但漢成 李 亮 劉 揚(yáng) 梅世龍 白詩堯

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司1） 貴陽 550001） （中南大學(xué) 土木工程學(xué)院2） 長沙 410075）（貴州省交通運(yùn)輸廳3） 貴陽 550003） （貴州省高速公路開發(fā)總公司4） 貴陽 550004）

凝冰即常說的冰，是水在低溫環(huán)境下由液態(tài)變成固態(tài)過程中形成的固體，本文特指路面上的雨水在低溫環(huán)境下產(chǎn)生的凝凍物．關(guān)于路面凝冰機(jī)理的研究屬于基礎(chǔ)性的研究，鑒于我國在該方面研究起步較晚且存在研究匱乏，本文圍繞凝冰路面環(huán)境，介紹并了解路面凝冰機(jī)理方面的研究意義及概況，并提出目前路面凝冰機(jī)理和凝冰路面應(yīng)著重研究的內(nèi)容，供同行參考，希望能進(jìn)一步增進(jìn)對凝冰路面研究的重視．

1 研究的意義

我國凍雨地區(qū)的冬季在降雨后路面極易形成凝冰，使其抗滑能力大幅度降低，既容易產(chǎn)生惡性交通事故，又對道路及其附屬構(gòu)造物產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重時造成交通中斷，甚至危害人民生命和財產(chǎn)安全．2008年春節(jié)期間，我國發(fā)生了大面積凝冰災(zāi)害，貴州省全境受災(zāi)，道路路面凝冰厚度達(dá)到了20厘米，發(fā)生多起惡性交通事故，造成了嚴(yán)重的社會影響．湖南省也是此次冰凍災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)．據(jù)不完全統(tǒng)計共造成直接經(jīng)濟(jì)損失1 516．5億元．此次冰災(zāi)導(dǎo)致了大面積的交通設(shè)施癱瘓，主要國省道干線公路通行能力急劇降低，部分路段甚至出現(xiàn)長時間的交通阻斷，其中京港澳高速公路湖南耒宜段受災(zāi)最為嚴(yán)重，冰災(zāi)期間該路段幾乎完全喪失通行能力．“凍雨”引起的凝冰是貴州省常見的災(zāi)害之一，幾乎年年都有發(fā)生，其持續(xù)時間之長、覆蓋范圍之廣、造成損失之大，居全國首位．因此，道路路面凝冰是一個需要認(rèn)真分析與研究的重大課題，是關(guān)系到潮濕山區(qū)交通安全的重大問題之一．

冬季路面凝冰的形成往往與凍雨地區(qū)（云貴川高原潮濕山區(qū)、湖南西北部山區(qū)等）路段所處的地形地貌、海拔、氣候因素有關(guān)［2－3］．同時，道路的一些特殊路段，其溫度等指標(biāo)不同于常規(guī)道路，例如橋梁橋面鋪裝溫度通常低于常規(guī)路面2～3℃，這會加快橋面凝冰產(chǎn)生的速度，因此比常規(guī)道路更易產(chǎn)生凝冰危害．山區(qū)道路的建設(shè)不可避免遇到如長下坡、陡坡急彎、高海拔、一側(cè)懸崖等較為不利的地理條件．從行車安全角度考慮，這些不利的道路條件與路面凝冰遇到一起，往往會對行車產(chǎn)生更大危害．因此，有必要對路面凝冰形成的環(huán)境進(jìn)行研究，掌握路面凝冰形成的機(jī)理，了解凝冰路面所具有的特殊性質(zhì)，為抗凝冰路面的研究提供試驗和理論基礎(chǔ)，并為凝冰頻發(fā)區(qū)域新建道路的設(shè)計與施工提供技術(shù)參考．

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2．1 路面凝冰機(jī)理研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，國內(nèi)外與路面凝冰相關(guān)的研究主要集中于路面除冰雪和抗冰雪技術(shù)的研究領(lǐng)域，取得了一些研究成果［4－6］，但對路面凝冰機(jī)理的了解大多停留在經(jīng)驗層面上，并沒有做系統(tǒng)性的研究．近年來，李蕊等［7］利用湖北省恩施和金沙兩地2009年冬季1，2月土壤、水泥、瀝青3種不同下墊面溫度和自動氣象站的常規(guī)氣象要素觀測資料，研究冬季3種不同下墊面溫度與氣溫等氣象要素之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的多元回歸擬合公式，并分析路面結(jié)冰的氣象條件．但由于研究目的不同，該研究成果沒有系統(tǒng)地闡明影響路面凝冰的因素以及凝冰機(jī)理．劉梅等［8］通過對南京地區(qū)1984～2003年20年110個降水結(jié)冰樣本當(dāng)日溫度的統(tǒng)計分析，討論了南京地區(qū)結(jié)冰時間變化和各影響溫度因素的變化規(guī)律，總結(jié)了對結(jié)冰預(yù)報具有指示意義的關(guān)鍵因子；同時利用向量法探討了南京地區(qū)結(jié)冰預(yù)報方法，該方法具有顯著的預(yù)報價值．在此基礎(chǔ)上根據(jù)Norrman提出的路面打滑分類，結(jié)合南京地區(qū)具體情況得出了南京雨雪天氣路面結(jié)冰的類別、標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)測預(yù)報方法．該研究最重要的是提出了路面結(jié)冰的類別、判別標(biāo)準(zhǔn)，為路面凝冰機(jī)理以及預(yù)警機(jī)制提供了一定的借鑒和參考．

在凝冰形成機(jī)理研究方面，國內(nèi)外較多地研究飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身表面結(jié)冰，輸電線、電塔上的結(jié)冰及融冰機(jī)理［9－11］，其主要內(nèi)容是冰的生長規(guī)律以及冰與結(jié)構(gòu)物之間的粘附性質(zhì)．Kathleen［12］通過歷史上的天氣監(jiān)測資料提出了凍雨模型以闡述冰雪荷載對結(jié)構(gòu)物的影響程度，提出了冰雪生長規(guī)律的熱平衡模型，模型考慮了包括凍雨過程中重要熱量源和流動水形成冰柱的條件，并提出了一個簡單的算法來計算不同橫斷面條件下形成的冰荷載大小，并與收集的愛荷華州得梅因市45年來的實測資料做了對比．Maurice等［13］描述和對比了三種輸電線融冰雪模型來闡述和計算需要的導(dǎo)體電流以融化電線上的冰雪．

2．2 凝冰粘附性質(zhì)研究

Rataty等［14］研究了冰與不同介質(zhì)之間的粘附力，并比較了冰與聚合物之間的粘附力和冰與金屬表面之間的粘附力的不同．Ivan等［15］基于冰表面帶靜電的原理研究了一種冰粘附力的靜電模型．基于這個模型，揭示了與時間和溫度有關(guān)粘附現(xiàn)象，即冰和水與其他結(jié)構(gòu)表面粘附性質(zhì)的不同之處．Andrews和Stevenson［16］提出了一種平面應(yīng)變的斷裂能量測試方法應(yīng)用到測試冰與不銹鋼、鈦金屬和鋁金屬的粘附力中，測量不同溫度條件下的各種粘附力大?。甃aforte等［17］通過試驗研究了采用固體涂層降低結(jié)構(gòu)表面凝冰附著力的效率．試驗結(jié)果從冰的密度、親水性、表面摩擦力幾個方面進(jìn)行了分析．分別測試了涂有五種保護(hù)層（該保護(hù)層是開發(fā)的特殊產(chǎn)品）的金屬表面的粘附力，并與普通涂層表面粘附力進(jìn)行對比．楊曉東等［18］就凍粘產(chǎn)生的條件、凍粘的特性、防止凍粘發(fā)生與減緩發(fā)生的技術(shù)方法、未來研究重點(diǎn)等方面進(jìn)行了論述與分析．研究中的結(jié)論是值得在研究路面凝冰的物理特性時借鑒的，即從冰與金屬或非金屬材料表面凍粘應(yīng)力已有的試驗數(shù)據(jù)，可以得出凍粘應(yīng)力與試樣接觸面積無關(guān)；凍粘應(yīng)力與冰層厚度無關(guān)；凍粘應(yīng)力是與溫度基本上呈線性函數(shù)關(guān)系．另外國內(nèi)對冰與結(jié)構(gòu)物的粘附力的研究還有一些文獻(xiàn)進(jìn)行了報道，但大都局限于材料工程學(xué)科領(lǐng)域，幾乎沒有與路面工程領(lǐng)域相關(guān)的研究．由于電線、電塔、飛機(jī)機(jī)身以及機(jī)翼表面凝冰機(jī)理具有特殊性，構(gòu)造物材料和結(jié)構(gòu)都與路面不同，其研究的方法并不能完全借鑒到路面凝冰的研究中，因此需要對路面凝冰機(jī)理做較為具體的研究．

2．3 凝冰路面抗滑性能研究

車輛在凝冰路面上行駛之所以危險，是由于凝冰路面的摩擦系數(shù)相比干燥和潮濕路面小得多，不能提供足夠的摩擦力抵抗轉(zhuǎn)彎時的離心力而導(dǎo)致車輛側(cè)翻，導(dǎo)致車輛在緊急制動時制動距離延長，危險時造成交通事故．因此，路面摩擦系數(shù)的研究是非常重要的一個方面．國內(nèi)，具有代表性的研究是：李長城等［19］利用擺式儀測量了不同路面類型（新、舊2種 AC－16瀝青路面，以及SMA－16和OGFC－13兩種瀝青路面試塊），在不同路面溫度（－30～35℃）、不同濕滑情況（干燥、潮濕、濕潤、結(jié)冰）、不同污染物覆蓋（砂粒、泥土），及其組合狀況下的摩擦系數(shù)，深入分析了不同路面狀況對摩擦系數(shù)的影響．但是由于試驗條件的限制，其研究也存在一些不足：采用碾壓成型機(jī)制作的試驗塊與真實路面間還存在一定差異；降溫采用的試驗箱不能很好的模擬路面結(jié)冰的環(huán)境；擺式儀測定的摩擦值不能夠很好的代表高速情況下的路面實際摩擦性能．苗英豪［20］依托動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀深入分析了路面抗滑性能對交通安全的影響以及交通安全評價對路面抗滑性能指標(biāo)的需求．杜雪松等［21］對粗、中、細(xì)3種表面粗糙狀態(tài)路面采用英式擺式摩擦系數(shù)測定儀測量了冬季干燥無雪、雪粒、雪粉、冰塊狀態(tài)下的路面摩擦系數(shù)，明確了不同冰雪路面狀態(tài)對路面抗滑性能的影響程度．王正君等［22］采用制動距離法及測試車法分別對清雪后、松雪、冰雪板、完全結(jié)冰等狀態(tài)進(jìn)行測試．得到相應(yīng)狀態(tài)的抗滑性能指標(biāo)，對于研究冰雪路面的抗滑性能及路線指標(biāo)設(shè)計具有重要意義．朱云升等［23］利用有限元軟件 ANSYS／LSDYNA建立輪胎與路面接觸的動力有限元模型，同時考慮輪胎與路面的動態(tài)摩擦作用，分析不同溫度工況條件下結(jié)冰瀝青路面的抗滑性能．除此之外，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了路面在各種狀態(tài)下的摩擦系數(shù)研究［24－26］，比較典型是 Klein－Paste的研究成果．Klein－Paste［27］采用 BPT（British Pendulum Tester）測試了在－22～0℃條件下的輪胎與冰面，砂與冰的摩擦系數(shù)，也研究了冰面有薄雪層對摩擦系數(shù)的影響．在他的試驗中，考慮并制作了兩種條件下結(jié)冰的路面試件．一種是0℃路表面在噴霧狀態(tài)下結(jié)冰，稱為“霧冰”；另一種是在－10℃結(jié)成的較厚的硬冰．試驗過程中，在試件表面撒砂和雪以測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??；與輪胎－冰之間摩擦力相比，砂與冰之間的摩擦力更不受溫度和雪層的影響．該研究可為凝冰路面摩擦系數(shù)的研究提供參考和借鑒．

3 研究內(nèi)容與方法初步探討

3．1 路面凝冰形成機(jī)理研究

路面凝冰的形成機(jī)理就是關(guān)于道路路面包括水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面上冰是如何形成，與哪些因素有關(guān)，哪些因素是導(dǎo)致凝冰形成的主要因素．只有充分了解了凝冰形成機(jī)理才能為道路凝冰預(yù)警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，已達(dá)到預(yù)報凝冰災(zāi)害的目的，為駕駛員提供相應(yīng)的道路凝冰預(yù)警信息．

為了初步了解凝冰形成機(jī)理及其影響因素，特在貴州省凝冰災(zāi)害頻發(fā)路段進(jìn)行了氣象調(diào)查，得到了以下的氣象條件統(tǒng)計見圖1～圖3．

圖2 凝冰發(fā)生前后路面濕度變化

圖3 凝冰發(fā)生前后風(fēng)速變化

從以上調(diào)研情況來看，凝冰發(fā)生必須具備一定的條件，主要受地溫、大氣濕度、風(fēng)速等影響因素的影響，通過以上對凝冰發(fā)生時的地溫、濕度、風(fēng)速影響看，凝冰發(fā)生并不是單因素的影響結(jié)果，其凝冰的發(fā)生以及凝冰的危害程度往往是以上多因素的綜合加權(quán)．

總得來說影響路面結(jié)冰的因素有路面的類型（如AC路面、SMA路面，OGFC路面以及水泥混凝土路面較為典型）、降落在路面上雨水的溫度（云貴川地區(qū)冬季較易形成凍雨，凍雨一般是過冷水，其溫度稍低于0℃，一般的降雨在0℃以上［28］）、雨水水質(zhì)（由于雨水中含有的雜質(zhì)和化學(xué)成分（離子和pH值）不同導(dǎo)致雨在降落至路面后結(jié)冰的臨界環(huán)境和時間有差異．）、海拔高度、氣溫、路面溫度、風(fēng)速、構(gòu)造深度以及路面的坡度．

另外，風(fēng)速的影響也較為顯著，因為風(fēng)速影響路表的熱對流和熱交換．從對路面凝冰調(diào)研分析來看，凝冰分布位置多分布在橋面，尤其是鋼橋面，分析原因在于由于橋面多架設(shè)于兩山之中，冬季受周圍山谷包圍形成道風(fēng)，再加上鋼橋面上下凌空進(jìn)一步加劇了橋面溫度的降低，因此凝冰發(fā)生的概率較高．根據(jù)調(diào)研來看，風(fēng)速會加劇路面溫度降低影響路面凝冰形成，是一個較為重要的因素．

路面構(gòu)造深度和路面坡度對凝冰機(jī)理的影響反映在路面表面殘余含水量上．排水性能越好，構(gòu)造深度越低殘留于路表面的水量越少，形成凝冰對路面危害相對來說更低．

綜上所述，路面凝冰機(jī)理研究主要應(yīng)把握2個主要方面：雨水本身；外部環(huán)境．雨水本身的影響就包括上述的雨水溫度，雨水水質(zhì)，路表面濕度（含水量）的影響；外部環(huán)境影響包括溫度和風(fēng)速的影響，海拔高度可以與氣溫建立相關(guān)的聯(lián)系．

3．2 路面凝冰物理特性試驗研究

當(dāng)了解了路面凝冰形成的機(jī)理之后，需要了解形成的凝冰的物理特性是什么，諸如凝冰的硬度、與路面之間的粘附性質(zhì)以及強(qiáng)度等性質(zhì)．這關(guān)系到路面抗滑性能、除冰的難易程度以及對除冰雪器具的選擇以及除冰雪方法的開發(fā)與改進(jìn)具有參考和指導(dǎo)作用．

1）凝冰的硬度 凝冰硬度是反映凝冰危害程度的一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，硬度的高低直接反映路面的抗滑性能．據(jù)相關(guān)研究，影響冰的硬度最主要的因素是溫度．但關(guān)于如何測試冰的硬度從現(xiàn)有的資料來看并沒有提供一種很有效的方法．采用常規(guī)的硬度測試方法（包括金屬硬度和非金屬的硬度測試方法）所處的環(huán)境都處于0℃以上，在這種環(huán)境下不適合測試冰的硬度．另外，如果采用針式硬度測試法（如邵氏、布氏、洛式、維式等）也不適合，因為冰是一種脆性材料，在硬度測試針插入的過程中冰較易破裂．目前來看，里氏硬度測試方法較為合理，其基本原理是具有一定質(zhì)量的沖擊體在一定的試驗力作用下沖擊試樣表面，測量沖擊體距試樣表面1mm處的沖擊速度與回跳速度之比值來代表物體的硬度值［29］．

2）凝冰的粘附強(qiáng)度 凝冰與路面的粘附力分為切向粘附力和法向粘附力．關(guān)于法向粘附力的測試方法可以借鑒橋面鋪裝防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度試驗測試方法［30］．但關(guān)于切向粘附力測試的方法并無相關(guān)方法可以借鑒．本文作者設(shè)計了一種測試方法和設(shè)備——凝冰路面粘附力離心測試方法．其原理就是利用離心機(jī)提供的離心力，將路面試件表面凝結(jié)成的冰甩出，此時用離心力（離心力可以通過高速攝像機(jī)和變頻器監(jiān)控得到的轉(zhuǎn)速計算）除以凝冰截面積計算得到凝冰與路面試件的平均粘附強(qiáng)度．

3．3 凝冰路面抗滑性能試驗研究

車輛在凝冰路面上行駛之所以危險，主要是因為凝冰路面的摩擦系數(shù)相比干燥和潮濕路面小得多，不能提供足夠的摩擦力抵抗轉(zhuǎn)彎時的離心力而導(dǎo)致車輛側(cè)翻，并且導(dǎo)致車輛在緊急制動時制動距離拉長，危險時造成交通事故．因此，路面摩擦系數(shù)是項目研究的重點(diǎn)之一，需開展室內(nèi)外試驗并得到以下結(jié)果：（1）路面摩擦系數(shù)與冰的硬度的關(guān)系；（2）凝冰路面上覆砂粒、水膜以及雪膜條件下的摩擦系數(shù)；（3）凝冰路面摩擦系數(shù)與冰溫度的關(guān)系．

路面在潮濕環(huán)境下的摩擦系數(shù)可以采用擺式摩擦系數(shù)測試儀測得，但是在凝冰狀態(tài)下擺式摩擦系數(shù)測試設(shè)備不具備測試條件，需要設(shè)計試驗方法．筆者認(rèn)為可以考慮建立一個三角形的立式滑道，具有一定的高度，高度變化可以調(diào)節(jié)滑道面與水平面的夾角得到．試驗時使一定重量的橡膠滑塊從滑道的頂端自由滑向底端，然后在路面滑動一定距離后停止，記錄滑過滑道的時間、距離和停止時的時間、距離，代入摩擦力計算公式計算該路面的摩擦系數(shù)，這種方法原理簡單，可操作性也較強(qiáng)．見圖4．

圖4 摩擦系數(shù)測試原理

設(shè)滑塊在滑道上的摩擦系數(shù)為μ1，在路面上的摩擦系數(shù)為μ2，通過攝像機(jī)記錄的影像資料可以計算出滑塊離開滑道時的時間t1，進(jìn)而求出滑塊離開滑道時的速度（v），同時也可以得到滑塊在路面滑動的時間t2．摩擦系數(shù)的計算可以參考以下計算方法．

因此，可以得到滑塊在路面上的摩擦系數(shù)：

值得指出來的是，凝冰路面的抗滑特性一定是基于路面與輪胎的相互作用，室內(nèi)試驗方法可以作為凝冰路面抗滑特性的參考，全面了解凝冰路面的抗滑性能需要增加實際車輛的摩擦系數(shù)測定．因此試驗方法可采用“摩擦系數(shù)測試車”在室內(nèi)路面試驗槽中來回移動，或者在室外，按照標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，通過測試車上的傳感器測試路面縱向摩擦系數(shù)和橫向力系數(shù)．

4 結(jié) 論

1）凝冰機(jī)理研究和凝冰物理特性研究的目的是為道路凝冰災(zāi)害提供預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)以及路面抗凝冰材料研發(fā)以及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供試驗和理論平臺．

2）綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知國內(nèi)外鮮有資料通過模擬凝冰環(huán)境而闡述路面凝冰形成機(jī)理，也沒有結(jié)合自然條件系統(tǒng)研究路面凝冰的物理特性和凝冰路面抗滑性能，凸顯了這方面研究的匱乏，因此在該領(lǐng)域需要更系統(tǒng)更具體的研究．

3）關(guān)于路面凝冰機(jī)理的研究內(nèi)容應(yīng)著重考慮研究以下方面：路面凝冰形成機(jī)理研究、路面凝冰物理特性研究、凝冰路面抗滑性能研究以及基于這些研究內(nèi)容提出路面凝冰形成預(yù)測模型以期達(dá)到建設(shè)路面凝冰災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的目的．

4）路面凝冰環(huán)境的模擬具有設(shè)備資金投入大，試驗操作難度大的特點(diǎn)，試驗方法的設(shè)計也需要進(jìn)行大量探討，以形成較為標(biāo)準(zhǔn)的測試方法．

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