摘要
为了定量表征冰雪天气沥青路面的抗滑性能，在气候实验室内模拟了结冰路面、积雪路面和积雪消融路面的状态，用摆式仪和T2GO摩擦系数测试仪分别测试了摆值（BPN）和摩擦系数，用维萨拉移动检测器检测了冰层、雪层和水膜的厚度；对于不同的冬季路面状态，基于引起抗滑性能衰变的主要因素提出了摩擦系数预测方法.结果表明：结冰路面的抗滑性能主要受冰层厚度的影响；积雪路面的抗滑性能受雪层内部层间滑动的影响；积雪消融过程中，雪层表面形成的薄冰层会使路面抗滑性能显著降低；结冰路面的摆值与摩擦系数存在较好的线性关系.
路面的抗滑性能对行车安全具有十分重要的影
直接测试路面摩擦系数的设备可以分为连续测试设备（轮胎与路表面接触）和单点测试设备（橡胶滑块与路表面接触
冰雪天气路面的冰层和雪层是逐渐累积的，已有的研究探讨了多种因素对冬季路面抗滑性能的影响，但受野外环境的限制，测试只能在结冰或者降雪完成之后进行，因此无法对路面抗滑性能的衰减进行完整的预测.此外，摆式仪对冰雪覆盖路面的适用性也缺乏深入研究.本文在气候试验室内模拟了结冰路面、积雪路面和积雪消融路面的状态，并对路面冰雪覆盖物的特征进行监测，使用T2GO摩擦系数测试仪和摆式仪分别测试了路面的抗滑性能，最后针对不同的冬季路面状态建立了摩擦系数预测模型，为高速公路的智能管控提供帮助.
本试验在先进的气候实验室内开展，可以控制环境温度，并模拟降雨和降雪，使雪花的细观特征与自然降雪非常接近.气候实验室的高度达5 m，喷淋的出口位于实验室顶部，但由于人造雪花是通过强风从喷淋出口喷出，因此试验路面不同位置的雪层厚度并不能做到完全均匀.测量结果表明，在一次降雪中，雪层厚度的最大偏差为5 mm.试验所用的测试路面由10块车辙板拼接而成，每块车辙板的长度和宽度均为30 cm，高度为5 cm，路面总长度为3 m.采用SMA‑13的沥青混合料，沥青质量分数为6%，含气量（体积分数）为3.6%，其级配如
| Sieve size/mm | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Passing ratio(by mass)/% | 100.0 | 92.5 | 62.5 | 27.2 | 19.5 | 16.5 | 14.3 | 12.2 | 11.5 | 10.3 |
用MD30维萨拉移动路面检测器，对路面的冰层、水膜和雪层的厚度（δ）进行检测，检测点固定在试验路的中间位置.该设备带有1个红外发射器对准道路表面选定位置，发射光从被测地点反射进入接收器进行整合.检测器能够区分路面水或冰引起的特定波长的反射，也可以探测到雪或霜.它通常安装在自然驾驶车上，用于检测车辆轮迹带范围内的路面状态，检测精度为0.01 mm.
由于在环境舱内大型的测试设备难以使用，为了测试路面的抗滑性能，使用摆式仪和T2GO便携式连续摩擦系数测定仪分别进行测试.T2GO摩擦系数测定仪包含了2个测试轮，可以连续采集路面的摩擦系数（μ），每0.1 m获取1个测试结果，每个摩擦系数的结果是21个数据点的平均值.T2GO摩擦系数测定仪可将轮胎的滑移率控制在20%以内，能够有效模拟车轮刹车时的滚动特征，这对测试积雪路面的摩擦系数是非常有益的.与此同时，使用摆式仪测试路面的摆值（BPN），在正常路况使用摆式仪时需要洒水使路面处于湿润状态，但在本试验中由于路面已经覆盖冰层或者雪层，因此测试时将滑块直接作用于路面.
在测试过程中，首先通过喷洒水雾、降雪或升温等手段，模拟冰雪覆盖物的累积和消融，然后进行相关测试.
在冬季，可能因为除雪后道路表面湿润积水导致结冰，也可能因为冻雾、冻毛毛雨或冻雨形成暗冰，给车辆的行驶安全带来不良影响.为了模拟这些结冰现象，先在室温下对路面降水使其完全湿润，然后快速降低环境温度，使路面形成冰层，并完成相关测试；紧接着，将路面温度控制在-6~-5 ℃，使用喷壶对路面喷洒水雾，每次喷洒完成后等待5 min，然后完成相关测试；最后，使用环境舱的覆冰功能在-5 ℃进行低温降水，直到冰层完全覆盖路面宏观纹理，形成厚冰路面用于测试结冰路面抗滑性能的最小值.
在-10 ℃下对干燥路面先后进行3次人工降雪，每次降雪的浮雪厚度为5~8 mm.降雪完成后先测试浮雪或浮雪-压实雪混合路面的抗滑性能，然后利用T2GO摩擦系数测定仪的测试轮对浮雪来回碾压5次形成压实雪路面，再对压实状态的积雪路面进行测试.为研究温度变化对积雪路面抗滑性能的影响，在第3次降雪完成测试后，逐级升高环境温度至0 ℃，测试不同温度条件下积雪路面的摩擦系数.
结冰路面的表面形态如
图1 结冰路面的表面形态
Fig.1 Surface morphology of icy pavement
由
喷洒水雾过程中路面覆盖物的厚度见
图2 喷洒水雾过程中路面覆盖物的厚度
Fig.2 Thickness of road surface contamination during water mist spraying
图3 结冰路面抗滑性能测试结果
Fig.3 Test results of skid resistance performance of icy pavement
压实雪路面的表面特征如
图4 压实雪路面的表面特征
Fig.4 Surface feature of compacted snow pavement
与冰层相似，轮胎橡胶与雪层接触也会导致路面的抗滑性能下降；然而，由于雪层柔软、疏松的特性，轮胎橡胶与雪层下面路表宏观纹理的相互作用依然有效，并且轮胎橡胶嵌入雪层也具有提升摩擦力的作用，因此积雪路面抗滑性能的整体水平高于结冰路面.雪降落在路表时首先呈浮雪状态，经轮胎荷载碾压转变为压实状态.在交通量较大的情况下路面不会聚集太多的浮雪，而在交通量较小的情况下会出现底层积雪压实而表层积雪松散的混合状态.
图5 积雪路面摩擦系数测试结果
Fig.5 Test results of the friction coefficient for snow‑covered pavement
雪层与粗集料表面之间的黏结力不及冰层牢固，因此除了橡胶-雪层界面摩擦力较低之外，雪层内部的相对滑动也会影响积雪路面的抗滑性能.对于浮雪-压实雪混合状态的积雪路面，在轮胎碾压的过程中浮雪与压实雪之间暂未形成有效黏结，如果此时浮雪受宏观纹理的约束不足，则会出现较大程度的雪层内相对滑动，导致摩擦力下降.因此，当底层压实雪厚度增加，填充粗集料间隙导致构造深度减小后，宏观纹理对浮雪的约束下降，路面的抗滑性能明显降低.
对于压实状态的雪层，部分积雪嵌入宏观纹理内，同时雪层内部具有较强的黏结力，轮胎制动过程中不易发生层间相对滑动，因此雪层厚度增加没有明显影响压实状态积雪路面的抗滑性能.但是路表温度上升会使压实的雪层蓬松，降低雪层内的黏结力，导致摩擦系数减小.
图6 积雪消融路面的局部特征
Fig.6 Local features of the snow‑melting pavement
积雪消融过程中路表覆盖物厚度的变化及积雪消融路面的抗滑性能的分别见图
图7 积雪消融过程中路表覆盖物厚度的变化
Fig.7 Thickness variation of road surface contamination in snow‑melting process
图8 积雪消融路面的抗滑性能
Fig.8 Skid resistance performance for snow‑melting pavement
由图
摆式仪是一种常用的测试路面抗滑性能的设备，测试范围为12.60 mm×7.62 mm，仪器滑块对路面的正常静压力为（22.2±0.5） N，摆式仪的摆锤下落最大速率为10.2 km/h，摆式仪的测试对象一般为湿润的沥青路面.
对于积雪路面，一方面由于摆式仪在测试过程中无法压实路表的浮雪层；另一方面在摆锤摆动的过程中，滑块极易将压实的雪层清除破坏，造成无法对测试点完成重复试验，所以摆式仪对积雪路面并不适用.对于结冰路面和积雪消融路面，在测试过程中摆式仪滑块均与冰层接触，BPN与摩擦系数表现出相似的变化趋势.这两项指标之间存在较好的线性关系（如
图9 结冰路面及积雪消融路面BPN与摩擦系数的关系
Fig.9 Relationship between BPN and friction coefficient for icy pavement and snow‑melting pavement
为实时评估冰雪覆盖路面的摩擦系数，本文基于监测点所在车辙板的冰雪覆盖物厚度和摩擦系数的实测数据，采用非线性回归的方法建立了摩擦系数预测方程.
图10 结冰路面和积雪消融路面摩擦系数的拟合曲线
Fig.10 Fitting curves of friction coefficient for icy and snow‑melting pavement
对于结冰路面，冰层通过覆盖粗集料表面的微观纹理以及粗集料间隙组成的宏观纹理降低路面的抗滑性能，因此冰层厚度对结冰路面的摩擦系数具有决定性的影响.由
对于消融的积雪路面，表面的雪层会转变冰层，虽然制动过程中轮胎橡胶只与表面的薄冰层接触，但冰层下尚未消融的雪层也发挥着掩盖路表原始纹理的作用，因此冰层与雪层均对路面的抗滑性能产生负面影响.积雪消融路面的冰雪总厚度与摩擦系数之间存在较好的指数函数关系，拟合优度
对比积雪消融路面和结冰路面的摩擦系数拟合曲线：当覆盖物厚度大于0.5 mm时，两条曲线基本重合；而当覆盖物厚度小于0.5 mm时，积雪消融路面拟合曲线的摩擦系数数值更大.这是因为在积雪消融时，粗集料顶面的纹理和棱角最先出露，残余的冰雪混合物位于粗集料的间隙，而间隙冰层对路表抗滑性能的影响相对较小，因此积雪消融路面的摩擦系数较大.雪层与粗集料表面之间的黏结力不及冰层牢固，因此雪层内部的相对滑动也是影响积雪路面抗滑性能的关键因素.
对于浮雪或者浮雪-压实雪状态的路面，雪层厚度是决定雪层内层间滑动的关键.对于压实状态的积雪，雪层内部的层间相对滑动主要受路面温度的影响，对路面温度和摩擦系数数据进行拟合，结果如
图11 压实状态积雪路面摩擦系数拟合曲线
Fig.11 Fitting curves of friction coefficient for the compacted snow pavement
（1） 冰层对路面纹理的覆盖阻碍了粗集料表面与轮胎橡胶接触，是导致结冰路面抗滑性能下降的主要原因.冰层厚度与路面的摩擦系数存在较好的相关性.
（2） 雪层内的层间滑动是影响积雪路面抗滑性能的关键因素.对于浮雪-压实雪混合状态的路面，雪层厚度增加会降低路面对雪层的稳固作用，导致层间相对滑动加剧；对于压实状态的积雪路面，路面温度上升使雪层蓬松也会加剧层间相对滑动.积雪消融时路面会形成薄冰层，使路面的摩擦系数明显降低.冰雪总厚度与摩擦系数存在较好的相关性.
（3） 对于结冰路面，摆值与摩擦系数存在较好的线性关系.滑块的滑动与轮胎的滚动存在较大的差异，摆式仪无法对浮雪和压实的积雪路面进行抗滑性能测试.
（4） 结冰路面、积雪路面和积雪消融路面的摩擦系数随着路表覆盖物厚度的变化不断改变，导致每种路面状态的摩擦系数并不存在代表值，而是在较大的区间内变动.
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