潮湿山区路面凝冰机理与凝冰环境预测模型研究

During winter, the pavements located in moist mountain area especically in the plateau areas such as Yunnan, Guizhou and Sichuan provinces are subjected to severe climatic conditions associated with freezing rain and ice. Currently, the icing problem on pavement has been the technical issue which should be solved during the highway construction and administration in those areas. In view of the problem, the icing environment pavement in moist mountain area is selected to be the study object, and a series of laboratory tests will be conducted to examine the effect of the environment temperature, air humidity, temperature of pavement surface, wind speed, rainfall pattern and pavement drainage slope on the ice formation of pavement, which present experiment support to illustrate the freezing mechanism of ice and determine the critical condition of ice formation on pavement under different conditions. Moreover, The adhesion between pavement surface and ice, ice rigidity as well as the pavement surface friction under the icing condition will be tested, of which the test results can offer the guidence of the deicing echnology option and the pavement safety early-warning. Then, based on the analysis of laboratory tests, a reasonable and effective prediction model will be presented to evaluate the ice formation on pavement. Further, the field tests of which the results can be used for comparison with laboratory test results and vilidate the prediction model of ice formation to improve its reliability, will be conducted to obtain the speed of ice formation, adhesion of ice on pavement, the ice rigidity and pavement surface friction. The research can offer the experimental and thoeretical foundation for studying early-warning system of ice formation on pavement, anti-icing technology and deicing technology of pavement.

云贵川高原潮湿山区路面冬季易于结冰，给交通安全造成了恶劣影响，凝冰问题已成为现阶段该地区公路建设和管理必须解决的重大技术难题。针对上述问题，本课题以路面凝冰环境为研究对象，开展一系列室内路面凝冰模拟试验，模拟形成凝冰的要素(大气温度、大气湿度、路表温度、风速、降雨以及路面排水)，为路面凝冰形成机理分析提供试验依据以确定路面凝冰形成的临界条件。通过室内试验测试路面凝冰与路面材料的粘附性质、凝冰硬度以及凝冰状态下的路面摩擦系数，为路面除冰雪技术的选择以及路面安全预警提供指导。基于凝冰形成机理和室内试验的分析结果，提出有效的路面凝冰环境预测模型。通过现场试验测试路面在不同环境下的凝冰速度、凝冰与路面的粘附性质、凝冰硬度以及路面摩擦系数，对比室内试验结果以及验证路面凝冰环境预测模型的可靠度，进一步提高预测模型的有效性，为路面凝冰预警系统、路面抗凝冰技术以及融冰雪技术研究提供试验和理论基础。

本项目按照研究计划开展了研究，全面地完成了研究内容，达到了预期考核指标，获得了以下研究成果：.(1) 采用光纤式结冰传感器测试了不同降水温度和路面温度条件下的路面结冰厚度和结冰完成时间。试验表明：路面结冰完成时间整体上随路面温度降低而减少，随雨水温度增大而上升；2℃以下的雨水温度在约-2℃路面温度下，形成1mm冰需要时间不超过10min，4℃雨水在路面温度处在-1~-3℃条件下，形成6mm以内冰的时间不超过30min。.(2) 测试了不同路面构造深度的路面在不同冰面温度条件下冰与沥青路面之间的法向和水平粘附力，并获得了不同路面构造深度条件下的凝冰粘附强度随冰温度的变化规律。试验结果表明法向和水平粘附强度分别与冰面的温度之间呈较好的对数曲线关系和线性关系。无论是水平还是法向粘附强度，在相同冰温度条件下，构造深度大的表面的凝冰粘附强度要大于构造深度小的表面的凝冰粘附强度。.(3) 进行了不同温度条件下的冰块单轴无侧限抗压试验，测试了冰加载过程中的荷载位移及应力应变曲线，计算获得了-10℃~0℃冰的单轴无侧限抗压强度值，并分析了不同温度条件下冰的破坏形式及其影响因素。试验结果表明温度高于-8℃冰的单轴无侧限抗压强度与冰温度之间呈较好的线性关系，冰的压缩模量与冰温度之间呈较好的指数曲线关系；对于较低温度的冰压缩破坏过程属于剪切延性破坏，破坏后冰主要为条状；对于较高温度的冰属于压缩延性破坏，破坏后冰主要为小块细颗粒状。.(4) 采用摆式摩擦系数测定仪测试了不同温度和路面状态下沥青路面抗滑性能。基于试验结果，分析了不同湿滑类型路面的抗滑性能变化，讨论了路面温度对干燥、潮湿、结冰以及霜冻路面抗滑性能的影响，分析了凝冰路面构造深度变化导致的路面抗滑性能变化、积水路面水膜厚度以及行车速度对抗滑测试结果的影响。通过定量的试验分析，建立了不同路面状态下路面摩擦系数计算模型，并进行了路面摩擦气象指数等级划分。.(5) 在分析影响路面结冰气象条件因素的基础上，采用LS-SVM工具箱建立了路面结冰预测模型，并采用收集的气象数据验证了预测模型的可靠度。结果表明2小时预测时效内，温度预测值与实测值之间的相关系数大于93%，最大误差小于2.2℃，表明模型具有较好的预报水平。.(6) 发表学术论文3篇，其中SCI/EI检索论文1篇，CSCD源刊论文2篇（录用待刊）；申请并获得实用性新型专利1项。