不同降雪量下 icy 道路摩擦系数的测定

摘要

本文介绍了一种在室内测定不同冰层厚度路面摩擦系数的方法。完整步骤包括设备准备、降雪量的计算与分析、设备校准、摩擦系数测定以及数据分析。

摘要

路面结冰会导致摩擦系数显著降低，从而危及行车安全。然而，目前尚无研究提供冰层覆盖路面摩擦系数的精确数值，这不利于道路设计及冬季道路养护措施的选择。因此，本文提出一种用于测定冬季路面冰层摩擦系数的实验方法。实验采用英国便携式测试仪（BPT），又称摆式摩擦系数仪。实验分为以下五个步骤：设备准备、降雪量计算与分析、设备校准、摩擦系数测定以及数据分析。设备精度直接影响最终实验结果的准确性，文中对此进行了详细说明。此外，本文还提出了一种根据降雪量计算相应冰层厚度的方法。结果表明，即使是由极少量降雪形成的斑块状冰层，也可能导致路面摩擦系数显著下降，从而威胁行车安全。同时，当冰层厚度达到5 mm时，摩擦系数达到峰值，因此应采取防护措施，避免此类冰层的形成。

引言

路面摩擦力定义为车辆轮胎与下方路面之间的抓地力¹。在道路设计中，最常与路面摩擦力相关联的指标是路面摩擦系数。摩擦力是道路设计中最重要的因素之一，其重要性仅次于耐久性。路面摩擦性能与事故风险之间存在强烈而明确的相关性²。例如，道路交通事故率与路面抗滑性能之间存在显著的负相关关系^3,4,5。多种因素可能导致路面摩擦力下降，其中最直接且影响最大的因素之一是降雪⁶。具体而言，降雪会在路面上形成冰层，从而显著降低道路摩擦系数^7,8。一项针对影响芬兰南部交通事故率因素的研究指出，事故率通常在大雪天气达到峰值，当积雪超过10 cm时，事故率可能翻倍⁹。瑞典和加拿大的类似研究也得出了相近的结论^10,11。因此，研究积雪冻结路面的摩擦特性对于提升道路安全至关重要。

测定结冰路面的摩擦系数是....

方案

1. 仪器设备的准备

1. BPT
   1. 确保BPT（图1）处于有效使用期限内，且表面清洁无损。
      注：BPT的组成部分包括底座、调平螺旋、调平气泡、指针、摆锤、提升螺旋、紧固螺旋、手柄和刻度盘。
2. 沥青板
   1. 确保实验所用沥青混合料试样的尺寸为30 cm × 30 cm × 5 cm。
3. 冷冻设备
   1. 确保所用冷冻设备能够在-20 °C至0 °C范围内自由调节温度。
4. 准备实验中使用的其他设备：三脚架、量筒、橡胶片、路面温度计、滑动长度尺和刷子。
   注：实验所用橡胶片的尺寸为6.35 mm × 25.4 mm × 76.2 mm，且应满足表1²⁴中规定的质量要求。
   1. 确保橡胶片无以下任何缺陷：1）油污；2）横向边缘磨损超过3.2 mm；或3）纵向磨损超过1.6 mm。
   2. 使用新的橡胶片前，需先在干燥表面上用BPT测量10次，确认合格后方可用于正式测试。

2. 降雪量的计算与分析....

结果

表4中的7号样品为干燥样品对照组，其余1至6号样品则对应从极轻度降雪到特大暴风雪所形成的冰层厚度。

比较7号样本与其他六个组时，观察到结冰显著降低了路面的摩擦系数。此外，随着冰层厚度的增加，路面摩擦系数进一步降低，而冰层厚度在达到5 mm时趋于稳定，相当于中等降雪量。最终冰面摩擦系数约为干燥和湿润样本表面摩擦系数的25%。

根据样本1，极少量降雪对路面摩擦系数具有显著影响。此外，即使冰层非常薄，微量降雪所导致的路面结冰仍使路面摩擦系数相比对照样本7降低了约50%。对于样本4、样本5和样本6，其最终平均BPN值相同，这表明冰层的路面摩擦系数趋于稳定，因此无需测量更厚冰层的摩擦系数。

对于样品2、样品3和样品4，表面摩擦系数呈现逐渐降低的趋势。上述样品分别对应2 mm、5 mm和11 mm的冰层厚度。理论上，这些样品的摩擦系数应基本一致，而实际测得2 mm冰层的摩擦系数更高。分析表明，其原因有两点：第一，在冰层厚度为2 mm时，冰层中样品表面.......

讨论

本文探讨了使用BPT测试冰面路面摩擦系数的实验步骤。有几个要点需要进行全面分析，本文将对此进行详细讨论。首先，在沥青混合料试样制备方面，应尽量采用道路石油沥青来制备试样，但这并非强制要求。沥青混合料试样的制备必须严格遵循ASTM（D6926-20）实验规程，因为这会影响最终结果的准确性²⁵。如果由于级配不当导致最终试样的摩擦系数过大或过小，则必须重新制备并再次测试试样。制备好的沥青板应按照相关要求进行养护。

另一个关键步骤是降雪量的计算。积雪是降水的结果。根据中华人民共和国气象局开展的研究，降雪量可通过以下方法测量：使用标准容器将12小时或24小时内收集的雪融化为水，再用量杯测量其数值，单位为毫米（mm），其中1 mm的降雪量约相当于8 mm的积雪深度²⁶。实验用预制沥青混合料试样的尺寸为30 cm × 30 cm × 5 cm，沥青板上1 mm降水对应的水体积为30 cm × 30 cm × 0.1 cm = 90 cm³。根据此计算方法，可推导出对应试样在冰层厚.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
刷子	深圳市华瑞刷业有限公司	L-31
冷冻设备	海尔集团	BC/BD-251HD
量筒	肇庆市高新技术产业开发区强宏塑料模具有限公司	lb1
路面温度计	福禄克电子仪器公司	F62MAX
摆式摩擦系数仪	沭阳县公路仪器有限公司	/
橡胶片	江苏沭阳新晨公路仪器有限公司	785120123500
滑动长度尺	江苏沭阳新晨公路仪器有限公司	785120123500
三脚架	杭州瑞祺贸易有限公司	TRGC1169