李海青， 任曉靈， 孫 宇， 楊 瑩， 付春雨， 蔡曉博

(北京市城市管理研究院 北京 100028)

目前，全世界范圍內(nèi)采用最多的融雪除冰方式就是撒布融雪劑，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年大約使用3 000萬 t融雪劑[1-2]。撒布融雪劑會(huì)影響路面的抗滑性能，為保障行車安全，《融雪劑》(GB/T 23851-2017)標(biāo)準(zhǔn)中利用路面摩擦衰減率指標(biāo)表征和規(guī)范融雪劑對路面抗滑性能的影響。Anupam K等[3]在不同環(huán)境溫度下，研究了輪胎對路面的摩擦特性，結(jié)果表明，輪胎摩擦系數(shù)與環(huán)境溫度、路面溫度等密切相關(guān)；溫度越高，輪胎和路面滑移率遲滯分量越低，摩擦值越大。Shi Xianming等[4]研究了路面結(jié)冰撒布融雪劑后抗滑系數(shù)隨著時(shí)間的變化，根據(jù)冰雪的不斷融化，發(fā)現(xiàn)路面摩擦系數(shù)先增大后減小的趨勢。目前研究融雪劑的抗滑性能方法基本在溫度范圍為0 ℃～40 ℃，文獻(xiàn)報(bào)道中少有研究在低溫情況下融雪劑對瀝青路面摩擦系數(shù)的影響情況，而且，融雪劑主要用于冬季道路融雪除冰，使用時(shí)環(huán)境溫度較低。基于此，本文主要選擇常用的氯鹽類和醋酸鹽類融雪劑，研究在低溫環(huán)境下不同融雪劑以及不同使用濃度對瀝青路面摩擦系數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 路面摩擦系數(shù)的測定方法

參照J(rèn)TG E60-2008標(biāo)準(zhǔn)，利用擺式摩擦系數(shù)儀分別測定干燥狀態(tài)、灑水后以及撒布融雪劑后的瀝青混凝土試塊的摩擦系數(shù)(f值)，每組數(shù)據(jù)重復(fù)測定5次，每組數(shù)據(jù)測定的最大值與最小值之差應(yīng)小于3 BPN，最后取5次擺值的平均值除以100作為摩擦系數(shù)。f計(jì)算公式如式(1)所示。

f=BPN/100

(1)

式中：BPN為擺值的平均值。

1.2 路面摩擦衰減率的測定方法

參照J(rèn)TG E60-2008標(biāo)準(zhǔn)，利用擺式摩擦儀分別測定灑水與撒布融雪劑后的瀝青混凝土試塊的摩擦值，即BPN值，然后按照公式(2)計(jì)算撒布融雪劑后的路面摩擦衰減率。

M=(1-BPN融雪劑/BPNt)×100

(2)

式中：M為撒布融雪劑后的路面摩擦衰減率，%；BPN融雪劑為撒布融雪劑后路面的抗滑值；BPNt為灑水后路面的抗滑值。

1.3 路面摩擦衰減率實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)材料：指針式擺式儀；毛刷；噴水壺；直尺。去離子水；氯化鈉溶液、氯化鈣溶液、氯化鎂溶液、醋酸鈣溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%、10%、15%、20%、25%。不同融雪劑冰點(diǎn)見表1。

表1 不同融雪劑不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)冰點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境及裝置：在大型低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)控制溫度、濕度(實(shí)驗(yàn)裝置見第17頁圖1、圖2)，選取9種實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度，分別為-20、-15、-10、-5、0、5 、10、15、20 ℃。

圖1 大型低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)測試摩擦系數(shù)

圖2 擺式摩擦系數(shù)測定儀

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度對未撒布融雪劑的瀝青路面摩擦系數(shù)影響

根據(jù)摩擦學(xué)原理，輪胎和干道面間的摩擦主要是輪胎與道路幾何形貌表面接觸相互作用引起的滑動(dòng)阻力和能量損耗。分析干燥狀態(tài)輪胎與道面間的摩擦應(yīng)用理論，可以歸結(jié)為以下4個(gè)方面：①輪胎與道面間的黏著作用；②胎面橡膠的彈性變形；③道面上小尺寸微凸體的微切削作用；④輪胎與道面間的分子力作用[5]。

由圖3可以看出，當(dāng)溫度在-20 ℃～0 ℃時(shí)，隨著溫度的降低，瀝青路面的摩擦系數(shù)緩慢上升，也就是抗滑性能不斷增大；當(dāng)溫度在0 ℃～20 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)波動(dòng)較為平緩。溫度為0 ℃時(shí)的摩擦系數(shù)均小于溫度為0 ℃時(shí)的摩擦系數(shù)。根據(jù)物理學(xué)分析的可能原因?yàn)椋?dāng)溫度較低時(shí)，空氣中的水氣在試塊表面迅速形成一層薄冰或霜粒，當(dāng)橡膠表面與道路面接觸時(shí)，霜?；虮”鶎优c橡膠間產(chǎn)生黏附力和阻滯力，所以在零下環(huán)境中，隨著溫度降低，摩擦系數(shù)會(huì)升高。當(dāng)溫度逐步升高時(shí)，該黏附力減弱，且由于摩擦生熱，處于靠近0 ℃的冰層極易被融化形成水膜，摩擦系數(shù)降低。而當(dāng)溫度大于0 ℃后，空氣中的水氣不能在瀝青表面形成冰和水，干燥的瀝青路面摩擦系數(shù)較大，摩擦系數(shù)必然高于低溫下的摩擦系數(shù)，溫度超過0 ℃繼續(xù)升高時(shí)，瀝青逐步被軟化穩(wěn)定后，摩擦系數(shù)變化趨勢緩和。路面摩擦系數(shù)越小，路面擺值越小，路面抗滑性能越差；反之，路面擺值越大，說明摩擦系數(shù)越大，路面抗滑性能越好，因此可以用路面摩擦系數(shù)來表征路面的抗滑性能。

圖3 溫度與干燥路面摩擦系數(shù)的關(guān)系

2.2 不同質(zhì)量濃度的融雪劑摩擦系數(shù)關(guān)系

從趨勢圖4和第18頁圖5可以看出，不同融雪劑使用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)由5%依次提高到25%，融雪劑的路面摩擦系數(shù)隨著濃度的增大而不斷減小，路面抗滑摩擦衰減率指標(biāo)不斷增高，這主要是由于融雪劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，溶液狀態(tài)就會(huì)越滑潤，界面之間的作用力減小。由圖5可知，融雪劑醋酸鈣的摩擦衰減率指標(biāo)明顯高于其他3種融雪劑，但是這幾種融雪劑使用量在25%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均未超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求的10%。融雪劑氯化鈣隨著使用濃度的增大，摩擦系數(shù)直線下降，其他3種融雪劑降幅較為緩慢，可見，不同融雪劑隨著使用濃度的變化，瀝青摩擦系數(shù)變化情況不盡相同。

圖4 不同融雪劑使用量下摩擦系數(shù)變化

圖5 不同融雪劑使用量下摩擦衰減率變化

2.3 溫度與融雪劑摩擦系數(shù)的影響

由第18頁圖6可以看出，在0 ℃以上隨著環(huán)境溫度的升高，撒布融雪劑后路面摩擦系數(shù)不斷增大，可能由于溫度升高，瀝青逐步被軟化，瀝青黏附力影響摩擦系數(shù)。溫度低于0 ℃時(shí)，隨著溫度的降低橡膠變硬，撒布融雪劑的瀝青路面摩擦系數(shù)升高，但是溫度降到-15 ℃，路面摩擦系數(shù)又開始降低。當(dāng)溫度接近-15 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)中的瀝青表面可以迅速形成一層很薄的冰膜，薄冰層在對擺式摩擦儀實(shí)驗(yàn)過程中的摩擦有潤滑作用，使得摩擦系數(shù)驟然降低。同一種融雪劑使用濃度越高，其狀態(tài)就越黏稠，路面摩擦系數(shù)逐漸降低。不同質(zhì)量濃度的融雪劑隨著溫度變化，瀝青路面摩擦系數(shù)變化規(guī)律一致。

圖6 不同溫度與融雪劑摩擦系數(shù)關(guān)系

3 結(jié)論

1) 低于0 ℃條件下未撒布融雪劑路面隨著溫度的降低摩擦系數(shù)不斷增大，溫度高于0 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，干基路面的摩擦系數(shù)變化平緩略有增加。

2) 不同融雪劑、使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同環(huán)境溫度對路面摩擦抗滑性能有著不同的影響。其中，隨著融雪劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，撒布融雪劑后的路面摩擦衰減率不斷增大；融雪劑溶液使用濃度提高，溶液狀態(tài)會(huì)越滑潤，界面間的作用力減小，摩擦系數(shù)減小。不同類型的融雪劑摩擦系數(shù)指標(biāo)也存在較大差異。在0 ℃以上隨著環(huán)境溫度的升高，撒布融雪劑后路面摩擦系數(shù)不斷增大；溫度低于0 ℃，撒布融雪劑的瀝青路面摩擦系數(shù)升高，但是溫度降到-15 ℃，路面摩擦系數(shù)又降低。

3) 在冬季實(shí)際情況下，建議選擇低溫條件下路面摩擦衰減率最小的融雪劑，既能快速融雪化冰，又能保證行車安全。