潮湿山区路面凝冰机理及路面抗滑性研究综述＊

但汉成 李 亮 刘 扬 梅世龙 白诗尧

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司1） 贵阳 550001） （中南大学 土木工程学院2） 长沙 410075）（贵州省交通运输厅3） 贵阳 550003） （贵州省高速公路开发总公司4） 贵阳 550004）

凝冰即常说的冰，是水在低温环境下由液态变成固态过程中形成的固体，本文特指路面上的雨水在低温环境下产生的凝冻物．关于路面凝冰机理的研究属于基础性的研究，鉴于我国在该方面研究起步较晚且存在研究匮乏，本文围绕凝冰路面环境，介绍并了解路面凝冰机理方面的研究意义及概况，并提出目前路面凝冰机理和凝冰路面应着重研究的内容，供同行参考，希望能进一步增进对凝冰路面研究的重视．

1 研究的意义

我国冻雨地区的冬季在降雨后路面极易形成凝冰，使其抗滑能力大幅度降低，既容易产生恶性交通事故，又对道路及其附属构造物产生破坏，严重时造成交通中断，甚至危害人民生命和财产安全．2008年春节期间，我国发生了大面积凝冰灾害，贵州省全境受灾，道路路面凝冰厚度达到了20厘米，发生多起恶性交通事故，造成了严重的社会影响．湖南省也是此次冰冻灾害的重灾区．据不完全统计共造成直接经济损失1 516．5亿元．此次冰灾导致了大面积的交通设施瘫痪，主要国省道干线公路通行能力急剧降低，部分路段甚至出现长时间的交通阻断，其中京港澳高速公路湖南耒宜段受灾最为严重，冰灾期间该路段几乎完全丧失通行能力．“冻雨”引起的凝冰是贵州省常见的灾害之一，几乎年年都有发生，其持续时间之长、覆盖范围之广、造成损失之大，居全国首位．因此，道路路面凝冰是一个需要认真分析与研究的重大课题，是关系到潮湿山区交通安全的重大问题之一．

冬季路面凝冰的形成往往与冻雨地区（云贵川高原潮湿山区、湖南西北部山区等）路段所处的地形地貌、海拔、气候因素有关［2－3］．同时，道路的一些特殊路段，其温度等指标不同于常规道路，例如桥梁桥面铺装温度通常低于常规路面2～3℃，这会加快桥面凝冰产生的速度，因此比常规道路更易产生凝冰危害．山区道路的建设不可避免遇到如长下坡、陡坡急弯、高海拔、一侧悬崖等较为不利的地理条件．从行车安全角度考虑，这些不利的道路条件与路面凝冰遇到一起，往往会对行车产生更大危害．因此，有必要对路面凝冰形成的环境进行研究，掌握路面凝冰形成的机理，了解凝冰路面所具有的特殊性质，为抗凝冰路面的研究提供试验和理论基础，并为凝冰频发区域新建道路的设计与施工提供技术参考．

2 国内外研究现状

2．1 路面凝冰机理研究现状

现阶段，国内外与路面凝冰相关的研究主要集中于路面除冰雪和抗冰雪技术的研究领域，取得了一些研究成果［4－6］，但对路面凝冰机理的了解大多停留在经验层面上，并没有做系统性的研究．近年来，李蕊等［7］利用湖北省恩施和金沙两地2009年冬季1，2月土壤、水泥、沥青3种不同下垫面温度和自动气象站的常规气象要素观测资料，研究冬季3种不同下垫面温度与气温等气象要素之间的关系，建立相应的多元回归拟合公式，并分析路面结冰的气象条件．但由于研究目的不同，该研究成果没有系统地阐明影响路面凝冰的因素以及凝冰机理．刘梅等［8］通过对南京地区1984～2003年20年110个降水结冰样本当日温度的统计分析，讨论了南京地区结冰时间变化和各影响温度因素的变化规律，总结了对结冰预报具有指示意义的关键因子；同时利用向量法探讨了南京地区结冰预报方法，该方法具有显著的预报价值．在此基础上根据Norrman提出的路面打滑分类，结合南京地区具体情况得出了南京雨雪天气路面结冰的类别、标准和预测预报方法．该研究最重要的是提出了路面结冰的类别、判别标准，为路面凝冰机理以及预警机制提供了一定的借鉴和参考．

在凝冰形成机理研究方面，国内外较多地研究飞机机翼、机身表面结冰，输电线、电塔上的结冰及融冰机理［9－11］，其主要内容是冰的生长规律以及冰与结构物之间的粘附性质．Kathleen［12］通过历史上的天气监测资料提出了冻雨模型以阐述冰雪荷载对结构物的影响程度，提出了冰雪生长规律的热平衡模型，模型考虑了包括冻雨过程中重要热量源和流动水形成冰柱的条件，并提出了一个简单的算法来计算不同横断面条件下形成的冰荷载大小，并与收集的爱荷华州得梅因市45年来的实测资料做了对比．Maurice等［13］描述和对比了三种输电线融冰雪模型来阐述和计算需要的导体电流以融化电线上的冰雪．

2．2 凝冰粘附性质研究

Rataty等［14］研究了冰与不同介质之间的粘附力，并比较了冰与聚合物之间的粘附力和冰与金属表面之间的粘附力的不同．Ivan等［15］基于冰表面带静电的原理研究了一种冰粘附力的静电模型．基于这个模型，揭示了与时间和温度有关粘附现象，即冰和水与其他结构表面粘附性质的不同之处．Andrews和Stevenson［16］提出了一种平面应变的断裂能量测试方法应用到测试冰与不锈钢、钛金属和铝金属的粘附力中，测量不同温度条件下的各种粘附力大小．Laforte等［17］通过试验研究了采用固体涂层降低结构表面凝冰附着力的效率．试验结果从冰的密度、亲水性、表面摩擦力几个方面进行了分析．分别测试了涂有五种保护层（该保护层是开发的特殊产品）的金属表面的粘附力，并与普通涂层表面粘附力进行对比．杨晓东等［18］就冻粘产生的条件、冻粘的特性、防止冻粘发生与减缓发生的技术方法、未来研究重点等方面进行了论述与分析．研究中的结论是值得在研究路面凝冰的物理特性时借鉴的，即从冰与金属或非金属材料表面冻粘应力已有的试验数据，可以得出冻粘应力与试样接触面积无关；冻粘应力与冰层厚度无关；冻粘应力是与温度基本上呈线性函数关系．另外国内对冰与结构物的粘附力的研究还有一些文献进行了报道，但大都局限于材料工程学科领域，几乎没有与路面工程领域相关的研究．由于电线、电塔、飞机机身以及机翼表面凝冰机理具有特殊性，构造物材料和结构都与路面不同，其研究的方法并不能完全借鉴到路面凝冰的研究中，因此需要对路面凝冰机理做较为具体的研究．

2．3 凝冰路面抗滑性能研究

车辆在凝冰路面上行驶之所以危险，是由于凝冰路面的摩擦系数相比干燥和潮湿路面小得多，不能提供足够的摩擦力抵抗转弯时的离心力而导致车辆侧翻，导致车辆在紧急制动时制动距离延长，危险时造成交通事故．因此，路面摩擦系数的研究是非常重要的一个方面．国内，具有代表性的研究是：李长城等［19］利用摆式仪测量了不同路面类型（新、旧2种 AC－16沥青路面，以及SMA－16和OGFC－13两种沥青路面试块），在不同路面温度（－30～35℃）、不同湿滑情况（干燥、潮湿、湿润、结冰）、不同污染物覆盖（砂粒、泥土），及其组合状况下的摩擦系数，深入分析了不同路面状况对摩擦系数的影响．但是由于试验条件的限制，其研究也存在一些不足：采用碾压成型机制作的试验块与真实路面间还存在一定差异；降温采用的试验箱不能很好的模拟路面结冰的环境；摆式仪测定的摩擦值不能够很好的代表高速情况下的路面实际摩擦性能．苗英豪［20］依托动态摩擦系数测试仪深入分析了路面抗滑性能对交通安全的影响以及交通安全评价对路面抗滑性能指标的需求．杜雪松等［21］对粗、中、细3种表面粗糙状态路面采用英式摆式摩擦系数测定仪测量了冬季干燥无雪、雪粒、雪粉、冰块状态下的路面摩擦系数，明确了不同冰雪路面状态对路面抗滑性能的影响程度．王正君等［22］采用制动距离法及测试车法分别对清雪后、松雪、冰雪板、完全结冰等状态进行测试．得到相应状态的抗滑性能指标，对于研究冰雪路面的抗滑性能及路线指标设计具有重要意义．朱云升等［23］利用有限元软件 ANSYS／LSDYNA建立轮胎与路面接触的动力有限元模型，同时考虑轮胎与路面的动态摩擦作用，分析不同温度工况条件下结冰沥青路面的抗滑性能．除此之外，国内外学者都进行了路面在各种状态下的摩擦系数研究［24－26］，比较典型是 Klein－Paste的研究成果．Klein－Paste［27］采用 BPT（British Pendulum Tester）测试了在－22～0℃条件下的轮胎与冰面，砂与冰的摩擦系数，也研究了冰面有薄雪层对摩擦系数的影响．在他的试验中，考虑并制作了两种条件下结冰的路面试件．一种是0℃路表面在喷雾状态下结冰，称为“雾冰”；另一种是在－10℃结成的较厚的硬冰．试验过程中，在试件表面撒砂和雪以测试在不同温度下轮胎－砂－冰、轮胎－雪－冰，轮胎－雪－砂－冰之间的摩擦系数的变化．研究表明，轮胎与冰面的摩擦力由于薄雪层的存在，其摩擦力急剧下降，比潮湿和融冰状态下的摩擦力更小；与轮胎－冰之间摩擦力相比，砂与冰之间的摩擦力更不受温度和雪层的影响．该研究可为凝冰路面摩擦系数的研究提供参考和借鉴．

3 研究内容与方法初步探讨

3．1 路面凝冰形成机理研究

路面凝冰的形成机理就是关于道路路面包括水泥混凝土路面和沥青混凝土路面上冰是如何形成，与哪些因素有关，哪些因素是导致凝冰形成的主要因素．只有充分了解了凝冰形成机理才能为道路凝冰预警系统提供数据基础，已达到预报凝冰灾害的目的，为驾驶员提供相应的道路凝冰预警信息．

为了初步了解凝冰形成机理及其影响因素，特在贵州省凝冰灾害频发路段进行了气象调查，得到了以下的气象条件统计见图1～图3．

图2 凝冰发生前后路面湿度变化

图3 凝冰发生前后风速变化

从以上调研情况来看，凝冰发生必须具备一定的条件，主要受地温、大气湿度、风速等影响因素的影响，通过以上对凝冰发生时的地温、湿度、风速影响看，凝冰发生并不是单因素的影响结果，其凝冰的发生以及凝冰的危害程度往往是以上多因素的综合加权．

总得来说影响路面结冰的因素有路面的类型（如AC路面、SMA路面，OGFC路面以及水泥混凝土路面较为典型）、降落在路面上雨水的温度（云贵川地区冬季较易形成冻雨，冻雨一般是过冷水，其温度稍低于0℃，一般的降雨在0℃以上［28］）、雨水水质（由于雨水中含有的杂质和化学成分（离子和pH值）不同导致雨在降落至路面后结冰的临界环境和时间有差异．）、海拔高度、气温、路面温度、风速、构造深度以及路面的坡度．

另外，风速的影响也较为显著，因为风速影响路表的热对流和热交换．从对路面凝冰调研分析来看，凝冰分布位置多分布在桥面，尤其是钢桥面，分析原因在于由于桥面多架设于两山之中，冬季受周围山谷包围形成道风，再加上钢桥面上下凌空进一步加剧了桥面温度的降低，因此凝冰发生的概率较高．根据调研来看，风速会加剧路面温度降低影响路面凝冰形成，是一个较为重要的因素．

路面构造深度和路面坡度对凝冰机理的影响反映在路面表面残余含水量上．排水性能越好，构造深度越低残留于路表面的水量越少，形成凝冰对路面危害相对来说更低．

综上所述，路面凝冰机理研究主要应把握2个主要方面：雨水本身；外部环境．雨水本身的影响就包括上述的雨水温度，雨水水质，路表面湿度（含水量）的影响；外部环境影响包括温度和风速的影响，海拔高度可以与气温建立相关的联系．

3．2 路面凝冰物理特性试验研究

当了解了路面凝冰形成的机理之后，需要了解形成的凝冰的物理特性是什么，诸如凝冰的硬度、与路面之间的粘附性质以及强度等性质．这关系到路面抗滑性能、除冰的难易程度以及对除冰雪器具的选择以及除冰雪方法的开发与改进具有参考和指导作用．

1）凝冰的硬度 凝冰硬度是反映凝冰危害程度的一个关键技术指标，硬度的高低直接反映路面的抗滑性能．据相关研究，影响冰的硬度最主要的因素是温度．但关于如何测试冰的硬度从现有的资料来看并没有提供一种很有效的方法．采用常规的硬度测试方法（包括金属硬度和非金属的硬度测试方法）所处的环境都处于0℃以上，在这种环境下不适合测试冰的硬度．另外，如果采用针式硬度测试法（如邵氏、布氏、洛式、维式等）也不适合，因为冰是一种脆性材料，在硬度测试针插入的过程中冰较易破裂．目前来看，里氏硬度测试方法较为合理，其基本原理是具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回跳速度之比值来代表物体的硬度值［29］．

2）凝冰的粘附强度 凝冰与路面的粘附力分为切向粘附力和法向粘附力．关于法向粘附力的测试方法可以借鉴桥面铺装防水粘结层粘结强度试验测试方法［30］．但关于切向粘附力测试的方法并无相关方法可以借鉴．本文作者设计了一种测试方法和设备——凝冰路面粘附力离心测试方法．其原理就是利用离心机提供的离心力，将路面试件表面凝结成的冰甩出，此时用离心力（离心力可以通过高速摄像机和变频器监控得到的转速计算）除以凝冰截面积计算得到凝冰与路面试件的平均粘附强度．

3．3 凝冰路面抗滑性能试验研究

车辆在凝冰路面上行驶之所以危险，主要是因为凝冰路面的摩擦系数相比干燥和潮湿路面小得多，不能提供足够的摩擦力抵抗转弯时的离心力而导致车辆侧翻，并且导致车辆在紧急制动时制动距离拉长，危险时造成交通事故．因此，路面摩擦系数是项目研究的重点之一，需开展室内外试验并得到以下结果：（1）路面摩擦系数与冰的硬度的关系；（2）凝冰路面上覆砂粒、水膜以及雪膜条件下的摩擦系数；（3）凝冰路面摩擦系数与冰温度的关系．

路面在潮湿环境下的摩擦系数可以采用摆式摩擦系数测试仪测得，但是在凝冰状态下摆式摩擦系数测试设备不具备测试条件，需要设计试验方法．笔者认为可以考虑建立一个三角形的立式滑道，具有一定的高度，高度变化可以调节滑道面与水平面的夹角得到．试验时使一定重量的橡胶滑块从滑道的顶端自由滑向底端，然后在路面滑动一定距离后停止，记录滑过滑道的时间、距离和停止时的时间、距离，代入摩擦力计算公式计算该路面的摩擦系数，这种方法原理简单，可操作性也较强．见图4．

图4 摩擦系数测试原理

设滑块在滑道上的摩擦系数为μ1，在路面上的摩擦系数为μ2，通过摄像机记录的影像资料可以计算出滑块离开滑道时的时间t1，进而求出滑块离开滑道时的速度（v），同时也可以得到滑块在路面滑动的时间t2．摩擦系数的计算可以参考以下计算方法．

因此，可以得到滑块在路面上的摩擦系数：

值得指出来的是，凝冰路面的抗滑特性一定是基于路面与轮胎的相互作用，室内试验方法可以作为凝冰路面抗滑特性的参考，全面了解凝冰路面的抗滑性能需要增加实际车辆的摩擦系数测定．因此试验方法可采用“摩擦系数测试车”在室内路面试验槽中来回移动，或者在室外，按照标准的测试方法，通过测试车上的传感器测试路面纵向摩擦系数和横向力系数．

4 结 论

1）凝冰机理研究和凝冰物理特性研究的目的是为道路凝冰灾害提供预警系统开发基础以及路面抗凝冰材料研发以及路面结构设计提供试验和理论平台．

2）综合国内外研究现状可知国内外鲜有资料通过模拟凝冰环境而阐述路面凝冰形成机理，也没有结合自然条件系统研究路面凝冰的物理特性和凝冰路面抗滑性能，凸显了这方面研究的匮乏，因此在该领域需要更系统更具体的研究．

3）关于路面凝冰机理的研究内容应着重考虑研究以下方面：路面凝冰形成机理研究、路面凝冰物理特性研究、凝冰路面抗滑性能研究以及基于这些研究内容提出路面凝冰形成预测模型以期达到建设路面凝冰灾害预警系统的目的．

4）路面凝冰环境的模拟具有设备资金投入大，试验操作难度大的特点，试验方法的设计也需要进行大量探讨，以形成较为标准的测试方法．

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