露石表面类型用同一MTD 指标进行评价时，很难反映水泥混凝土路面露石磨耗层真实的抗滑性差异。随着图像采集设备的更新换代以及图像处理技术的发展，基于路面图像处理的路面纹理表征方法得到了长足的发展。

20 世纪中期，英国道路研究机构[1]提出利用二维路面纹理图像进行分析路面纹理构造形貌。Schonfeld[2]使用2 个相机拍摄同一路面区域的二维图像从而获得路面三维信息，通过高度、宽度、角度、分布、矩阵相关的粗糙度来表征路面纹理信息。Wang 等[3]使用胶片摄影技术采集雾封层表面纹理和骨料排列方向图像。Slimane 等[4]通过对图像的几何信息和统计学分析路表颗粒密度与路面粗糙度的相关性。汪海年[5]、曹平等[6]，Remondino 等[7]基于激光三角法提出了路面宏观纹理断面轮廓曲线的处理方法，认为路面纹理宏观构造的高度、间距、尖锐度和综合特征可用来表征路面形貌构造。近年来，路面纹理状态技术有着快速的提升，研究人员开始尝试引进机械制造领域常用的产品表观质量评价标准来表征路面纹理特性。王元元[8]认为，二维纹理信息指标难以与路面抗滑性能建立较好的回归效果，MTD、轮廓单峰平均间距、轮廓偏斜度、轮廓均方根波长虽可在宏观和微观层面表征路面纹理特性，但三维分形维数在表征路面宏观纹理构造时具备实用性。Li 等[9]借助3D 激光成像技术以及新开发的PaveVision 3D UltraSam 数据采集系统对路面三维纹理数据进行采集，对比了多种类型的纹理指标，研究表明，高度参数中的平均构造深度（MPD）和偏斜度、空间参数中的纹理纵横比、功能参数中的表面支承率与路面抗滑性能具有显著的相关性。

由以上研究可以发现，随着图像分析处理技术的发展，路面纹理数据的采集方式已经从传统精度低的接触式方法过渡到便携式、高精度、非接触式的三维激光扫描测量方法。路面纹理状态的评价指标越来越丰富与多元，研究人员已经不满足于通过传统的MTD、MPD 和二维纹理特征评价方法来表征路面纹理构造，而倾向于使用三维纹理特征来表征路面纹理状态。因此，本文采用双目型3D 激光扫描仪对经过不同磨耗次数的露石磨耗层的表面三维信息进行采集，探究了不同骨料类型、骨料粒径以及骨料出露方式对露石磨耗层抗滑构造三维形貌的影响规律。

1 实 验

1.1 抗滑构造三维形貌测试

1.1.1 测试设备

采用我国生产的GD-3dScan 型（双目型）3D 激光扫描仪作为试件表面宏观纹理的提取手段。该测量系统由2 个相机、1 个线激光投射器和1 个旋转电机组成，如图1 所示。该3D激光扫描仪采用非接触式扫描方式，测量精度0.001~0.050 mm，平均点距0.005~0.100 mm，拼接方式为标记点全自动拼接，智能融合为单层点云。

图1 3D 扫描平台

1.1.2 测试原理

测试时通过向被测物体投射单条线激光条纹，然后由旋转电机带动激光条纹扫描整个被测物体，扫描的同时立体视觉系统以指定的帧率[单幅扫描点数（像素）260 万]拍摄被测物体；根据所拍摄的含有激光条纹的立体图像的极线约束和激光条纹特征计算出立体视觉系统之间的对应关系；最后根据预先标定好的系统参数按照双目立体视觉的方法计算出物体的三维点云数据，该扫描仪配套相关的处理软件3Dscan，可进行实时观测和模型重构处理。3D 激光扫描仪配套的后期软件，可以轻松提取物体表面的横截曲面线条和复杂曲面关系。

1.1.3 扫描及图像处理过程

扫描仪的实际扫描表面及图像处理过程如图2 所示。

图2 实际扫描表面及图像处理过程

1.2 原材料及配合比

水泥：P·O42.5；石：北京赵辛庄砂石厂，母岩骨料分别为玄武岩、辉绿岩和石灰岩，最大粒径分别为10、13.2、20 mm；砂：北京赵辛庄砂石厂，河砂，中砂，细度模数2.23；露石剂：交通运输部公路科学研究所自制。

磨耗试验用露石混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（河砂）∶m（石）∶m（水）=370∶703∶1251∶126。

1.3 露石混凝土试块制备方法

将新拌混凝土导入φ150 mm×150 mm 圆柱形模具中初步整平后，使用平板式振捣器振密成型，使用镁铝抹子抹面，保证各试块平整度统一，待表面无明显气泡冒出后，喷洒露石剂，喷洒量为300 g/m2，然后在试件表面满幅铺盖塑料薄膜。

1.4 抗滑构造三维形貌测试方法

路表的纹理构造与其抗滑性能密切相关，目前常用的路表纹理指标主要是采用手工铺沙法测试路表的MPD。虽然MPD 已被广泛应用于路面测量，但路面纹理受多因素影响，通过平均算法获得的结果难以真实反映路面纹理的三维形貌特征。

本文采用高度参数、空间参数、体积参数和形态参数4 大类指标作为水泥混凝土路面露石磨耗层纹理的标准，将各类指标统称为区域三维形貌（纹理）表征参数。制作φ150 mm×150 mm 圆柱形露石混凝土试块，母岩骨料分别为玄武岩、辉绿岩和石灰岩，通过室内加速加载设备模拟实际路面的磨损过程，每磨耗10 万次获取1 次路面三维信息，计算三维纹理指标参数。在此基础上，对不同出露姿态的骨料进行聚类分析，如图3 所示，将骨料的出露姿态分为平躺出露、棱角出露和倾斜出露3 种。

图3 骨料不同出露姿态示意

2 结果与讨论

2.1 高度参数相关指标衰变分析

高度参数包括均方根高度（Sq）、偏斜度（Ssk）和陡峭度（Sku），主要用于表征水泥混凝土路面表面粗糙度、纹理平均度、纹理的偏向和高度分布锐度等信息。Sku通常用于判断粗糙度形状的尖锐度，其值大于3 代表高度分布相对于平均面偏上（峰），等于3 则高度分布为正规分布，小于3 代表高度分布呈针状般尖锐；而Ssk表示了纹理各点的方向偏向性，正负值只代表方向，其绝对值的减少代表纹理的偏向在逐渐减弱。不同母岩、骨料最大粒径以及骨料出露姿态条件下高度参数相关指标的衰变趋势如图4~图6 所示。

图4 不同母岩条件下高度参数相关指标的衰变趋势

Sq和Sku随着磨耗次数的增加逐渐下降，衰变趋势明显；Ssk随着磨耗次数的增加呈现逐渐接近0 的趋势，区域三维纹理参数中的高度参数用于描述路表纹理的磨耗特征具有良好的适用性。

由图4 可知，虽然不同母岩骨料高度参数的初始值不同，但其衰变规律相似；骨料抗滑衰减速率与岩石坚硬程度相关，相对坚硬的玄武岩和辉绿岩骨料的磨耗衰减速率比石灰岩小，对于磨耗具有较高的抵抗力。

由图5 可知，Sq、Ssk和Sku随着磨耗次数的增加有一定的衰减，但变化较为平缓，尤其是Ssk和Sku。与衰减速度不同的是颗粒粒径越大，Sq越大，其原因是粒径的增大，在进行区域中各点高度的均方根时，由于出露颗粒的形状较大，计算得出的高度标准偏差通常较大。与Sq和Sku不同的是，骨料粒径越小，Ssk的初始值越大，这表明粒径较小的颗粒在高度分布相对于平均面偏下，即表面凹谷存在较多。

图5 不同骨料最大粒径条件下高度参数相关指标的衰变趋势

由图6 可知，棱角出露的骨料姿态在Sq、Ssk和Sku的衰减速度均远大于其他2 种骨料出露姿态，且在磨耗次数达到一定次数（本研究为20 万次）后，其衰减幅度逐步增大，这表明棱角出露是一种抵抗磨耗能力较差的骨料姿态，结合高度参数的3 个指标与衰变速度，抵抗磨耗能力的排序为：平躺出露＞倾斜出露＞棱角出露。均方根高度Sq和陡峭度Sku可作为评价不同出露姿态的纹理衰变关键指标。

2.2 空间参数相关指标衰变分析

空间参数指标Sal用于描述表面高度和表面形状的变化规律。不同母岩、骨料最大粒径以及骨料出露姿态条件下空间参数随磨耗次数增加的衰变如图7 所示。

图7 不同条件下空间参数Sal 的衰变趋势

由图7（a）可知，不同母岩类型条件下Sal的衰减速率有所不同，辉绿岩和玄武岩的颗粒表面Sal衰变趋势较为平缓，而石灰岩骨料在一定磨耗次数前（本研究为20 万次）衰变速度较大，而后呈现平缓衰减的趋势。其原因是石灰岩耐磨性较其他2 种类型母岩差，在承受轮胎作用过程中，颗粒表面尖锐区域极容易破损或磨光，达到一定磨耗次数后，表面棱角被磨平，颗粒整体地与轮胎全面接触，从而提供了更多的接触区域。

由图7（b）可知，骨料最大粒径为10、20 mm 条件下Sal的衰减速度相似，虽然这2 档骨料的初始Sal值均较高，但其磨耗衰减速率却远大于粒径为13.2 mm 的骨料，这表明随着磨耗次数的增大，处于中间粒径的骨料（13.2 mm）反而具有高耐磨特性，其原因是骨料粒径越小，颗粒圆润度越高，单位面积内接触点越多，凹谷数量越多，这代表轮胎运转的过程中橡胶轮胎嵌入谷内的面积和体积越多，行车荷载作用力被分解弱化，则呈现路面骨料的磨耗衰减减缓。

与骨料岩性和骨料粒径不同的是，骨料出露姿态是单个颗粒的磨耗衰变分析。不同骨料出露姿态的Sal初始值有所不同，棱角出露的姿态远高于其他2 种出露姿态的Sal值，这种姿态体现在空间参数上表示高度差较大；而骨料的倾斜出露与平躺出露的Sal值相近时，这种姿态体现在空间参数上表示高度差小。

由图7（c）可知，随着磨耗次数的增加，平躺和倾斜出露姿态的Sal值衰变速度基本一致，而棱角出露随磨耗次数的增大，由于其尖锐部分被磨平，高度和形状通常发生较大的偏移，故Sal值的衰减速率会产生较大的下降。

2.3 体积参数相关指标衰变分析

体积参数Vmc是指2 个接触面的空间空隙，Vmc值越小，与轮胎接触的表面材料越多。不同母岩、骨料最大粒径及骨料出露姿态条件下体积参数随磨耗次数增加的衰变如图8 所示。

图8 不同条件下体积参数Vmc 的衰变趋势

由图8（a）可知，石灰岩骨料的衰变速度明显大于其他2种类型母岩骨料，其抵抗磨耗能力的排序为：玄武岩与辉绿岩相当，石灰岩较差。

由图8（b）可知，随着磨耗次数的增大，各粒径范围的Vmc值均有一定程度的下降，其中骨料粒径为13.2 mm 的下降幅度最大，但是因其具有较高的初始Vmc值，使得经过一定磨耗次数后仍然具有丰富的凹谷和轮胎接触面。

由图8（c）可知，Vmc随着磨耗次数的增加逐渐上升，这与其他参数变化特征不同，其原因是骨料姿态中关于体积参数Vmc的衰变分析是对骨料颗粒单独提取，只涉及颗粒个体本身，在磨耗作用下骨料必然存在体积上的减少。倾斜出露的骨料姿态Vmc值变化与平躺出露姿态的变化相似，均较为平缓。但是平躺出露姿态具有较低的初始数值，代表与轮胎接触的表面材料较多，即使磨耗次数的不断增加，仍然保持着较低水平的Vmc值，这代表在行车荷载的反复作用下仍然可以保持较为丰富的纹理特征。因此，在露石水泥混凝土路面设计时，骨料平躺出露姿态是施工与质量评定的关键指标之一，可用体积参数Vmc评价。

2.4 形态参数相关指标衰变分析

有研究认为[10]，形态参数中的Spd与路面抗滑性能的关系最密切。Spd可用于表征纹理与轮胎的接触状态，量化磨损与骨料微观纹理的关系。不同母岩、骨料最大粒径以及骨料出露姿态条件下形态参数随磨耗次数增加的衰变如图9 所示。

图9 不同条件下形态参数Spd 的衰变趋势

峰密度是指单位面积（mm2）顶峰点数量，该值会由于露石混凝土特殊的路面构造特征（如骨料颗粒之间凹谷的存在）而出现较低的数值。由图9（a）、（b）可知，对于不同母岩颗粒，Spd值均有一定程度的衰减，其中石灰岩的衰变速率较大。骨料最大粒径为10 mm 的Spd初始值有着远大于其他2 种粒径的骨料，这是由于粒径较小，骨料出露面积较紧密，从而具有较低的凹谷面积，这种现象对于露石混凝土路面关于骨料最大粒径的三维形貌分析是不利的，因为露石混凝土路面的抗滑承载能力主要由粗骨料来提供，凹谷的存在导致峰密度Spd的计算存在较大的差异性。骨料最大粒径为13.2 mm 和20 mm 对于磨耗具有较高的抵抗力。由图9（c）可知，3 种不同骨料出露姿态的Spd值随着磨耗次数增加逐渐减小，其中平躺出露的骨料姿态的衰变速率最大，且远大于其他2 种出露姿态；在平躺出露和倾斜出露这2 种出露姿态的Spd变化曲线中，虽然二者初始峰密度相近，但由于平躺出露具有较为平坦的表面，随着磨耗次数的增加，平躺的粗骨料尖锐部分逐渐被磨损，最终使得单位面积的峰顶点数量出现骤降，虽然平躺出露的骨料姿态的Spd值降幅要远大于倾斜出露和棱角出露，但平躺出露的骨料姿态依然在整个磨耗过程中具有更大峰密度，且随着磨耗次数的增加具有与倾斜出露相近的峰密度。因此Spd值用于评价露石混凝土试块磨耗表面整体并不适宜，但对于不同骨料出露姿态则具有良好的适用性。

3 结 论

（1）母岩类型为玄武岩和辉绿岩、骨料最大粒径为13.2 mm和20 mm 以及骨料出露姿态为平躺出露和倾斜出露对于磨耗具有较高的抵抗力，而且骨料最大粒径为13.2 mm 和20 mm 以及平躺和倾斜出露这2 种骨料姿态在各参数指标的衰变基本一致，因此对于露石路面骨料出露的控制可结合美观度和均匀度等因素在两者间进行选择。

（2）用于评价不同出露姿态的纹理衰变关键指标为：均方根高度Sq、陡峭度Sku和体积参数Vmc。