基于硅胶复形技术的路面粗糙度分析：方法验证与精度边界研究

《Results in Chemistry》：Through the Surface Roughness Analysis and the Use of Silicone Replicas

本研究针对高交通量公路或赛道等难以直接进行路面形貌测量的场景，探讨了使用硅胶复形技术作为获取表面纹理信息的替代方案。研究人员通过对比真实路面样本与对应硅胶复形的三维形貌参数（如ISO 25178-2定义的Sa、Sq、Ssk、Sku、PSD等），系统评估了该技术的可靠性。结果表明，硅胶复形在致密沥青路面上能较好复现表面信息，但在多孔路面中会因“蘑菇状”空腔效应产生显著误差。该研究为硅胶复形技术在路面工程中的正确应用提供了关键的方法学指导与适用范围界定。

　　

想象一下，工程师们需要精确了解一条繁忙高速公路或赛车跑道的表面纹理，以研究轮胎与路面的摩擦行为、磨损机制，这对于提升行车安全至关重要。然而，直接在这些路面上使用高精度的轮廓仪进行测量面临着巨大的挑战：设备运输过程中易损坏、对环境条件敏感、物流成本高昂，并且测量表面可能并非水平，导致仪器无法放置。面对这些现实困境，一种便捷的替代方案——硅胶复形技术应运而生。该技术通过将硅胶材料涂抹在路面表面，固化后形成负模，从而将复杂的路面形貌“复制”下来，便于带回实验室进行精细测量。这种方法轻便、易运输、可长期保存，且能在几分钟内捕获表面细节，远快于某些需要数小时的轮廓测量法。尽管该技术在牙科、生物医学工程、断裂力学和地质学等领域已有应用，但其在复制工程表面，特别是对摩擦和磨损模型至关重要的斜率及曲率相关粗糙度参数方面的保真度，一直是一个悬而未决的问题。这项发表在《Results in Chemistry》上的研究，正是为了回答一个核心问题：在硅胶复形上测得的表面参数，究竟在多大程度上与直接测量真实路面所得的结果相一致？

为了系统评估硅胶复形技术的可靠性，研究人员设计了一套严谨的实验方案。关键技术方法包括：首先，从真实路面钻取样本（Road A 和 Road B），它们具有不同的集料尺寸、曲率和沥青分布。接着，使用AMES 9400 HD激光扫描轮廓仪（基于激光三角测量法）对路面样本进行直接三维形貌测量，扫描面积设定为90 mm × 50 mm，以覆盖影响轮胎-路面摩擦的宏观纹理波长范围（0.5-50 mm）。然后，在相同的测量区域，使用双组分快速固化硅橡胶制作复形。最后，在实验室中使用同一台轮廓仪，在完全相同的设置下扫描硅胶复形表面。数据分析阶段，研究人员重点比较了基于ISO 25178-2标准的一系列三维区域参数，包括高度参数（如S_p, S_v, S_z, S_a, S_q, S_sk, S_ku）、混合参数（S_dq, S_dr）以及功率谱密度（PSD）和Abbott-Firestone曲线等特征曲线，以量化硅胶复形与真实路面之间的差异。

2. Roughness Parameters

研究首先梳理了用于描述表面纹理的关键参数。表面形貌不仅反映制造工艺，也与其工况和磨损机制相关。ISO 25178-2标准定义了36个三维粗糙度参数，本研究基于计算简便性、功能相关性、抗测量误差鲁棒性以及统计独立性等标准，选取了一个参数子集进行分析。高度参数（如算术平均偏差S_a和均方根偏差S_q）提供了表面垂直变化的信息；偏度（S_sk）和峰度（S_ku）描述了高度分布的形态特征。混合参数（如均方根斜率S_dq和界面面积比S_dr）结合了幅度和间距信息，被认为与橡胶摩擦的滞后现象相关。此外，功率谱密度（PSD）作为频域分析工具，能够揭示表面在不同波长下的纹理特征，对于轮胎-路面接触模型至关重要。

3. Aspects in Using Roughness Parameters

文章也指出了使用粗糙度参数时面临的挑战。例如，单一参数（如S_q）无法充分描述表面形态，不同形态的表面可能具有相同的S_q值但表现出截然不同的摩擦学行为。粗糙度参数具有尺度依赖性，测量面积越大，S_q值通常越高。此外，高度分布的长尾会显著影响S_sk和S_ku等参数的计算结果，可能导致误解。因此，在比较分布时，视觉检查与数值分析相结合至关重要。

4. Road & Silicone Comparison

核心部分是对比真实路面与硅胶复形的测量结果。

4.1. Experimental Setup

实验对象为两块来自真实路面的钻芯样本（Road A 和 Road B）。测量使用激光轮廓仪，扫描面积为90x50 mm2，点间距为6.35 μm，线间距为74.20 μm。硅胶复形使用快速固化双组分硅橡胶制作，并通过模板控制应用区域。

4.2. Results & Discussion

对两条路面的分析揭示了显著差异。对于Road A（沥青填充了集料间隙），硅胶复形与真实路面在大多数参数上表现出良好的一致性。高度参数（S_p, S_v, S_z, S_a, S_q）的绝对误差在1.84%到18.53%之间。描述高度分布形状的S_ku和S_sk误差较大（约25%-26%），但概率密度函数（PDF）和Abbott-Firestone曲线视觉上非常相似。混合参数S_dq和S_dr的误差在可接受范围内（约14%和-23%）。最重要的是，功率谱密度（PSD）曲线高度吻合，Hurst系数误差仅为0.15%，表明硅胶成功复制了路面的频谱内容。

然而，对于Road B（集料边界缺乏沥青，孔隙率较高），结果则大相径庭。虽然S_ku和S_sk的绝对误差较小（约3%-5%），但关键的高度参数S_a和S_q误差超过60%，S_z误差达38.45%。最显著的差异出现在混合参数S_dq上，误差高达150.8%。PDF和Abbott-Firestone曲线显示硅胶复形的分布与真实路面明显偏离。PSD曲线发生上移，Hurst系数误差达-7.2%，表明硅胶未能可靠复现该路面的频谱特征。

4.3. Mushroom Aspects

造成上述差异的根本原因被归结为“蘑菇状”空腔效应。对于多孔路面（如Road B），硅胶在固化过程中会流入集料间的深部空腔，完美复制其负形。然而，当使用光学轮廓仪从上方扫描硅胶复形时，激光无法探测到这些复制出的、向内凹陷的“蘑菇状”结构的根部（即真实路面空腔的顶部），因为激光会被“蘑菇”的“伞盖”遮挡。这导致轮廓仪测量到的硅胶复形上的谷深（S_v）远大于其实际复制的几何形状，也远大于从上方直接扫描真实路面时所能探测到的谷深。这种测量偏差进而扭曲了依赖于局部梯度（如S_dq）和频谱内容（如PSD）的参数。而对于致密路面（如Road A），集料间隙被沥青填充，避免了深腔的形成，因此硅胶复形能更真实地反映可被激光探测到的表面形貌。

5. Conclusions

本研究通过系统对比，明确了硅胶复形技术在路面粗糙度分析中的适用边界。研究表明，该技术适用于致密、低孔隙率的沥青路面（如常规磨耗层和赛道路面），能够以可接受的误差复现幅度类粗糙度参数和材料比率曲线，可用于表面磨损和抛光的长期监测。然而，对于高孔隙率或开级配混合料路面，硅胶复形会因“蘑菇状”空腔效应而产生系统性失真，严重影响斜率相关参数和频谱指标的可信度。从力学角度看，硅胶与沥青混合料的弹性模量相差三个数量级，因此复形仅能用于表面几何形态的存档和监测，无法模拟真实的机械磨损过程。总之，该研究为路面工程中安全、可重复地使用硅胶复形技术提供了关键的实践指南和孔隙率阈值参考，对于基于表面纹理演化的摩擦衰减研究和路面安全性能评估具有重要意义。