張 昱，樊兆董，李志杰

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.山東省路域安全與應(yīng)急保障交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250102；3.山東高速集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250098）

引言

惡劣氣象條件引發(fā)交通事故頻發(fā)、擁堵延誤和中斷加劇等，對(duì)公路網(wǎng)運(yùn)行的安全性具有巨大挑戰(zhàn)，尤其是西藏高原地區(qū)高速公路，地處高海拔。從路面結(jié)冰的原理和階段，多角度分析路面結(jié)冰的影響因素，得出路面結(jié)冰的條件、類型和特征。通過室內(nèi)的試驗(yàn)，研究黑冰、冰霜等路面結(jié)冰狀態(tài)的形成過程和規(guī)律，找出路面結(jié)冰狀態(tài)的關(guān)鍵控制因子，為西藏高原地區(qū)高速公路路面結(jié)冰狀態(tài)預(yù)測(cè)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 路面結(jié)冰的特征分析

路面結(jié)冰是道路表面上積聚冰層的現(xiàn)象。通過分析路面結(jié)冰的原理和階段，查出路面結(jié)冰的各種影響因素，從不同的冬季路面結(jié)冰天氣過程，得出路面結(jié)冰的條件，確定不同的路面結(jié)冰類型和特征。

1.1 結(jié)冰路面對(duì)交通安全的影響

車輛行駛在結(jié)冰路面上，摩擦力大幅降低，容易失去控制，發(fā)生側(cè)滑、側(cè)翻、旋轉(zhuǎn)和追尾等交通事故。特別是高原地區(qū)，如遇到不規(guī)律分布的殘冰路面，存在很大交通安全隱患。結(jié)冰路面對(duì)西藏高原地區(qū)高速公路交通安全的影響主要表現(xiàn)在路面摩擦系數(shù)降低。

1.2 路面結(jié)冰原理和階段

水結(jié)成冰是水的溫度在持續(xù)降溫最終結(jié)冰的過程。路面結(jié)冰的快慢，不僅與水體接觸的材料性質(zhì)有關(guān)，還與空氣流速、外界溫度差、結(jié)冰表面積、水的過冷度大小有關(guān)。結(jié)冰路面的形成，與接觸的路面材質(zhì)、路面溫度、大氣溫濕度、風(fēng)速、降水等多種因素都有關(guān)系。

1.3 路面結(jié)冰影響因素分析

高速公路具有線性特性，路面結(jié)構(gòu)裸露在大氣之中，直接承受車輪荷載作用，除氣候因素影響外，還受到如沿線地形地貌、道路結(jié)構(gòu)物、交通狀況等其它多種因素的綜合影響，引發(fā)路段結(jié)冰現(xiàn)象，且高海拔路段、橋梁路段、臨湖路段、背陰路段等都易出現(xiàn)路面結(jié)冰。

1.3.1 氣候因素對(duì)路面溫度的影響

氣候因素對(duì)路面溫度的影響主要體現(xiàn)在大氣溫濕度、太陽輻射、云層覆蓋、風(fēng)速、降水量和蒸發(fā)量等多方面，也是決定路面溫度最重要的因素。其中決定路面狀況最重要的因素是太陽輻射和大氣溫度，而云層反射、吸收以及釋放熱量、風(fēng)混合地面空氣層等因素可有效降低路面溫度變化的幅度。

1.3.2 空間因素對(duì)路面溫度的影響

空間因素取決與路側(cè)樹木和建筑物的分布情況，這些因素通過遮蔽作用降低了到達(dá)路面的太陽輻射。如果路側(cè)有較高的物體，例如樹木，地面輻射就會(huì)被更多的反射回地面，降低路面變冷的速度。

1.3.3 路面材料構(gòu)成對(duì)路面溫度的影響

不同的路面材料對(duì)能量的吸收和發(fā)散都有不同的比率，兩條不同材料的路面達(dá)到最低溫度的時(shí)間也不同。道路材料的深度也是重要因素，越深溫度就會(huì)越高，因此高速公路和主干道一般會(huì)比其他道路溫度高，也受到車流量的影響。

1.3.4 道路結(jié)構(gòu)物對(duì)路面溫度的影響

橋面因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)以及熱容量小的緣故更容易變冷。鋼鐵橋面會(huì)比一般路面溫度降低更快，因?yàn)樗泻芨叩臒崃總鲗?dǎo)性以及較差的熱量保持性，這種低熱容的特性會(huì)導(dǎo)致一些路段產(chǎn)生短期的結(jié)冰現(xiàn)象。橋面的路面溫度要比周圍其它路段低，因此這些區(qū)域一般被視為結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)路段。

1.3.5 交通因素對(duì)路面溫度的影響

夜間，一定的交通流會(huì)保持路面溫度，抵消一部分由于地面輻射造成的熱量流失。交通流可混合地表附近的冷暖空氣層，降低夜間路面的熱量散失。同時(shí)，輪胎和路面之間的摩擦產(chǎn)生熱量及引擎和排氣管排放的熱量會(huì)比那些有著較小交通流路段的路面溫度高。

綜上所述，路面結(jié)冰受到氣候、空間、路面材料、結(jié)構(gòu)物和交通等多種因素的綜合影響，限于試驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)采集的難度，主要分析受氣候因素影響下路面結(jié)冰現(xiàn)象。

1.4 路面結(jié)冰條件

路面結(jié)冰的必要條件是路面低溫。不管是哪一類路面結(jié)冰天氣過程，無論是否有降水，只要路面上存在一定量的水汽，包括降雨、降雪或路面融雪、車輛尾氣等因素引發(fā)的情況，當(dāng)路面溫度低于0 ℃時(shí)，就有可能出現(xiàn)路面結(jié)冰。

1.5 路面結(jié)冰類型與特征

路面結(jié)冰特征類型見表1。

表1 路面結(jié)冰類型

2 路面結(jié)冰試驗(yàn)研究

根據(jù)分析結(jié)果，通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究路面結(jié)冰狀態(tài)的形成過程和規(guī)律，確定路面結(jié)冰狀態(tài)形成的關(guān)鍵控制因子。路面結(jié)冰的主要影響因素包括：路面溫度、大氣溫度、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水（降雨、降雪）等。路面結(jié)冰的形成都離不開水汽條件和路面低溫。因此，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，主要考慮降水量和路面溫度對(duì)路面結(jié)冰形成的影響。

路面結(jié)冰室內(nèi)試驗(yàn)中，主要控制參數(shù)確定為路面溫度、降水量/水膜厚度、路面?zhèn)鞲衅鬏敵鲭妷褐岛徒Y(jié)冰程度/結(jié)冰率。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

室內(nèi)試驗(yàn)在氣象模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行，目的是進(jìn)行環(huán)境模擬，一是確定不同水膜厚度在低溫條件下，與電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定最早出現(xiàn)結(jié)冰的水膜厚度。二是通過控制氣象要素，觀察路面結(jié)冰的形成過程和規(guī)律。確定路面結(jié)冰程度隨時(shí)間的變化情況。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備和材料

設(shè)備和材料主要包括：氣象模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及平臺(tái)、路面試塊及路面狀態(tài)傳感器、游標(biāo)卡尺等。

2.1.3 試驗(yàn)環(huán)境

（1）結(jié)冰點(diǎn)溫度范圍：-20 ～0 ℃；（2）路面溫度測(cè)量元件精度：±0.2 ℃，-3 ～75 ℃；（3）路面溫度測(cè)量范圍：-40 ～75 ℃；（4）可檢測(cè)路面狀態(tài)：路面干燥、路面潮濕、路面覆雪、路面結(jié)冰；（5）水膜厚度：最大10 mm；（6）工作溫度范圍：-40 ～75 ℃。

2.2 試驗(yàn)方案

考慮到試驗(yàn)條件和精度，黑冰和冰霜這兩種危險(xiǎn)而特殊的路面狀態(tài)，室內(nèi)試驗(yàn)主要模擬路面干燥、路面潮濕及路面黑冰和冰霜的情況。

2.2.1 水膜厚度試驗(yàn)

依據(jù)水膜厚度，將路面狀態(tài)分為潮氣、微濕、濕滑三種狀態(tài)。水膜厚度標(biāo)定試驗(yàn)的上限是10 mm，根據(jù)噴灑水量與噴灑面積來確定水膜厚度。

2.2.2 不同路面狀態(tài)結(jié)冰程度試驗(yàn)

受試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)在路面低溫且空氣情況對(duì)流微弱的情況下，對(duì)路面黑冰和冰霜情況進(jìn)行測(cè)試。氣象模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中路面溫度控制在-10～0 ℃，對(duì)兩種路面結(jié)冰狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，并觀察其路面結(jié)冰程度隨時(shí)間的變化情況。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.3.1 最早出現(xiàn)結(jié)冰狀態(tài)的水膜厚度

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，從路面干燥到水膜厚度為10 mm 的不同狀態(tài)，在-10 ～0 ℃同樣的氣象模擬試驗(yàn)系統(tǒng)低溫條件下，水膜厚度為1 mm 的狀態(tài)最早出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，用時(shí)大約為12 min，而且此時(shí)測(cè)得的傳感器輸出電壓值約為3.85 V。

2.3.2 不同路面狀態(tài)結(jié)冰形成過程

水膜厚度為1 mm 時(shí)最易發(fā)生路面結(jié)冰，因此考慮較薄水膜厚度結(jié)冰的黑冰和冰霜兩種路面狀態(tài)。通過人眼觀察路面結(jié)冰范圍的百分比，將其作為結(jié)冰程度的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，記錄整個(gè)結(jié)冰形成過程隨時(shí)間的變化情況。

3 結(jié)語

（1）模擬黑冰狀態(tài)比冰霜狀態(tài)早出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，主要因?yàn)樵谀M冰霜狀態(tài)時(shí)，使用加濕器對(duì)傳感器表面進(jìn)行加濕，隨著傳感器表面水膜厚度的增加，導(dǎo)致結(jié)冰現(xiàn)象推遲。（2）路面結(jié)冰的速度呈現(xiàn)先慢后快的發(fā)展趨勢(shì)，特別是結(jié)霜狀態(tài)模擬過程表現(xiàn)的比較明顯。而且隨著結(jié)冰率的增加，即結(jié)冰表面積越大，結(jié)冰速度越快，耗時(shí)越短。（3）通過分析，將大氣溫度、路面溫度、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水等條件作為路面結(jié)冰狀態(tài)的關(guān)鍵控制因子。