低温条件下融雪剂摩擦系数影响研究

李海青， 任晓灵， 孙 宇， 杨 莹， 付春雨， 蔡晓博

(北京市城市管理研究院 北京 100028)

目前，全世界范围内采用最多的融雪除冰方式就是撒布融雪剂，据不完全统计，全球每年大约使用3 000万 t融雪剂[1-2]。撒布融雪剂会影响路面的抗滑性能，为保障行车安全，《融雪剂》(GB/T 23851-2017)标准中利用路面摩擦衰减率指标表征和规范融雪剂对路面抗滑性能的影响。Anupam K等[3]在不同环境温度下，研究了轮胎对路面的摩擦特性，结果表明，轮胎摩擦系数与环境温度、路面温度等密切相关；温度越高，轮胎和路面滑移率迟滞分量越低，摩擦值越大。Shi Xianming等[4]研究了路面结冰撒布融雪剂后抗滑系数随着时间的变化，根据冰雪的不断融化，发现路面摩擦系数先增大后减小的趋势。目前研究融雪剂的抗滑性能方法基本在温度范围为0 ℃～40 ℃，文献报道中少有研究在低温情况下融雪剂对沥青路面摩擦系数的影响情况，而且，融雪剂主要用于冬季道路融雪除冰，使用时环境温度较低。基于此，本文主要选择常用的氯盐类和醋酸盐类融雪剂，研究在低温环境下不同融雪剂以及不同使用浓度对沥青路面摩擦系数的影响。

1 实验部分

1.1 路面摩擦系数的测定方法

参照JTG E60-2008标准，利用摆式摩擦系数仪分别测定干燥状态、洒水后以及撒布融雪剂后的沥青混凝土试块的摩擦系数(f值)，每组数据重复测定5次，每组数据测定的最大值与最小值之差应小于3 BPN，最后取5次摆值的平均值除以100作为摩擦系数。f计算公式如式(1)所示。

f=BPN/100

(1)

式中：BPN为摆值的平均值。

1.2 路面摩擦衰减率的测定方法

参照JTG E60-2008标准，利用摆式摩擦仪分别测定洒水与撒布融雪剂后的沥青混凝土试块的摩擦值，即BPN值，然后按照公式(2)计算撒布融雪剂后的路面摩擦衰减率。

M=(1-BPN融雪剂/BPNt)×100

(2)

式中：M为撒布融雪剂后的路面摩擦衰减率，%；BPN融雪剂为撒布融雪剂后路面的抗滑值；BPNt为洒水后路面的抗滑值。

1.3 路面摩擦衰减率实验方案

实验材料：指针式摆式仪；毛刷；喷水壶；直尺。去离子水；氯化钠溶液、氯化钙溶液、氯化镁溶液、醋酸钙溶液质量分数均为5%、10%、15%、20%、25%。不同融雪剂冰点见表1。

表1 不同融雪剂不同质量分数冰点

实验环境及装置：在大型低温实验箱内控制温度、湿度(实验装置见第17页图1、图2)，选取9种实验环境温度，分别为-20、-15、-10、-5、0、5 、10、15、20 ℃。

图1 大型低温实验箱内测试摩擦系数

图2 摆式摩擦系数测定仪

2 结果与分析

2.1 不同温度对未撒布融雪剂的沥青路面摩擦系数影响

根据摩擦学原理，轮胎和干道面间的摩擦主要是轮胎与道路几何形貌表面接触相互作用引起的滑动阻力和能量损耗。分析干燥状态轮胎与道面间的摩擦应用理论，可以归结为以下4个方面：①轮胎与道面间的黏着作用；②胎面橡胶的弹性变形；③道面上小尺寸微凸体的微切削作用；④轮胎与道面间的分子力作用[5]。

由图3可以看出，当温度在-20 ℃～0 ℃时，随着温度的降低，沥青路面的摩擦系数缓慢上升，也就是抗滑性能不断增大；当温度在0 ℃～20 ℃时，摩擦系数波动较为平缓。温度为0 ℃时的摩擦系数均小于温度为0 ℃时的摩擦系数。根据物理学分析的可能原因为，当温度较低时，空气中的水气在试块表面迅速形成一层薄冰或霜粒，当橡胶表面与道路面接触时，霜粒或薄冰层与橡胶间产生黏附力和阻滞力，所以在零下环境中，随着温度降低，摩擦系数会升高。当温度逐步升高时，该黏附力减弱，且由于摩擦生热，处于靠近0 ℃的冰层极易被融化形成水膜，摩擦系数降低。而当温度大于0 ℃后，空气中的水气不能在沥青表面形成冰和水，干燥的沥青路面摩擦系数较大，摩擦系数必然高于低温下的摩擦系数，温度超过0 ℃继续升高时，沥青逐步被软化稳定后，摩擦系数变化趋势缓和。路面摩擦系数越小，路面摆值越小，路面抗滑性能越差；反之，路面摆值越大，说明摩擦系数越大，路面抗滑性能越好，因此可以用路面摩擦系数来表征路面的抗滑性能。

图3 温度与干燥路面摩擦系数的关系

2.2 不同质量浓度的融雪剂摩擦系数关系

从趋势图4和第18页图5可以看出，不同融雪剂使用量(质量分数，下同)由5%依次提高到25%，融雪剂的路面摩擦系数随着浓度的增大而不断减小，路面抗滑摩擦衰减率指标不断增高，这主要是由于融雪剂溶液质量分数越高，溶液状态就会越滑润，界面之间的作用力减小。由图5可知，融雪剂醋酸钙的摩擦衰减率指标明显高于其他3种融雪剂，但是这几种融雪剂使用量在25%以内，实验结果均未超过国家标准要求的10%。融雪剂氯化钙随着使用浓度的增大，摩擦系数直线下降，其他3种融雪剂降幅较为缓慢，可见，不同融雪剂随着使用浓度的变化，沥青摩擦系数变化情况不尽相同。

图4 不同融雪剂使用量下摩擦系数变化

图5 不同融雪剂使用量下摩擦衰减率变化

2.3 温度与融雪剂摩擦系数的影响

由第18页图6可以看出，在0 ℃以上随着环境温度的升高，撒布融雪剂后路面摩擦系数不断增大，可能由于温度升高，沥青逐步被软化，沥青黏附力影响摩擦系数。温度低于0 ℃时，随着温度的降低橡胶变硬，撒布融雪剂的沥青路面摩擦系数升高，但是温度降到-15 ℃，路面摩擦系数又开始降低。当温度接近-15 ℃时，实验中的沥青表面可以迅速形成一层很薄的冰膜，薄冰层在对摆式摩擦仪实验过程中的摩擦有润滑作用，使得摩擦系数骤然降低。同一种融雪剂使用浓度越高，其状态就越黏稠，路面摩擦系数逐渐降低。不同质量浓度的融雪剂随着温度变化，沥青路面摩擦系数变化规律一致。

图6 不同温度与融雪剂摩擦系数关系

3 结论

1) 低于0 ℃条件下未撒布融雪剂路面随着温度的降低摩擦系数不断增大，温度高于0 ℃时，随着温度的升高，干基路面的摩擦系数变化平缓略有增加。

2) 不同融雪剂、使用不同质量分数、不同环境温度对路面摩擦抗滑性能有着不同的影响。其中，随着融雪剂质量分数的增加，撒布融雪剂后的路面摩擦衰减率不断增大；融雪剂溶液使用浓度提高，溶液状态会越滑润，界面间的作用力减小，摩擦系数减小。不同类型的融雪剂摩擦系数指标也存在较大差异。在0 ℃以上随着环境温度的升高，撒布融雪剂后路面摩擦系数不断增大；温度低于0 ℃，撒布融雪剂的沥青路面摩擦系数升高，但是温度降到-15 ℃，路面摩擦系数又降低。

3) 在冬季实际情况下，建议选择低温条件下路面摩擦衰减率最小的融雪剂，既能快速融雪化冰，又能保证行车安全。