遲鳳霞， 奚晨晨*， 王洋洋， 肖神清， 譚憶秋

(1.浙江省道橋檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 311305; 2.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院， 杭州 311305; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150000)

隨著中國(guó)“新基建”部署，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施落地，道路工程路面設(shè)計(jì)、檢測(cè)養(yǎng)護(hù)及管理等行業(yè)迎來了巨大契機(jī)。截至目前，中國(guó)公路里程已超過500萬km，其中高速公路約達(dá)16萬km，位居世界第一。瀝青路面因其具備良好的表面特性、施工維修便易性等特點(diǎn)而廣泛用于城市道路中?！鞍踩⒈憬?、高效、綠色”既是現(xiàn)代交通運(yùn)輸整體的發(fā)展目標(biāo)與基調(diào)，又是瀝青路表功能的相應(yīng)要求。圍繞此要求，路表紋理特征及演化行為這一基礎(chǔ)理論問題亟待明晰。

作為評(píng)價(jià)道路表面功能的重要參量，瀝青路表紋理是現(xiàn)代公路養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)、管理環(huán)節(jié)中必要的研究對(duì)象。隨著無人化、智能化道路檢測(cè)逐漸成為道路“建-管-養(yǎng)”行業(yè)大勢(shì)，過去功能單一且耗費(fèi)大量人力物力的功能檢測(cè)拖車逐漸被便攜式多功能化的數(shù)碼設(shè)備所替代。借助機(jī)器視覺方法，獲取路表紋理狀態(tài)以達(dá)到數(shù)據(jù)“一測(cè)多用”的目的已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。“高精度、大量程”的路表紋理檢測(cè)產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。與此同時(shí)，相應(yīng)的理論方法也逐步完善，特別是涉及路面安全的抗滑問題，已經(jīng)在路表紋理多尺度表征評(píng)價(jià)、胎-路接觸力學(xué)分析[3-4]以及紋理智能識(shí)別方法[5-6]等方面積累了大量成果。Persson[3]基于路面紋理多尺度特性，分析了橡膠粗糙表面接觸狀態(tài)，形成了多尺度接觸摩擦理論，為進(jìn)一步分析路表功能特性提供了基礎(chǔ)。

在瀝青混合料材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，路表紋理特性與混合料組成關(guān)系尚不清楚，導(dǎo)致瀝青混合料預(yù)期的表面功能難以掌握。瀝青路面早期開裂、剝落、坑槽等破壞現(xiàn)象[7]的大量出現(xiàn)表明，傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在重載超載、大交通量、大溫差等惡劣服役環(huán)境下已經(jīng)難以滿足路面功能需求。按路面結(jié)構(gòu)功能需求設(shè)計(jì)理念[8-9]，面層長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中，遭受著荷載、凍融、水損以及老化等破壞，應(yīng)具有抗滑、抗凍融水損和抗磨耗的能力。鄭建龍[10]針對(duì)各結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)壽命相等所導(dǎo)致的問題以及破壞特征，提出了瀝青路面各結(jié)構(gòu)層自上而下設(shè)計(jì)壽命遞增的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新思想。為了使道路表面具備上述功能，學(xué)者也積極從材料[11]、礦料級(jí)配[12]及施工方法[13]等各方面進(jìn)行了研究。近年來，虞將苗等[14-15]研發(fā)的超薄磨耗層鋪面，成功運(yùn)用于白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)、港珠澳大橋等各大重要通道，驗(yàn)證了按結(jié)構(gòu)功能的可行性和優(yōu)越性。而隨著綠色環(huán)保、全生命周期評(píng)價(jià)等概念普及，對(duì)表面紋理特性需要滿足的抗滑、降噪、低滾動(dòng)阻力等功能的要求也日益明顯[16-17]。然而不足的是，表面紋理特征一般作為經(jīng)驗(yàn)性的驗(yàn)證指標(biāo)，未能參與至混合料材料設(shè)計(jì)之中，故難以通過材料組成準(zhǔn)確預(yù)估表面紋理特性和功能特性[18-19]。

基于以上研究背景，為了及時(shí)鞏固中外相關(guān)研究成果，本文研究從路表紋理的視角進(jìn)行梳理，從路表紋理多尺度特征及其影響、多尺度表征方法以及路表紋理演化行為等方面進(jìn)行分析總結(jié)，并結(jié)合數(shù)字信息化時(shí)代背景提出一些基礎(chǔ)性研究的關(guān)鍵問題，以期為未來快速智能檢測(cè)及材料力學(xué)設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)與參考。

1 路表紋理多尺度特征及其影響

路面紋理定義為特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的“路面表面與真實(shí)平面的偏差”[20]?？捎盟椒较虿ㄩL(zhǎng)和豎直方向幅度來描述，其中波長(zhǎng)可理解為波峰至波峰的水平長(zhǎng)度，幅度可理解為波峰與波谷的高差。

路表紋理特性是評(píng)價(jià)表面功能，如胎-路摩擦、噪聲、滾動(dòng)阻力和材料磨損等功能的重要參數(shù)[21]。第17屆世界道路大會(huì)上，世界道路協(xié)會(huì)(Permanent International Association of Road Congress， PIARC)從紋理幾何特性的角度首次提出了紋理波長(zhǎng)尺度分類方法，包括：微觀(micro-texture)、宏觀(macro-texture)、粗大紋理(mega-texture)。1987年P(guān)IARC將路面行車質(zhì)量研究轉(zhuǎn)化為更為精確的幾何特性—紋理的幅度及波長(zhǎng)，按照波長(zhǎng)以及幅度分成了4類。如圖1所示，路面紋理可分為4類：波長(zhǎng)小于0.5 mm的微觀紋理；波長(zhǎng)0.5～50 mm的宏觀紋理；波長(zhǎng)50～500 mm的粗大紋理；波長(zhǎng)500 mm～50 m的平整度。

不同尺度的表面紋理特性影響著道路安全(路面摩擦)、環(huán)境(噪聲、乘車舒適度)以及經(jīng)濟(jì)(滾動(dòng)阻力、輪胎磨損、車輛耗損等)。具體如下。

(1)微觀紋理。路面微觀紋理尺度主要表現(xiàn)為集料表面紋理，與集料顆粒的礦物組成、巖性、集料來源(天然、合成)等相關(guān)。

(2)宏觀紋理。宏觀紋理尺度主要是由于顆粒不均勻分布組成，例如瀝青路面中，集料表面形態(tài)、級(jí)配組成等，水泥混凝土路面中表面開槽寬度、間距及紋理的方向等，決定了宏觀紋理特性。

(3)粗大紋理。粗大紋理如車轍、坑槽、裂縫等，與胎-路接觸界面相近的尺寸大小，影響行駛過程中車輛的振動(dòng)特性。

(4)路面平整度。路面平整度是更大尺度的紋理特性，主要受到施工質(zhì)量以及地質(zhì)等因素的影響。

涉及行車安全的胎-路摩擦與路表不同尺度的紋理密切相關(guān)，主要受路面微觀、宏觀、粗大紋理以及部分平整度的影響。與行車環(huán)境相關(guān)的噪聲以及舒適度主要與宏觀尺度及以上的紋理相關(guān)。與使用車輛經(jīng)濟(jì)相關(guān)的車輛耗損、滾動(dòng)阻力等與路表微觀尺度紋理至平整度尺度的紋理密切相關(guān)[21]。由此可見，路表功能是不同尺度下路表紋理特性的協(xié)調(diào)作用的體現(xiàn)，有必要對(duì)其多尺度特性進(jìn)行量化表征。

圖1 路表紋理尺度范圍及其影響[21]Fig.1 Scales of road surface texture and its effects[21]

2 路表紋理多尺度表征方法

隨著計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，目前已形成了眾多路表紋理的測(cè)試方法。例如激光紋理掃描、近景攝影測(cè)量、X-ray斷層掃描等[22-23]。獲取的路表紋理數(shù)據(jù)可作為隨空間(或時(shí)間)變化的隨機(jī)信號(hào)。采用統(tǒng)計(jì)描述及信號(hào)分析方法可進(jìn)一步表征其多尺度特性。肖神清[24]總結(jié)了目前路表紋理特征量化表征的3類常用表征方法，主要包括：統(tǒng)計(jì)幾何特性、頻譜特性、自仿相似特性。

2.1 統(tǒng)計(jì)幾何的紋理表征方法

在產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范中，R型統(tǒng)計(jì)類參數(shù)的使用較為普遍。通過1999年和2016年的全球范圍內(nèi)的R型參數(shù)使用量調(diào)查[25-26]，其中包括：幅度高度類參數(shù)(最大輪廓峰高Rp、最大輪廓谷深Rv、最大高度Rz、平均高度Rc、總高度Rt)、幅度平均類參數(shù)(算術(shù)平均偏差Ra、均方根偏差Rq、偏度Rsk、陡峭度Rku)、間距參數(shù)(平均間距Rsm)、綜合類參數(shù)(單位長(zhǎng)度內(nèi)連續(xù)穿過指定輪廓介質(zhì)線的凸體數(shù)目Rpc、均方根斜率Rdq、支承長(zhǎng)度率Rmr、輪廓截面高度差Rdc)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：斷面輪廓參數(shù)的使用種類以及用戶數(shù)量均有所增加。最常用的表征參數(shù)為算術(shù)平方根Ra，同時(shí)變化較為明顯的評(píng)價(jià)參數(shù)是算術(shù)均方根Rq和偏度Rsk。

類似產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范定義，路表紋理的統(tǒng)計(jì)幾何參數(shù)分為3類，包括幅度類、間距類、綜合類參數(shù)[27]。幅度參數(shù)描述了垂直方向上表面高程的統(tǒng)計(jì)分布特性，間距參數(shù)描述了紋理的周期特性，綜合類參數(shù)則包含了紋理的這兩類特性。工程上使用不同的評(píng)價(jià)參數(shù)來表征路面平整度以及宏觀紋理，如描述路面平整度的國(guó)際平整度系數(shù)(international roughness index， IRI)[28]、描述宏觀紋理的表面構(gòu)造深度(mean texture depth， MTD)、平均斷面深度(mean profile depth， MPD)[29]等。針對(duì)上述二維描述指標(biāo)對(duì)紋理信息表征不足的問題，一些學(xué)者[28-33]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，得到了面積型三維表征參數(shù)，如算術(shù)均方根Sq、偏斜度Ssk等。即使這些參數(shù)被廣泛使用，但統(tǒng)計(jì)表征參數(shù)單一。在實(shí)際的測(cè)量中，經(jīng)常出現(xiàn)“相近的構(gòu)造深度可能存在功能大不相同的紋理分布”的現(xiàn)象[34]。

圖2 R類表征參數(shù)的使用情況[25-26]Fig.2 Usage statistics of R-type parameters[25-26]

另一方面，統(tǒng)計(jì)幾何參數(shù)對(duì)測(cè)試尺度具有一定的依賴性。Li等[35]發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)線長(zhǎng)度取12.75 mm時(shí)，能夠得到平均斷面深度、均方根等參數(shù)的穩(wěn)定值。然而，Serigos等[30]卻發(fā)現(xiàn)不足10 mm的基準(zhǔn)線也能較好地預(yù)測(cè)表面抗滑性能；對(duì)于微觀紋理，推薦使用1 mm長(zhǎng)的基準(zhǔn)線即可有效地預(yù)測(cè)抗滑性能。因此，探索與測(cè)試尺度無關(guān)的表面紋理特征參數(shù)是有必要的[36]。

2.2 頻譜特性表征方法

2.2.1 基于傅里葉變換的紋理表征方法

傅里葉變換是時(shí)頻分析中最常用的方法之一。通常用于描述隨時(shí)間或距離變化的物理現(xiàn)象。瀝青混合料表面紋理是隨路面表面水平距離變化的隨機(jī)信號(hào)。采用傅里葉變換可以將任何隨機(jī)信號(hào)用一系列正弦函數(shù)近似表示，這些正弦函數(shù)有各自不同的幅值和相位，代表了瀝青混合料表面構(gòu)造線的頻譜組成成分[37]。雖然獲取的數(shù)據(jù)維度不同，采用的計(jì)算方法也有所差異，但是其原理基本一致。

2008年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)形成了路表紋理水平譜分析的規(guī)范[38]。圖3為表面紋理的傅里葉頻譜分析流程。在功率譜分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將紋理信號(hào)的頻率分為多個(gè)頻帶(如倍頻程、1/3倍頻程)，分析每組頻帶上的頻譜特性。基于此方法，不少學(xué)者將頻譜參數(shù)用于路面的抗滑降噪性能評(píng)價(jià)[37]。

圖3 紋理的傅里葉變換多尺度分析方法[38]Fig.3 Texture multi-scale analysis using Fourier transform[38]

2.2.2 基于小波變換的紋理表征方法

被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”的小波分析，是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種可調(diào)寬度基函數(shù)(窗口大小固定不變，但其形狀可以改變的)的多尺度細(xì)化分析(multiscale analysis)[39-40]，一般用于處理非平穩(wěn)信號(hào)。所有的小波基函數(shù)均是由母小波進(jìn)行平移與縮放得到。根據(jù)信號(hào)形狀需要選擇合理選擇母小波是進(jìn)行小波變換的關(guān)鍵第一步。dbN小波族由10個(gè)緊支撐的正交小波函數(shù)組成，各階小波具有不同的波形特性。db3小波函數(shù)具有最大平坦的正交緊支撐特性，這是離散小波變換迭代分解的理想特征。與傅里葉變換相似，通過小波變換，可將離散紋理信號(hào)可分解為近似信號(hào)與細(xì)節(jié)信號(hào)，近似信號(hào)又可以分解為另一組近似信號(hào)與細(xì)節(jié)信號(hào)。如圖4所示。通過分析小波細(xì)節(jié)的能量以及相對(duì)能量，能夠?qū)崿F(xiàn)紋理信號(hào)多尺度分析。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解時(shí)，由于只對(duì)低頻部分做進(jìn)一步分解，而對(duì)高頻部分即信號(hào)的細(xì)節(jié)部分不再繼續(xù)分解，所以小波變換能夠很好地表征以低頻信息為主要成分的信號(hào)，不能很好地分解和表示包含大量細(xì)節(jié)信息的信號(hào)[41-43]。

圖4 紋理的小波變換多尺度分析方法[43]Fig.4 Texture multi-scale analysis using Wavelet transform[43]

采用小波分析的方法，Zelelew等[42]將圓形紋理掃描儀測(cè)試數(shù)據(jù)分解為6個(gè)小波子帶d1～d6。其中最大波長(zhǎng)高達(dá)56 mm。子帶d1和d2(波長(zhǎng)高達(dá)3.48 mm)中表示的波長(zhǎng)范圍對(duì)應(yīng)細(xì)骨料尺寸，而d3和d4(波長(zhǎng)范圍3.48～13.92 mm)對(duì)應(yīng)粗骨料尺寸。具有更高波長(zhǎng)范圍(27～56 mm)的子帶d5～d6表示相互連接或重疊的骨料。研究表明，較光滑路面的宏觀紋理特性主要受子帶d1～d4(即細(xì)骨料和粗骨料)的影響，而粗糙路面的宏觀紋理特性主要受子帶d3和d4(即粗骨料尺寸)的影響。

2.2.3 基于HHT變換的紋理表征方法

小波變換和傅里葉變換都是基于基函數(shù)的先驗(yàn)選擇的傳統(tǒng)頻譜分析方法。希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang transform， HHT)解決了這一先驗(yàn)選擇問題，具有良好的自適應(yīng)性，是一種直觀的瞬時(shí)頻率分析方法，生成的能量-時(shí)間-頻率譜能夠很好地處理非平穩(wěn)非線性信號(hào)。HHT主要內(nèi)容包含兩部分，第一部分為HHT的核心思想：經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)，它是由Huang提出的；第二部分為Hilbert譜分析(Hilbert spectrum analysis，HSA)。首先使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法，將信號(hào)自適應(yīng)地分解為一系列固有模態(tài)分量(instrinsic mode function， IMF)和一個(gè)表征信號(hào)變換趨勢(shì)的殘余分量。然后利用希爾伯特變換對(duì)每一個(gè)固有模態(tài)分量進(jìn)行頻譜分析[44]。固有模態(tài)函數(shù)IMF必須滿足以下兩個(gè)條件：一是信號(hào)的極大值個(gè)數(shù)與過零點(diǎn)個(gè)數(shù)相同，或最多相差一個(gè)；二是信號(hào)的上下包絡(luò)平均值為零。具體步驟如圖5所示。

采用HHT變換的方法，Rado等[46]得到了路表紋理尺度相關(guān)的歸一化頻率和振幅分布。所疊加的基固有模態(tài)分量與路面摩擦之間具有良好的相關(guān)性，這為表征摩擦相關(guān)的紋理提供了新方法。

圖5 紋理的HHT變換多尺度分析方法[45]Fig.5 Texture multi-scale analysis using HHT transform[45]

2.3 自仿相似特性表征方法

2.3.1 紋理幅度的自相關(guān)函數(shù)

自仿相似主要指某種結(jié)構(gòu)或過程的特征從不同的空間尺度或時(shí)間尺度來看都是相似的，或者某系統(tǒng)的局域性質(zhì)與整體類似。對(duì)于自仿相似的對(duì)象，有

x→Λx，z→ΛHz

(1)

式(1)中：z為自變量x的函數(shù)；H為Hurst指數(shù)，H的取值范圍為0～1。當(dāng)x隨比例因子Λ縮放到Λx，相應(yīng)的z也就縮放到ΛHz。

通常采用紋理的粗糙度(能量)函數(shù)來分析尺度特性。例如高差相關(guān)函數(shù)[47]。該計(jì)算方法與功率譜分析方法等效。它計(jì)算表面水平方向上波長(zhǎng)λ的均方高度波動(dòng)特性。針對(duì)表面輪廓曲線，高差相關(guān)函數(shù)C(λ)可以表述為

C(λ)=〈[z(x+λ)-z(x)]2〉x

(2)

(3)

式(3)中的冪律關(guān)系可直接根據(jù)式(1)中的自仿射性定義推導(dǎo)而來，故可看作是評(píng)判表面紋理是否具有自仿相似特性的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 高差相關(guān)函數(shù)[47]Fig.6 Height difference function[47]

2.3.2 分形表征方法

基于系統(tǒng)局部與整體的相似特性，自仿相似特性揭示了物體分形的本質(zhì)。分形研究系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度，量化了局部與整體的相似程度。引入分形維數(shù)作為一個(gè)重要參量，其不依賴于對(duì)象的尺度大小。針對(duì)不同的研究對(duì)象，形成了較多的分形維數(shù)計(jì)算方法。較為常見的幾種方法有：最大似然法、周期圖法、網(wǎng)格法、計(jì)盒數(shù)法等?；诰S數(shù)的定義或某種特定模型，這些方法描述的對(duì)象有所區(qū)別，通過不同的計(jì)算方法得到的分形維數(shù)不盡相同。

以常見的計(jì)盒數(shù)法為例，計(jì)算研究對(duì)象的盒維數(shù)，通常以相同尺寸ε的盒子(這里“盒子”是一個(gè)抽象的概念，可以為線段、方格或小立方體)覆蓋物理量，改變盒子尺寸來評(píng)價(jià)盒子數(shù)量N(ε)與尺度ε之間的關(guān)系[48]，如式(4)所示，此關(guān)系以分形維數(shù)D表示，即

N(ε)∝ε-D

(4)

對(duì)于給定的尺度ε，分形對(duì)象的空間屬性計(jì)算公式為

A(ε)=N(ε)εE

(5)

式(5)中：A(ε)針對(duì)不同的分形對(duì)象，意義有所不同，可以理解為一維線長(zhǎng)度、二維面面積、三維體體積，這里統(tǒng)一稱為盒子的“質(zhì)量”；E對(duì)應(yīng)為歐式幾何空間的維數(shù)。

將式(4)代入式(5)，等式兩邊取對(duì)數(shù)可得

lnA(ε)=(E-D)lnε+lnC

(6)

式(6)中：C為常數(shù)；分形維數(shù)D與A(ε)～ε雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的斜率k有關(guān)，這里k也可以理解為Hurst指數(shù)，通過式(6)能較容易地求出給定ε下的A(ε)。所以，通過計(jì)盒數(shù)法得到的分形維數(shù)D為

D=E-k

(7)

按照上述原理，學(xué)者們[49-51]實(shí)現(xiàn)了瀝青表面紋理的一維至三維分形維數(shù)的計(jì)算。

2.3.3 多重分形表征方法

現(xiàn)實(shí)復(fù)雜對(duì)象的分形特性不僅僅是在幾何上，而且也體現(xiàn)在質(zhì)量、測(cè)度等空間上的分配。多重分形(multifractal)則是描述不規(guī)則分形空間上質(zhì)量分布的有力工具。多重分形所描述的是具有分形特性的對(duì)象在測(cè)度分布中所表現(xiàn)的不同層次和特征，故可以分為多個(gè)區(qū)域的復(fù)雜分形結(jié)構(gòu)[24]。為了對(duì)分形的復(fù)雜性和不均勻性進(jìn)行更細(xì)致地刻畫，在計(jì)盒數(shù)統(tǒng)計(jì)盒子數(shù)目前，需引進(jìn)盒子包含物理量的概率分布函數(shù)及其各階矩的計(jì)算，其流程如圖7所示。

圖8示意了多重分形譜及其特征參數(shù)。對(duì)于路表紋理形貌而言，研究的物理量為紋理的高程分布情況。多重分形譜的各特征量具有對(duì)應(yīng)的物理意義：大奇異指數(shù)αmax及對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)f(αmax)反映的是小質(zhì)量概率子集的性質(zhì)；反之，αmin及對(duì)應(yīng)的f(αmin)則反映的是大概率區(qū)域的性質(zhì)。fmax和相應(yīng)的α0反映的是最或然子集的性質(zhì)。分形譜寬Δα量化了研究物理量概率分布范圍的大小，概率分布越不均勻，相應(yīng)的分形譜曲線越寬，即Δα越大。分形譜兩側(cè)高差Δf反映了大小概率子集占優(yōu)的相對(duì)情況，若小概率子集占優(yōu)，多重分形譜呈現(xiàn)右鉤狀，反之則呈現(xiàn)如圖8所示的左勾狀[24]。

圖7 基于多重分形的紋理表征流程[24]Fig.7 Flow of texture characterization using multifractal[24]

圖8 多重分形譜特征參數(shù)[24]Fig.8 Multifractal characteristic parameters[24]

3 路表紋理演化行為

3.1 路表紋理演化影響因素及機(jī)理

新建的瀝青道面一般具有較為豐富的表面紋理，但長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境下，其表面除了經(jīng)受水、光、溫度等自然環(huán)境的侵襲，還遭受汽車荷載反復(fù)碾壓，多種物理場(chǎng)的耦合作用使得路面加速老化，表面紋理逐漸發(fā)生衰變，進(jìn)而影響路表的使用功能。路表紋理的影響因素可總結(jié)為兩個(gè)時(shí)期(圖9)：一是紋理形成期，主要與材料設(shè)計(jì)(包括集料、瀝青、級(jí)配等因素)以及施工水平(如壓實(shí)度、溫度等)相關(guān)，這些因素直接決定了路表紋理特性；二是紋理劣化期，其中一方面是自然環(huán)境因素，包括雨、雪、冰以及表面沉積物等，這類因素一般使紋理可恢復(fù)性變化，另一方面是交通荷載作用，這類因素一般永久地?fù)p壞了表面紋理特性。

圖9 路表紋理的演化過程[21]Fig.9 Pavement texture evolution[21]

3.1.1 材料特性

瀝青混合料材料特性跨尺度地影響著路表紋理。首先，瀝青路面表層需要提供足夠的抗滑性能，則在集料選材方面盡量選擇表面紋理豐富且耐磨的石料，以保證路面具有優(yōu)良的長(zhǎng)期抗滑性能。然而，優(yōu)質(zhì)石料資源有限，抗滑表層對(duì)原材料要求嚴(yán)格，如何協(xié)調(diào)路表功能耐久性和筑路材料經(jīng)濟(jì)性也成為道路工作者們關(guān)心的問題[52]。

路表集料顆粒表面一般裹附著微米級(jí)的瀝青薄膜，初期覆蓋了表面集料的微觀紋理[53]。在炎熱夏季，瀝青富集區(qū)域容易流動(dòng)，使得表面紋理更加光滑，故服役過程中初期抗滑性能也會(huì)出現(xiàn)短暫的上升趨勢(shì)。因此，在瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中，將油石比作為重要的控制參數(shù)，除了考慮瀝青用量對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響外，也應(yīng)該考慮瀝青用量對(duì)表面紋理的影響[54]。

另一方面，混合料的級(jí)配也直接決定了表面紋理的分布狀態(tài)，一般開級(jí)配的混合料表面紋理較密級(jí)配混合料具有更加豐富的紋理。通過對(duì)比大量學(xué)者對(duì)瀝青路面抗滑性能尤其在級(jí)配選擇上的研究后，朱洪洲等[55]推薦瀝青路面抗滑層采用間斷級(jí)配，其各項(xiàng)性能均表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。王淞[56]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)最大公稱粒徑越小時(shí)，降噪效果更明顯，最大公稱粒徑13 mm較5 mm的瀝青馬蹄脂碎石噪聲聲壓值高3分貝左右。這說明通過一定的材料設(shè)計(jì)能優(yōu)化表面紋理特性，以此協(xié)調(diào)混合料抗滑降噪性能。一些學(xué)者開始關(guān)注表面紋理特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性之間的聯(lián)系[19，57-59]，分別建立了表面紋理水平與最大粒徑尺寸、體積指標(biāo)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，這為進(jìn)一步研究紋理特性與結(jié)構(gòu)特性映射關(guān)系提供了一定思路。

3.1.2 施工特性

瀝青混合料壓實(shí)的目的是減少空隙率并優(yōu)化混合料中的顆粒骨架，但同時(shí)壓實(shí)和壓實(shí)結(jié)束時(shí)瀝青集料的實(shí)際排列也會(huì)影響表面結(jié)構(gòu)。中國(guó)現(xiàn)行的混合料設(shè)計(jì)方法是基于馬歇爾體積設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用馬歇爾擊實(shí)方法，這與實(shí)際路面壓實(shí)成型的方法有所差異，所以采用該設(shè)計(jì)方法來評(píng)價(jià)表面紋理特性是不適合的。Praticò等[60]分別研究了壓實(shí)方法(旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和輪碾)、壓實(shí)功以及厚度對(duì)表面紋理特性和體積特性(毛體積密度和空隙率)的影響，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)功、壓實(shí)類型和瀝青層厚度均對(duì)路面紋理影響較大，建立了表面紋理表征參數(shù)與體積特征參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了與級(jí)配特性相關(guān)(集料粒徑、特征波長(zhǎng))的表面紋理水平預(yù)測(cè)方法。Han等[57]采用基于二維圖像的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析方法對(duì)瀝青混合料的集料排列、空隙率分布和砂漿分布進(jìn)行了表征，也建立了瀝青混合料表面紋理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。兩種統(tǒng)計(jì)模型中，表面紋理特征參數(shù)相同，但是所采用的體積特征指標(biāo)不相同。Georgiou等[61]研究發(fā)現(xiàn)從路面摩擦性能的角度，室內(nèi)輪碾壓實(shí)法能夠較好模擬現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)，兩者的摩擦系數(shù)具有較好相關(guān)性。Wang等[62]對(duì)比了3種室內(nèi)輪碾壓實(shí)度對(duì)表面紋理及摩擦系數(shù)的影響。發(fā)現(xiàn)室內(nèi)欠壓實(shí)度的表面特性與現(xiàn)場(chǎng)的壓實(shí)度更為接近。隨著壓實(shí)度增加，試件表面紋理更加平滑。3種壓實(shí)度對(duì)擺式摩擦系數(shù)的結(jié)果影響不大，但是在高速下，構(gòu)造深度較大的路表摩擦系數(shù)更大。因此，輪碾壓實(shí)方法可整合到現(xiàn)有的混合料配合比設(shè)計(jì)中，用以評(píng)估瀝青混合料的摩擦特性。

3.1.3 表面污染物

水、溫度以及污染物耦合作用使得路表呈現(xiàn)出不同的表面狀態(tài)。這不僅影響著集料/瀝青界面粘附性，致使瀝青加速剝離，而且表面污染物也改變了路表界面性質(zhì)。針對(duì)不同的路表狀態(tài)，Persson[3]從微觀層面解釋了水膜具有潤(rùn)滑密封效果，致使表面紋理粗糙度降低，在薄水膜狀態(tài)下(厚度小于1 μm)的低速抗滑性能降低20%～30%；Chu等[63]從宏觀角度考慮路面抗滑性能的道路限速設(shè)計(jì)，研究了雨天安全停車距離和安全行駛的最小防滑要求的速度限制，進(jìn)一步建立了以抗滑性能為設(shè)計(jì)指標(biāo)的路面表層混合料設(shè)計(jì)方法。此外，實(shí)際路面由于路面磨損顆粒、污染沉積等潤(rùn)滑作用，久旱逢雨時(shí)易出現(xiàn)“夏季結(jié)冰”現(xiàn)象，交通事故往往會(huì)增加[64-67]。如圖10所示，表面狀態(tài)的變化為“干燥塵污期—污水期—凈水期—干燥潔凈期”，相應(yīng)的抗滑性能一般會(huì)呈現(xiàn)先減少后上升的周期性變化規(guī)律。Daniel等[68]針對(duì)長(zhǎng)期遭受火山灰燼污染的路面及機(jī)場(chǎng)跑道進(jìn)行了分析，在表面受到1 mm厚的灰燼污染后，摩擦性能顯著下降。表面灰燼清理后，表面紋理所提供的摩擦性能基本恢復(fù)。

相比于雨水天氣，冰雪狀態(tài)下的路表紋理服役功能更低。文獻(xiàn)[69-70]從潮濕山區(qū)路面凝冰機(jī)理、凝冰的物理特性以及凝冰路面抗滑性能進(jìn)行了總結(jié)。不少學(xué)者關(guān)注于橡膠與冰面摩擦關(guān)系，揭示了冰面橡膠摩擦的作用機(jī)理。Lahayne等[71]考慮黏滯(由冰上粗糙物劃傷橡膠表面激活的橡膠形成的黏彈性貢獻(xiàn))與黏附作用(橡膠與冰之間實(shí)際接觸區(qū)域剪切形成的黏著貢獻(xiàn))，分析了冰面橡膠摩擦的微觀特征，揭示了冰表面隨溫度變化的塑性光滑和摩擦加熱形成融水膜的作用。Kriston等[72]進(jìn)一步利用原位和非原位冰顯微鏡研究了橡膠-冰滑動(dòng)摩擦的接觸機(jī)理。根據(jù)冰面形態(tài)的演變，確定了軟硬程度不同的兩種橡膠的摩擦機(jī)理。對(duì)于較軟橡膠，冰的微觀結(jié)構(gòu)通過霜凍的圓整/去除、硬填料的犁削和毛細(xì)管阻力的準(zhǔn)液態(tài)層剪切而演變。較軟橡膠接觸壓力分布均勻，未發(fā)現(xiàn)冰的冷重結(jié)晶和局部融化/再凍結(jié)現(xiàn)象。而硬度較高的橡膠壓力分布不均勻，接觸更加局部化，導(dǎo)致亞晶界、可見蝕坑和大規(guī)模熔化/再凍結(jié)等局部變形特征增強(qiáng)。Klein-Paste等[73]采用擺式儀測(cè)試了在-22～0 ℃條件下的輪胎與冰面，砂與冰的摩擦系數(shù)，同時(shí)也分析了冰面覆蓋薄雪層的影響。在試件表面撒砂和雪以測(cè)試在不同溫度下輪胎-砂-冰、輪胎-雪-冰，輪胎-雪-砂-冰之間的摩擦系數(shù)的變化。研究表明，輪胎與冰面的摩擦力由于薄雪層的存在，其摩擦力急劇下降，比潮濕和融冰狀態(tài)下的摩擦力更小；與橡膠-冰摩擦相比，覆有砂的冰面橡膠摩擦更不受溫度和雪層的影響。

圖10 雨天前后路表狀態(tài)演變規(guī)律[67]Fig.10 Evolution of pavement state before and after rainy days[67]

總而言之，這些因素使得路表紋理狀態(tài)發(fā)生改變，在胎-路接觸系統(tǒng)中出現(xiàn)了第三體，進(jìn)而使得接觸狀態(tài)發(fā)生了改變，導(dǎo)致抗滑功能也隨之變化。因此，考慮胎-路接觸界面介質(zhì)潤(rùn)滑作用的力學(xué)模型有必要進(jìn)一步分析。

3.1.4 磨光作用

路表紋理的衰變最主要的影響因素是輪胎的磨光與磨損作用。根據(jù)長(zhǎng)期對(duì)瀝青路面的觀測(cè)結(jié)果及室內(nèi)加速磨光試驗(yàn)結(jié)果的研究表明，瀝青路面紋理演化衰變主要表現(xiàn)為初期表面瀝青薄膜的磨蝕與后期集料的磨損和磨光過程兩個(gè)階段[74-76]，如圖11所示，抗滑性能呈初期上升然后逐漸下降的趨勢(shì)。然而也有另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這種初期上升是因?yàn)檫M(jìn)一步壓密和遷移變形導(dǎo)致，后期的穩(wěn)定衰減則是以磨光和磨損作用為主[77]。

路表的抗磨光作用與集料品質(zhì)密切相關(guān)，許多學(xué)者開展了集料表面紋理磨光研究[78-81]。根據(jù)不同集料的礦物成分硬度及組成差異，可分為兩種磨光機(jī)制：普遍磨光和差異磨光[82]。由單一礦物成分的集料傾向于普遍磨光，其表面粗糙表現(xiàn)為逐漸削平；由多種礦物組成的集料傾向于差異磨光，其表面由于集料礦物之間的硬度差異而重新生成粗糙度。Wang等[79]通過巖相分析，發(fā)現(xiàn)集料不同軟硬程度的礦物成分決定了趨于穩(wěn)定的摩擦值：摩擦值與較硬的石英質(zhì)量含量呈正相關(guān)關(guān)系，與較軟的方解石含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖11 路表紋理磨光演變規(guī)律示意圖[74]Fig.11 Schematic diagram of polishing evolution of pavement texture[74]

3.2 路表紋理演變規(guī)律

3.2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

在上述因素的影響作用下，路表紋理的演變也呈現(xiàn)出多尺度特性。早期，學(xué)者們[80-81]從粗集料磨光試驗(yàn)分析了路表紋理的演變規(guī)律，通過觀察磨光前后表面紋理功率譜發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)低于0.1 mm的粗集料表面紋理受磨光作用變化明顯，而高于0.1 mm的表面紋理基本不受磨光作用而發(fā)生明顯變化。進(jìn)一步地，Xiao等[82]通過瀝青混合料的室內(nèi)磨光模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了更大尺度的演變規(guī)律。隨著磨光作用增加，波長(zhǎng)在0.6 mm以下的紋理粗糙度顯著減小，而更大波長(zhǎng)的紋理粗糙度隨表面磨光磨損并未表現(xiàn)出明顯的衰減趨勢(shì)。

可見，磨光作用對(duì)表面小尺度的紋理影響較大尺度紋理更明顯。盡管上述研究采用了類似的試驗(yàn)及分析手段，但由于磨光對(duì)象的不同，一般而言，瀝青混合料相比粗集料更易磨損或顆粒脫落，導(dǎo)致觀察的受磨光作用影響的波長(zhǎng)范圍有所差異。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

除了上述室內(nèi)模擬試驗(yàn)之外，許多學(xué)者也開展了路網(wǎng)層級(jí)的紋理隨時(shí)間和空間的演化。開發(fā)了多元回歸模型以描述路面MPD隨交通量和路面使用壽命的變化，但是模型的相關(guān)系數(shù)通常較低，不足以解釋紋理的變化規(guī)律。類似地，也有學(xué)者[83]采用生存分析模型來研究路面特征隨累積交通量的演變。然而，路網(wǎng)級(jí)別的紋理評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的變異性[84]。Freitas等[85]使用方差分析方法分析了3個(gè)指標(biāo)平均構(gòu)造深度 (mean texture depth，MTD)、傳感器測(cè)量的構(gòu)造深度(sensor measured texture depth，SMTD)和國(guó)際平整度系數(shù)IRI的變異性，但需要進(jìn)一步考慮路面類型對(duì)數(shù)據(jù)變異性的影響。Edmondson等[86-87]通過觀察不同路面25年激光紋理深度指標(biāo)SMTD時(shí)間序列，揭示了路表紋理深度會(huì)出現(xiàn)周期性演變。

Xiao等[88]針對(duì)國(guó)內(nèi)足尺環(huán)道的表面紋理斷面深度進(jìn)行了時(shí)空演變規(guī)律分析。結(jié)果表明，路表紋理的斷面深度空間變異性一般在5%～15%，并且該空間變異性不隨服役環(huán)境明顯變化。氣候與荷載的作用比氣候更能增加MPD的變化幅度。在服役時(shí)間上，MPD時(shí)間序列的Hurst指數(shù)小于0.5，表明紋理深度隨時(shí)間的演變是一個(gè)增加和減少交替的反持久性過程。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)氣候以及交通荷載狀況，持續(xù)時(shí)間的平均周期一般小于8個(gè)月。這些研究為紋理深度的演化行為提供了新的認(rèn)識(shí)，為紋理水平估計(jì)和閾值設(shè)置提供了基礎(chǔ)。

3.3 路表紋理磨光演化力學(xué)模型

3.3.1 路表紋理磨損力學(xué)建模方法

路表紋理的多尺度特征能為表面功能預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)分析提供足夠的指導(dǎo)。準(zhǔn)確建立路表紋理衰變力學(xué)模型十分必要。目前，較常用的路表紋理衰減分析方法是通過分析表面表征參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，如平均斷面深度、功率譜密度以及構(gòu)造水平及多重分形譜等[89]。盡管統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型簡(jiǎn)單方便，但是需要事先獲取紋理數(shù)據(jù)，難以得到紋理信息。

為了建立紋理演化的力學(xué)模型，Kane等[90]認(rèn)為路表紋理的磨損根源在于輪胎與路面的接觸應(yīng)力，借助半導(dǎo)體工業(yè)中的晶片磨光建模思想，以局部材料磨損率作為一些接觸參數(shù)的函數(shù)，如接觸壓力、相對(duì)速度、溫度等。路表紋理的磨光建?；赑reston材料磨損假設(shè)。它描述了材料的磨損量與施加的壓力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比，函數(shù)關(guān)系為

ZR(x，y，N)=?Z(x，y，N)/?N=KGp(x，y，N)v

(8)

式(8)中：ZR為材料磨損量，與紋理高度量綱相同；Z(x，y，N)為位置(x，y)在經(jīng)過N個(gè)磨光周期后表面紋理的局部高度；p為局部壓力；v為磨光頭與表面的相對(duì)速度；KG為與集料磨耗系數(shù)成正比的相關(guān)常量，用于平衡方程。通過第N-1個(gè)磨光周期的紋理和局部紋理磨損量，即可計(jì)算出第N個(gè)磨光周期后的紋理為

Z(x，y，N)=Z(x，y，N-1)-ZR(x，y，N)

(9)

式(9)中：Z(x，y，N)和Z(x，y，N-1)分別為N個(gè)周期和N-1個(gè)周期后的表面紋理。整個(gè)算法流程如圖12所示，可以看出，整個(gè)算法流程核心工作集中在表面紋理接觸應(yīng)力的求解。

圖13給出了理想的胎-路接觸二維模型，該模型一般假設(shè)：輪胎橡膠被理想化為彈性半空間；表面紋理為粗糙剛體；接觸過程中僅考慮垂直應(yīng)力，忽略切向摩擦力等影響。將Boussinesq解作為均勻各向同性線彈性力學(xué)問題的一個(gè)重要解，如式(10)所示，現(xiàn)已被用于胎-路接觸力學(xué)計(jì)算模型中。

(10)

式(10)中：E和ν分別為橡膠彈性模量和泊松比；u(x)為橡膠在位置x處滲透位移；p(ζ)為位置ζ處的應(yīng)力；c0為常數(shù)，與接觸區(qū)間邊界a、b有關(guān)。全局的受力平衡滿足：

(11)

式(11)中：P為施加的平均壓力。

圖12 路表紋理磨光力學(xué)建模[90]Fig.12 Mechanical modeling of road surface texture polishing[90]

圖13 橡膠粗糙表面接觸幾何模型[95]Fig.13 Contact model of rubber-rough surface[95]

3.3.2 胎路接觸應(yīng)力求解方法

上述力學(xué)模型中，接觸應(yīng)力與接觸面積均是未知變量。為了求解上述問題，一些學(xué)者提出了經(jīng)驗(yàn)-力學(xué)方法。Clapp[91]基于經(jīng)典的彈性接觸力學(xué)理論，將胎-路接觸壓力近似為接觸位置的帶參多項(xiàng)式函數(shù)，求解了二維接觸狀態(tài)下剛性壓頭與彈性半空間體的接觸力學(xué)問題。Clapp算法基于兩個(gè)簡(jiǎn)化過程：一是采用3次樣條插值近似的方法獲取變形位移，求解紋理產(chǎn)生的應(yīng)力分布；二是通過平均的變形位移獲取變形位移。在此基礎(chǔ)上，考慮橡膠與粗糙表面的接觸特性，以界面分離為出發(fā)點(diǎn)，基于較小荷載狀態(tài)下平均接觸壓力與滲透位移成線彈性的假設(shè)，確定了壓力與橡膠平均滲透深度的關(guān)系[92-93]。該方法中的橡膠滲透位移特征長(zhǎng)度一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值近似得出。

此外，較具代表性的是法國(guó)交通與網(wǎng)絡(luò)科技研究院[94-95]，為了研究路表紋理與胎-路噪聲之間的相關(guān)性，在分析胎-路相互作用的方面做了大量工作，先后提出了二維、三維動(dòng)態(tài)包絡(luò)輪廓及應(yīng)力計(jì)算模型，并開發(fā)了相應(yīng)的噪聲預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)HyRoNE(hybrid rolling noise estimation)。在隨后工作中，Cesbron等[96]針對(duì)其中傳統(tǒng)矩陣變化MIM(matrix inversion method)算法在面對(duì)大量紋理數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)耗時(shí)巨大，提出了一種分步迭代TIM(two-scale inversion method)數(shù)值求解算法，并通過不同類型路面的接觸應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了算法的合理性。

4 研究展望

路表紋理特征是組成材料的直觀體現(xiàn)，也是功能特性的間接表達(dá)。因此，路表紋理有望作為材料設(shè)計(jì)與功能預(yù)測(cè)相聯(lián)系的有效手段。目前表面紋理與路表功能特性之間的關(guān)系：一是建立紋理特征參數(shù)與路面功能兩者的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)路面快速檢測(cè)與功能預(yù)測(cè)；二是建立兩者的力學(xué)模型，指導(dǎo)路面材料設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能演化預(yù)測(cè)。隨著路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)以及路面智能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)達(dá)，路表紋理能夠作為快速檢測(cè)及智能分析評(píng)價(jià)的對(duì)象，未來以下4個(gè)方面值得進(jìn)一步研究。

4.1 路表紋理多尺度特性下的基因信息

路表紋理具有多尺度特性，但是各尺度之間的相關(guān)性和差異性研究不夠。典型地，以粗集料為例，粗集料是一種宏觀上形狀多變的基本單元，其表面紋理一般可分為3個(gè)尺度(粗糙度、棱角性、形狀)來評(píng)價(jià)。借助“材料基因組”的思想，粗集料形狀表現(xiàn)出明顯的變異性，然而，對(duì)于同種集料微小尺度下的粗糙度卻表現(xiàn)出一定的相似性[88]。因此，研究不同石料種類以及不同粒徑尺寸之間的尺度粗糙特性(相同石料不同粒徑大小的紋理粗糙度相關(guān)性，相同粒徑大小不同種石料之間粗糙度的差異特征)，有望挖掘出集料粗糙特性的典型的紋理信息標(biāo)識(shí)，從而提供各集料“紋理基因”信息數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)值力學(xué)仿真計(jì)算發(fā)展。

4.2 表面特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的映射關(guān)系

瀝青混合料是由多級(jí)顆粒堆積填充的多孔材料，表面紋理與空隙均是不規(guī)則顆粒的隨機(jī)排布產(chǎn)生的。兩者的空間分布特性是存在一定聯(lián)系的。壓實(shí)過程中混合料表面存在明顯的“邊壁效應(yīng)”，導(dǎo)致表面的空隙率一般會(huì)高于內(nèi)部空隙率。目前，已有學(xué)者開始關(guān)注表面紋理水平與空隙特征的關(guān)系模型[12-13]，但是還未形成統(tǒng)一理論。因此，如何通過表面信息來預(yù)測(cè)空隙信息，進(jìn)一步研究表面紋理與級(jí)配的內(nèi)在映射規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)是非常值得研究的問題。

4.3 路表紋理特性對(duì)碳排放的影響

路表紋理特性影響著車輛輪胎的滾動(dòng)阻力，降低路面的滾動(dòng)阻力有助于提高燃油效率，從而減少車輛的二氧化碳排放。目前的研究一方面構(gòu)建了基于路表紋理的宏觀構(gòu)造深度、路面平整度等評(píng)價(jià)參數(shù)的輪胎滾動(dòng)阻力模型；另一方面也建立了一些基于滾動(dòng)阻力的碳排放測(cè)算模型，但仍未形成統(tǒng)一的定量測(cè)算關(guān)系[17，97]。將碳排放評(píng)價(jià)納入路表功能來綜合考慮路表紋理特性，需要更進(jìn)一步研究。

4.4 胎-路接觸狀態(tài)的理論力學(xué)模型

作為直接接觸的載體，路表紋理與輪胎的真實(shí)接觸狀態(tài)是挖掘路表有效接觸紋理信息以及發(fā)展胎-路接觸力學(xué)理論關(guān)鍵問題所在[98-99]。不僅能從力學(xué)角度解釋路面摩擦、噪聲以及滾阻等路表功能問題，而且也能進(jìn)一步完善路面層狀彈性體系結(jié)構(gòu)均布荷載力學(xué)解析上的不足。然而，目前輪胎與路表接觸力學(xué)模型中，對(duì)路表的粗糙特性過度簡(jiǎn)化，且弱化了接觸的時(shí)域特征，這與真實(shí)的接觸三向應(yīng)力狀態(tài)仍存有較大差別。這些問題也給新一代的測(cè)量以及仿真技術(shù)帶來極大的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

通過對(duì)路表紋理多尺度特征及其影響、多尺度表征方法、路表紋理演變規(guī)律等研究熱點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)與分析，并面向未來智能檢測(cè)養(yǎng)護(hù)以及設(shè)計(jì)工作，提出了有待進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)性問題。得到如下結(jié)論。

(1)路表紋理多尺度特征主要體現(xiàn)在微觀、宏觀、粗大紋理及不平度等尺度上，不同尺度的紋理對(duì)路表抗滑、降噪、滾阻等功能特性有著不同程度的影響，進(jìn)而影響著路面行車安全、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)、沿線環(huán)境以及身心健康等。因此，路表紋理特性是多學(xué)科共同聚焦的熱點(diǎn)問題。

(2)路表紋理信號(hào)具有統(tǒng)計(jì)幾何特性、頻譜特性以及自仿相似特性。通過數(shù)學(xué)分析方法可以有效地表達(dá)路表紋理的多尺度特征，進(jìn)一步形成了路表紋理多尺度評(píng)價(jià)體系。這為進(jìn)一步理論分析、逆向建模提供了關(guān)鍵參數(shù)。

(3)路表紋理演化過程包含了紋理形成期和劣化期。路面材料特性及施工水平?jīng)Q定了紋理水平，路表污染物弱化了表面紋理粗糙特性，進(jìn)而影響了胎-路接觸界面。輪胎荷載磨光作用致表面紋理的部分功能喪失，其演化預(yù)估需率先解析胎-路接觸應(yīng)力。

(4)面向未來智能化檢測(cè)養(yǎng)護(hù)以及材料功能一體化設(shè)計(jì)，分別從材料特性及設(shè)計(jì)、環(huán)境影響以及力學(xué)理論等方面總結(jié)了4個(gè)基礎(chǔ)性問題：表面紋理粗糙度的尺度關(guān)系、表面紋理特性與材料組成映射關(guān)系、路表紋理特性對(duì)碳排放的影響以及胎路接觸狀態(tài)力學(xué)理論。這些研究將能極大指導(dǎo)路面功能智能檢測(cè)及材料設(shè)計(jì)。