姜 利 劉建平

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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冰雪路面抗滑特性研究

姜 利 劉建平

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對東北地區(qū)冰雪路面抗滑性較差的情況，詳細劃分了冰路面及雪路面的類型，采用實車試驗法和擺式儀法，從溫度、構(gòu)造深度、行車速度以及輪胎胎壓等方面，測量了冰雪路面的摩擦系數(shù)，指出在冰雪沒有完全覆蓋路面的情況下，構(gòu)造深度越小，摩擦系數(shù)越低；同時隨著車速提高，摩擦系數(shù)降低；冰、雪路面摩擦系數(shù)均在0 ℃附近達到最低值，行車安全處于危險狀態(tài)。

冰雪路面，摩擦系數(shù)，抗滑性能

0 引言

冰雪天氣道路濕滑，車輛操作困難，制動距離縮短，常發(fā)生追尾事故，同時由于摩擦系數(shù)較低，車輛易發(fā)生側(cè)滑、甩尾，引發(fā)交通事故。日本學者藤本明宏、渡邊洋等[1]曾對冰雪路面進行分類，并利用MASS車的方法對北海道地區(qū)的冰雪道路進行摩擦系數(shù)測量，得出當?shù)氐哪Σ料禂?shù)變化值；Lasse Makkonen[2]對冰與不同類型橡膠、鋼材、玻璃等材料之間摩擦系數(shù)進行測量，得出不同材料在冰上摩擦系數(shù)變化范圍；國內(nèi)的杜雪松[3]、李長城[4]等人采用擺式儀的方法對冰雪路面摩擦系數(shù)進行了測量；國內(nèi)的王正君等[5]采用制動距離法對黑龍江某高速進行冰雪天氣下摩擦系數(shù)測量。因此，對我國北方冰雪路面類型進行詳細劃分，采取科學有效的方法進行冰雪路面抗滑性能的研究顯得至關(guān)重要。

1 冰雪路面類型劃分

通過對東北地區(qū)冰雪路面的調(diào)查研究，并借鑒國外的劃分成果，將冰雪天氣下的典型道路類型分為新雪、松散積雪、壓實雪板、雪漿、冰膜、冰板六種。新雪狀態(tài)多為雪粒、雪粉，厚度較薄，并未完全覆蓋路面，可見構(gòu)造深度；松散積雪完全覆蓋路面；壓實雪板為車輛多次碾壓積雪而成；積雪或雪板部分融化后形成雪漿；少量融化積雪可形成冰膜，厚度在1 mm以下；雪板表面融化再

凍結(jié)可形成冰板，厚度在1 mm以上；冰雪路面形態(tài)如圖1所示。本文將對這六種冰雪路面進行摩擦系數(shù)測量。

2 摩擦系數(shù)測量試驗方法選取

摩擦系數(shù)測量常用的方法有擺式儀法、測試車法、制動距離法等。擺式儀因為其簡單、便攜，被廣泛采用，擺式儀能反映低速狀態(tài)下路面的抗滑性能，其結(jié)果用擺值BPN來表示，經(jīng)過換算標準溫度20 ℃的擺值作為結(jié)果。本文在室內(nèi)采用擺式儀法來反映不同構(gòu)造深度、不同溫度下摩擦系數(shù)的變化趨勢，在室外采用實車制動距離法得出摩擦系數(shù)值。

3 冰雪路面摩擦系數(shù)的測量

3.1 室內(nèi)不同構(gòu)造深度下的摩擦系數(shù)試驗

選用東北地區(qū)采用較多的瀝青面層上面層結(jié)構(gòu)SMA10，SMA13作為試驗對象，制備瀝青混合料試件尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，試件制備完成后，表面噴灑一定質(zhì)量的水，灑水質(zhì)量取值為100 g，150 g，200 g，250 g，采用高低溫試驗箱控制實驗溫度，模擬冰路面的形成過程；采用人工撒鋪雪的方式模擬不同類型的雪路面，同樣采用高低溫試驗箱控制試驗溫度。不同類型的冰雪路面試件制備完成后，通過手工鋪砂法測定構(gòu)造深度，紅外線溫度計測定溫度，通過擺式摩擦儀測定不同構(gòu)造深度、溫度下的摩擦系數(shù)值。

相關(guān)試驗結(jié)果如表1所示。

表1 冰路面構(gòu)造深度及摩擦系數(shù)值

從表1中可以看到，在冰膜沒有完全覆蓋試件之前，隨著構(gòu)造深度的減少，擺式儀擺值變小，這是因為隨著冰膜填充瀝青混合料表面的構(gòu)造深度，擺式儀的橡膠塊與冰膜有更大的接觸面積，冰與橡膠之間的摩擦系數(shù)遠小于瀝青與橡膠之間的摩擦系數(shù)，因此，會得出灑水量越多，構(gòu)造深度越小，摩擦系數(shù)也越小，對于雪路面也是相同的原理。通過室內(nèi)構(gòu)造深度試驗可以得出，冰雪完全覆蓋路面后，摩擦系數(shù)會大幅降低。

3.2 室內(nèi)不同溫度下的摩擦系數(shù)試驗

通過高低溫控制箱設(shè)置溫度，冰路面灑水量為200 g，雪路面鋪灑雪厚度為1 cm，用擺式儀的方法測量冰雪試件不同溫度下的摩擦系數(shù)，旨在找出摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系。擺式儀測得擺值沒有經(jīng)過換算，除以100得到摩擦系數(shù)值，其實驗結(jié)果如圖2，圖3所示。

通過試驗結(jié)果可以看出，冰路面摩擦系數(shù)在0 ℃附近達到最低值，這是因為在0 ℃附近時，部分表層冰融化，形成薄層水膜，起到潤滑作用，大大降低了車輪與路面的摩擦系數(shù)，與雨天的“滑水”現(xiàn)象類似，這與經(jīng)驗一致，而相關(guān)研究也印證了這一點。隨著溫度降低，冰路面變得堅硬、干燥，摩擦系數(shù)又有所升高，試驗得到了冰路面摩擦系數(shù)與溫度的擬合關(guān)系。

經(jīng)過試驗研究分析，冰路面在0 ℃附近達到最低值，雪路面在-2 ℃附近達到最低值，在冬季氣溫上升時，冰雪路面表面摩擦系數(shù)會產(chǎn)生較大變化，如果溫度上升到0 ℃附近，會產(chǎn)生最低值，車輛極易發(fā)生制動失穩(wěn)、側(cè)滑、追尾等事故，因此，通過研究發(fā)現(xiàn)冰雪路面摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系顯得至關(guān)重要。

3.3 室外不同車速下摩擦系數(shù)測量

試驗開始前，選取干燥無雪狀態(tài)下的三個斷面測量摩擦系數(shù)值，試驗結(jié)果如表2所示，根據(jù)JTG F80/1—2004公路工程質(zhì)量檢驗評定標準，其代表值大于規(guī)定值(規(guī)定值50)，路面抗滑性良好，試驗車具體參數(shù)及輪胎類型如表3所示。試驗采用CTM-8A型非接觸式五輪儀記錄車輛制動過程中的制動初速、制動距離、制動時間、最大減速度、平均減速度等參數(shù)。在試驗現(xiàn)場設(shè)置了冰膜、冰板、新雪(人工鋪灑)、松散雪、雪漿(松散雪融化)、壓實雪等六種試驗路面，其中冰膜、冰板路面采用人工灑水凍結(jié)形成，新雪路面為人工鋪灑，厚度較薄，小于3 mm。

表2 實驗路冬季干燥狀態(tài)摩擦系數(shù)測量結(jié)果

表3 本次試驗汽車和輪胎參數(shù)

制動初速度選擇20 km/h，40 km/h，60 km/h。六種冰雪路面制動試驗結(jié)果如圖4所示。下面將對試驗結(jié)果進行研究、分析。

通過試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，車輛在六種不同類型的冰雪路面以不同速度制動時，隨著制動初速度的增大，摩擦系數(shù)有減小的趨勢，這與Lasse Makkonen[2]，Daniel D. Higgins[7]、郭孔輝院士[8]等學者的研究成果相吻合(見圖5)，橡膠—冰在低速與高速下摩擦系數(shù)相差較大，在汽車運行速度范圍內(nèi)摩擦系數(shù)隨車速增大呈遞減趨勢，但減少量并不明顯，原因可能是高速下車輪摩擦使更多水膜融化，起到潤滑作用。

由于不同條件下室外試驗重復性較差，不同地區(qū)測試相同類型冰雪路面，結(jié)果可能出現(xiàn)較大差異，很難就摩擦系數(shù)與溫度、制動車速、大氣濕度等參數(shù)建立普遍適用的公式，僅能解釋摩擦系數(shù)隨溫度、車速變化的普遍規(guī)律，對駕駛員有一定的指導意義。本文得出的京加公路嫩江段附近地區(qū)不同類型冰雪路面摩擦系數(shù)變化范圍及相關(guān)文獻值如表4所示。

表4 不同類型冰雪路面低速下實車測量摩擦系數(shù)范圍值及相關(guān)文獻值

4 結(jié)語

通過本文的試驗及分析研究，得出以下結(jié)論：

1)冰雪路面在可見構(gòu)造深度時，構(gòu)造深度越小，摩擦系數(shù)越低；

2)隨著制動初速度提高，冰雪路面摩擦系數(shù)降低；

3)由于薄層潤滑水膜的影像，冰、雪路面摩擦系數(shù)均在0 ℃附近達到最低值；

4)本文得出了六種不同類型冰雪路面在低速狀態(tài)下的摩擦系數(shù)變化范圍。

[1] 藤本明宏，渡邊洋，福原輝幸，等.MASS 車によるすべり摩擦と道路雪氷との関係[J].日本雪工學會誌,2005,21(5):282-291.

[2] Makkonen L,Tikanm?ki M.Modeling the friction of ice[J].Cold Regions Science and Technology,2014(102):84-93.

[3] 杜雪松，解曉光，張小瑞，等.不同冰雪路面狀態(tài)的抗滑特性研究[J].低溫建筑技術(shù),2012(10):1-3.

[4] 李長城，劉小明，榮 建.不同路面狀況對路面摩擦系數(shù)影響的試驗研究[J].公路交通科技,2010,27(12):27-32.

[5] 王正君，雷明臣，丁 琳，等.冰雪路面抗滑性能試驗研究[J].中外公路,2009,29(2):69-72.

[6] Oksanen P,Keinonen J.The mechanism of friction of ice[J].Wear,1982,78(3):315-324.

[7] Higgins DD,Marmo BA,Jeffree CE,et al.Morphology of ice wear from rubber-ice friction tests and its dependence on temperature and sliding velocity[J].Wear,2008,265(5):634-644.

[8] 郭孔輝，莊 曄.輪胎胎面橡膠—冰面摩擦試驗方法研究[J].摩擦學學報,2005,25(3):234-237.

Study on anti-sliding performance of ice snow covered pavement

Jiang Li Liu Jianping

(CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040,China)

In light of poor anti-sliding performance of ice snow covered pavement in northeast region, the article specifically analyzes ice pavement and snow pavement types, applies real vehicle testing method and pendulum testing method, measures the ice snow covered pavement friction coefficient from aspects of temperature, structural depth, driving speed and tire pressure, and finally points out that: when the pavement is not completely covered with ice and snow, the smaller the structure is, the low the friction coefficient is, meanwhile, the friction coefficient will reduce with the driving speed improving, the ice and snow pavement friction coefficient is near 0 ℃, it will be rather dangerous for driving.

ice snow covered pavement, friction coefficient, anti-sliding performance

1009-6825(2016)10-0119-03

2016-01-26

姜 利(1962- )，男，副教授； 劉建平(1989- )，男，在讀碩士

U416.2

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