冰雪路面抗滑特性研究

姜 利 刘建平

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



冰雪路面抗滑特性研究

姜 利 刘建平

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

针对东北地区冰雪路面抗滑性较差的情况，详细划分了冰路面及雪路面的类型，采用实车试验法和摆式仪法，从温度、构造深度、行车速度以及轮胎胎压等方面，测量了冰雪路面的摩擦系数，指出在冰雪没有完全覆盖路面的情况下，构造深度越小，摩擦系数越低；同时随着车速提高，摩擦系数降低；冰、雪路面摩擦系数均在0 ℃附近达到最低值，行车安全处于危险状态。

冰雪路面，摩擦系数，抗滑性能

0 引言

冰雪天气道路湿滑，车辆操作困难，制动距离缩短，常发生追尾事故，同时由于摩擦系数较低，车辆易发生侧滑、甩尾，引发交通事故。日本学者藤本明宏、渡邊洋等[1]曾对冰雪路面进行分类，并利用MASS车的方法对北海道地区的冰雪道路进行摩擦系数测量，得出当地的摩擦系数变化值；Lasse Makkonen[2]对冰与不同类型橡胶、钢材、玻璃等材料之间摩擦系数进行测量，得出不同材料在冰上摩擦系数变化范围；国内的杜雪松[3]、李长城[4]等人采用摆式仪的方法对冰雪路面摩擦系数进行了测量；国内的王正君等[5]采用制动距离法对黑龙江某高速进行冰雪天气下摩擦系数测量。因此，对我国北方冰雪路面类型进行详细划分，采取科学有效的方法进行冰雪路面抗滑性能的研究显得至关重要。

1 冰雪路面类型划分

通过对东北地区冰雪路面的调查研究，并借鉴国外的划分成果，将冰雪天气下的典型道路类型分为新雪、松散积雪、压实雪板、雪浆、冰膜、冰板六种。新雪状态多为雪粒、雪粉，厚度较薄，并未完全覆盖路面，可见构造深度；松散积雪完全覆盖路面；压实雪板为车辆多次碾压积雪而成；积雪或雪板部分融化后形成雪浆；少量融化积雪可形成冰膜，厚度在1 mm以下；雪板表面融化再

冻结可形成冰板，厚度在1 mm以上；冰雪路面形态如图1所示。本文将对这六种冰雪路面进行摩擦系数测量。

2 摩擦系数测量试验方法选取

摩擦系数测量常用的方法有摆式仪法、测试车法、制动距离法等。摆式仪因为其简单、便携，被广泛采用，摆式仪能反映低速状态下路面的抗滑性能，其结果用摆值BPN来表示，经过换算标准温度20 ℃的摆值作为结果。本文在室内采用摆式仪法来反映不同构造深度、不同温度下摩擦系数的变化趋势，在室外采用实车制动距离法得出摩擦系数值。

3 冰雪路面摩擦系数的测量

3.1 室内不同构造深度下的摩擦系数试验

选用东北地区采用较多的沥青面层上面层结构SMA10，SMA13作为试验对象，制备沥青混合料试件尺寸为30 cm×30 cm×5 cm，试件制备完成后，表面喷洒一定质量的水，洒水质量取值为100 g，150 g，200 g，250 g，采用高低温试验箱控制实验温度，模拟冰路面的形成过程；采用人工撒铺雪的方式模拟不同类型的雪路面，同样采用高低温试验箱控制试验温度。不同类型的冰雪路面试件制备完成后，通过手工铺砂法测定构造深度，红外线温度计测定温度，通过摆式摩擦仪测定不同构造深度、温度下的摩擦系数值。

相关试验结果如表1所示。

表1 冰路面构造深度及摩擦系数值

从表1中可以看到，在冰膜没有完全覆盖试件之前，随着构造深度的减少，摆式仪摆值变小，这是因为随着冰膜填充沥青混合料表面的构造深度，摆式仪的橡胶块与冰膜有更大的接触面积，冰与橡胶之间的摩擦系数远小于沥青与橡胶之间的摩擦系数，因此，会得出洒水量越多，构造深度越小，摩擦系数也越小，对于雪路面也是相同的原理。通过室内构造深度试验可以得出，冰雪完全覆盖路面后，摩擦系数会大幅降低。

3.2 室内不同温度下的摩擦系数试验

通过高低温控制箱设置温度，冰路面洒水量为200 g，雪路面铺洒雪厚度为1 cm，用摆式仪的方法测量冰雪试件不同温度下的摩擦系数，旨在找出摩擦系数与温度的关系。摆式仪测得摆值没有经过换算，除以100得到摩擦系数值，其实验结果如图2，图3所示。

通过试验结果可以看出，冰路面摩擦系数在0 ℃附近达到最低值，这是因为在0 ℃附近时，部分表层冰融化，形成薄层水膜，起到润滑作用，大大降低了车轮与路面的摩擦系数，与雨天的“滑水”现象类似，这与经验一致，而相关研究也印证了这一点。随着温度降低，冰路面变得坚硬、干燥，摩擦系数又有所升高，试验得到了冰路面摩擦系数与温度的拟合关系。

经过试验研究分析，冰路面在0 ℃附近达到最低值，雪路面在-2 ℃附近达到最低值，在冬季气温上升时，冰雪路面表面摩擦系数会产生较大变化，如果温度上升到0 ℃附近，会产生最低值，车辆极易发生制动失稳、侧滑、追尾等事故，因此，通过研究发现冰雪路面摩擦系数与温度的关系显得至关重要。

3.3 室外不同车速下摩擦系数测量

试验开始前，选取干燥无雪状态下的三个断面测量摩擦系数值，试验结果如表2所示，根据JTG F80/1—2004公路工程质量检验评定标准，其代表值大于规定值(规定值50)，路面抗滑性良好，试验车具体参数及轮胎类型如表3所示。试验采用CTM-8A型非接触式五轮仪记录车辆制动过程中的制动初速、制动距离、制动时间、最大减速度、平均减速度等参数。在试验现场设置了冰膜、冰板、新雪(人工铺洒)、松散雪、雪浆(松散雪融化)、压实雪等六种试验路面，其中冰膜、冰板路面采用人工洒水冻结形成，新雪路面为人工铺洒，厚度较薄，小于3 mm。

表2 实验路冬季干燥状态摩擦系数测量结果

表3 本次试验汽车和轮胎参数

制动初速度选择20 km/h，40 km/h，60 km/h。六种冰雪路面制动试验结果如图4所示。下面将对试验结果进行研究、分析。

通过试验结果可以发现，车辆在六种不同类型的冰雪路面以不同速度制动时，随着制动初速度的增大，摩擦系数有减小的趋势，这与Lasse Makkonen[2]，Daniel D. Higgins[7]、郭孔辉院士[8]等学者的研究成果相吻合(见图5)，橡胶—冰在低速与高速下摩擦系数相差较大，在汽车运行速度范围内摩擦系数随车速增大呈递减趋势，但减少量并不明显，原因可能是高速下车轮摩擦使更多水膜融化，起到润滑作用。

由于不同条件下室外试验重复性较差，不同地区测试相同类型冰雪路面，结果可能出现较大差异，很难就摩擦系数与温度、制动车速、大气湿度等参数建立普遍适用的公式，仅能解释摩擦系数随温度、车速变化的普遍规律，对驾驶员有一定的指导意义。本文得出的京加公路嫩江段附近地区不同类型冰雪路面摩擦系数变化范围及相关文献值如表4所示。

表4 不同类型冰雪路面低速下实车测量摩擦系数范围值及相关文献值

4 结语

通过本文的试验及分析研究，得出以下结论：

1)冰雪路面在可见构造深度时，构造深度越小，摩擦系数越低；

2)随着制动初速度提高，冰雪路面摩擦系数降低；

3)由于薄层润滑水膜的影像，冰、雪路面摩擦系数均在0 ℃附近达到最低值；

4)本文得出了六种不同类型冰雪路面在低速状态下的摩擦系数变化范围。

[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].日本雪工学会誌,2005,21(5):282-291.

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

[3] 杜雪松，解晓光，张小瑞，等.不同冰雪路面状态的抗滑特性研究[J].低温建筑技术,2012(10):1-3.

[4] 李长城，刘小明，荣 建.不同路面状况对路面摩擦系数影响的试验研究[J].公路交通科技,2010,27(12):27-32.

[5] 王正君，雷明臣，丁 琳，等.冰雪路面抗滑性能试验研究[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] 郭孔辉，庄 晔.轮胎胎面橡胶—冰面摩擦试验方法研究[J].摩擦学学报,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； 刘建平(1989- )，男，在读硕士

U416.2

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