（材料学专业论文）抗凝冰沥青混合料技术研究.pdf

辫 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：赢提 日期：，年月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：习毛攫 指导教师签名：酬 日期：z ，年6 月f ，；日 日期：矽lf 年占月 多日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 享受相关权益。 学位论文作者签名刁覆攫 指导教师签名：p 簪刃所司 日期：刀力年多月肜日 日期：矽i 年占月 f 弓日 我国云贵川高原山区冬季潮湿多雨，路面极易形成凝冰而使其抗滑能力大幅 度降低，既降低了道路的通行能力，容易产生恶性交通事故，又会对道路及其附 属构造物产生破坏，严重时还会造成交通中断、人们的生活和生产无法正常进行， 甚至危害人民生命和财产的安全。这给我国道路工程技术人员提出了新的课题， 建设具有抗凝冰性能的路面已迫在眉睫。因此，本文结合贵州省科技支撑项目云 贵川高原潮湿路面凝冰( 暗冰) 防治技术研究，进行了抗凝冰沥青混合料的研究。 本论文通过试验研究及理论分析，通过制备抗凝冰集料入手，解决了抗凝冰沥青 混合料的目标配合比设计和抗凝冰性能评价等问题，同时保证抗凝冰沥青混合料 高温性能、低温性能、水稳定性能等路用性能满足规范要求。此外还对抗凝冰微 表处的配合比设计和抗凝冰性能评价做了初步研究。 本文主要成果有：通过对凝冰的形成机理和盐的除冰机理分析，选用氯化钠 和氯化钙作为本文研究用抗凝冰成分用盐，制备出抗凝冰沥青混合料用集料，通 过室内试验，证实了氯化物的缓释性、抗凝冰的可能性；通过等体积替换法则将 抗凝冰集料替换成密度相差很大的普通集料，组成了全新的抗凝冰沥青混合料， 使用浸渍法，准确求得其在不同油石比下的最大理论相对密度，通过马歇尔试验， 确定其最佳油石比；通过室内试验对比分析，评价抗凝冰沥青混合料的抗凝冰效 果，证明其作为一种特殊的沥青混合料能有效降低山区凝冰灾害多发区的路面结 冰点，减小了凝冰的产生概率，同时保证高温性能、低温性能、水稳定性能等路 用性能满足规范要求；此外还将抗凝冰沸石集料应用于微表处中，对抗凝冰微表 处的配合比设计和抗凝冰性能评价等问题做了初步研究。本文最终表明，抗凝冰 沥青混合料具有良好抗凝冰性能，能有效降低冬季路面冰点，同时也具备了很好 的高温性能、低温性能、水稳定性能，具备了优异的路用性能，在云贵川高原凝 冰多发山区的公路建设中拥有广阔的应用前景。 关键词：抗凝冰沥青混合料；抗凝冰集料；配合比设计；抗凝冰性能；路用性能 a bs t r a c t m m n a n g u i z h o up l a t e a ui nc h i n as i c h u a nm o u n t a i nh u m i da n dr a m ym w i n t e r , t 1 1 er o a dt oe a s i l ys l i i l et h ef o r m a t i o no fc o n d e n s a t i o no fi c ea n d as i g n i f i c a n tr e d u c t i o n i nc a p a c i t y , n o to n l yr e d u c e st h er o a dc a p a c i t y , i ti se a s yc r e a t i n g av i c i o u s 仃a n l c a c c i d 印峪锄dr o a da n di t ss u b s i d i a r ys t r u c t u r e sw i l lp r o d u c ed a m a g e 啪a l s oc a u s e s e f i o u st r r f e cd i s r u p t i o n , p e o p l e sl i v i n ga n dp r o d u c t i o nc a n n o tb en o r m a l ，a n de v e n 豇l d a n 星r c rp e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t y t h i sg i v e so l l rr o a de n g i n e e r ss o u n d e dt h ea l a r m , b _ u i l d i n gr o a d sw i t ha n t i c o a g u l a n tp r o p e r t i e so fi c ei s i m m i n e n lt h e r e f o r e ，t h i sp a p e r s l l p p 砸t h en a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t ”y u n n a n , g u i z h o u , s i c h u a np l a t e a u p o u rw e tg r o u n di c e ( d a r ki c e ) c o n t r o lt e c h n i q u e s ”，w e r ea n t i c o a g u l a n tm i x t u r eo f l e e 砥sp a p e r ，t h r o u g he x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so fa g g r e g a t e t h r o u g h t h ep r e p a r a t i o no fi c es t a r t i n ga n t i c o a g u l a t i o n , t h ea n t i c o a g u l a n ts o l u t i o nm i x t u r eo f 1 c e 9 0 a li c em i xd e s i g na n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fa n t i c o a g u l a t i o na n do t h e r 1 s s u e s ， w l l i l e e n s u r i n gh i g h t e m p e r a t u r e a s p h a l ta n t i c o a g u l a n tp r o p e r t i e s o fl c e ， l o w t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，s u c h 嬲w a t e r , r o a dp e r f o r m a n c ea n ds t a b l ep e r f o r m a n c e t o m e e tr e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , t h er e s u l t sa l e ：t h ef o r m a t i o no fi c eo nc o a g u l a t i o nm e c h a n i s ma n d m em e c h a l l i s mo fd e i c i n gs a l t ，s o d i u mc h l o r i d e a n dc a l c i u mc h l o r i d eu s e d 弱 趾t i c o a g u 王a i l ti c es t u d i e dc o m p o s i t i o nw i t hs a l t , p r e p a r e dw i t ha n t i c o a g u l a n t m i x t u r eo f i c ea g 掣e g a t et h r o u g hl a b o r a t o r yt e s t s ，c o n f i r m e dt h er e l e a s eo fc h l o r i d ec a nb e ，t h e p o s s i b i l i t yo fi c ea n t i c o a g u l a t i o n ；b yl a w t or e p l a c ea ne q u a lv o l u m eo fl c ea g g r e g a t e a n t i c o a g u l a n tr e p l a c et h ev a s td i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed e n s i t yo f o r d i n a r ya g g r e g a t et o f o 朋an e wa n t i c o a g u l a n t i c em i x t u r e ，u s i n gt h ei m m e r s i o nm e t h o d ,o b t a i n t h e m a x i m u mt l l e o r e t i c a lr e l a t i v ed e n s i t y , t h r o u g ht h em a r s h a l lt e s t ，t od e t e r m i n e i t sm o s t r e c e n t a s p h a l t ； c o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s t oe v 砒眦 觚t i c o a g u l 觚ta n t i c o a g u l a n tm i x t u r eo fi c ei c ee f f e c t , 嬲ap r o o f o fs p e c i e so fs p e c l a l a s p l l a l tm i x t u r ec a nr e d u c et h em o u n t a i no f i c ep o u rt h er o a di si c yd i s a s t e r - p r o n e 黜勰 p o i n t , r e d u c i n gt h ep r o b a b i l i t y o fc o n d e n s a t ep r o d u c e di c e ，w h i l em a i n t a i n i n gh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，l o wt e m p e r a t u r e ，w a t e r , r o a dp e r f o r m a n c e a n ds t a b i e p e r f o r m a n c e 。e t e t om e e tt h es p e c i f i c a t i o n s ；b r i e f e da n t i c o a g u l a n t i c ea s p h a l tp a v e m e n t c o n s n l l c t i o nt e c h n o l o g y , t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s ss h o u l db en o t e dt h a tt h ep r o b l e m l s g o o dp e r f o r m a n c e ，c a nr e d u c et h ef r e e z i n gp o i n to f t h ew i n t e rr o a d , b u ta l s oh a sg o o d h i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，l o wt e m p e r a t u r e ，w a t e rs t a b i l i t y , w i t has u p e r i o rr o a d p e r f o r m a n c e ，t h ey u n n a n ，g u i z h o u , s i c h u a np l a t e a up o u ri c e - p r o n em o u n t a i nh i g h w a y c o n s t r u c t i o nh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：a n t i c o a g u l a n tm i x t u r eo fi c e ；a n t i c o a g u l a t i o ni c ea g g r e g a t e ；m i xd e s i g n ； a n t i c o a g u l a n tp r o p e r t i e so fi c e ；r o a dp e r f o r m a n c e 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 凝冰灾害预警措施研究4 1 2 2 路面积雪处治措施研究5 1 2 3 抗凝冰路面技术研究6 1 2 4 凝冰灾害应对措施研究8 1 3 主要研究内容1 0 第二章抗凝冰盐的选择及蓄盐集料的制备1 2 2 1 盐类的除冰机理分析1 2 2 1 1 冻雨的形成机理分析1 2 2 1 2 盐类的除冰机理分析1 3 2 2 抗凝冰盐的理化性质及其选择1 4 2 2 1 各种抗凝冰盐的理化性质1 4 2 2 2 研究用抗凝冰盐的选择1 6 2 3 蓄盐集料的制备及性能检验1 6 2 3 1 沸石简介1 6 2 3 2 蓄盐沸石集料的制备1 8 2 3 3 蓄盐沸石集料氯离子可释性研究2 1 2 4 本章小结2 3 第三章抗凝冰沥青混合料配合比设计2 5 3 1 抗凝冰沥青混合料a c 1 3 配合比设计2 5 3 1 1 沥青混合料设计方法2 5 3 1 2 抗凝冰沥青混合料配合比设计2 6 3 2 原材料2 8 3 2 1 结合料2 8 3 2 2 集料和矿粉2 8 3 2 3 沸石集料3 l 3 3 矿料级配设计3 1 3 3 1 级配设计3 l 3 3 2 体积换算3 3 3 4 抗凝冰沥青混合料a c - 1 3 最佳沥青用量的确定3 3 3 4 1 理论最大相对密度3 3 3 4 2 最佳沥青用量的确定3 5 3 5 本章小结3 8 第四章抗凝冰沥青混合料的性能研究4 0 4 1 混合料抗凝冰性能研究4 0 4 1 1 抗凝冰沸石集料试件破碎观测4 0 4 1 2 抗凝冰成分可释性研究4 1 4 1 3 抗凝冰效果观测及评价4 6 4 2 混合料高温稳定性5 0 4 2 1 高温性能试验方法5 1 4 2 2 车辙实验5 2 4 3 混合料低温性能5 4 4 3 1 混合料低温性能试验方法5 5 4 3 2 混合料低温弯曲试验5 7 4 4 混合料水稳定性能5 8 4 4 1 浸水马歇尔试验5 9 4 4 2 冻融劈裂试验6 0 4 5 本章小结6 2 第五章抗凝冰微表处的性能研究6 3 5 1 抗凝冰微表处的配合比设计6 3 5 1 1 原材料6 3 5 1 2 配合比设计与调整6 4 5 1 3 抗凝冰微表处配合比6 8 5 2 抗凝冰微表处的抗凝冰效果研究6 9 5 2 1 抗凝冰效果评价6 9 5 2 2 除冰机理分析7 2 5 3 本章小结7 3 第六章结论及展望7 4 6 1 本课题的研究总结7 4 6 2 本课题的研究展望7 4 致谢7 6 参考文献7 7 在学期间发表的论著及参与的科研项目7 9 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论弟一旱硒记 2 0 0 8 年1 月1 0 日，一场持续近1 个月的低温、冻雨天气袭击了中国南方十九 个省、自治区、直辖市，其影响范围之广、所造成的灾害之重为历史罕见，属五 十年一遇，部分地区为百年一遇。此次灾害天气是在全球气候变暖背景下，受拉 尼娜极端气候影响所致。受灾害影响，中国南方大部分地区交通中断，电力、供 水设施遭受重创，春运受阻，群众日常生活受到严重影响，见图1 1 、图1 2 所示。 时值春运高峰，南北交通大动脉京珠高速公路广东、湖南段被冰雪覆盖断路，积 压了大批车辆，受困者有的长达十几天。广卅i 、杭州等地的火车站大批旅客滞留， 许多旅客不得不留在当地过年。几十万子弟兵和武警战士，数十万警力，1 8 万电 力抢修人员，成千上万名干部群众都紧急行动起来。投入人员之众、物资之多， 为1 9 9 8 年抗洪以来所仅见。截止2 月1 2 日，灾害波及2 1 个省( 区、市、兵团) ， 因灾死亡1 0 7 人，失踪8 人，紧急转移安置1 5 1 2 万人，累计救助铁路公路滞留人 员1 9 2 7 万人：农作物受灾面积1 7 7 亿亩，绝收2 5 3 0 万亩；森林受损面积近2 6 亿亩；倒塌房屋3 5 4 万间；因灾直接经济损失1 1 1 1 亿元。其中湖南、贵州、江西、 安徽、湖北、广西、四川等省( 区) 受灾较为严重。 图1 1 冻雨导致电力输送中断 f i g u r e1 1f r e e z i n gr a i nc a u s e dp o w e r r e s u l tt r a n s m i s s i o ni n t e r r u p t e d 图1 2 路面凝冰导致交通事故频发 f i g u r ei 2r o a dt r a f f i ca c c i d e n t sf r e q u e n t l y i nc o a g u l a t i o no fi c e 2 0 0 8 年这场凝冰灾害给交通运输行业造成了大量资产损失，尽管无法计算仅 由公路网阻滞造成的经济损失，但此次灾害中，贵州、湖南、广东等8 省市公路 直接损失高达1 5 0 亿元，其中高速公路损失达7 2 亿元，减少公路通行费征收1 7 亿 元，见表1 1 所示【1 1 。 2第一章绪论 表1 12 0 0 8 年凝冰灾害损失情况统计表 t a b l e1 1s t a t i s t i c si c ed i s a s t e ri o s s e r 公路灾害损失( 亿元)救灾投入通行费损失 省份 高速公路 普通公路农村公路合计 ( 亿元)( 亿元) 贵州 3 25 0 35 7 21 3 9 5 1 81 2 湖南 4 71 3 4 4 4 6 4 4 4 7 78 6 广东 3 0 9 o 6 9o 5 64 3 42 7 51 3 7 湖北 1 55 54 21 1 22 2 71 1 4 浙江 6 2 7r 5 5 23 0 11 4 81 9 2 o 3 江苏 o 2 73 6 43 1 57 0 6 1 5 20 4 1 安徽 78 1 2 2 7 1 5 6o 2 7 江西 3 1 9 2 8 80 8 96 9 61 4 53 5 “冻雨是贵州省最常见的灾害之一，几乎每年都有发生。在此天气下该地区 冬季路面很容易产生凝冰，影响路面的抗滑能力，降低道路的通行能力，交通事 故发生的潜在危险性大，严重时只有封闭交通，扰乱了人民群众的正常生活秩序， 给人们正常出行带来很大的影响。根据贵州省对于2 0 0 8 年冬季“冻雨”期间路面凝 冰损伤与凝冰处置对策造成的路面损伤调查，路面结构物受到的严重损坏主要表 现为2 l ： 凝冰造成路面自身的损伤 反复冻融降低了路面沥青结合料与集料的粘结能力及水泥混凝土强度。随着 水的浸入与结冰后体积膨胀，加剧了路面原有病害，并在凝冰作用下产生新的损 伤，如松散，剥落等病害，见图1 3 所示( 左图为加剧路面原有的病害，右图为凝 冰造成的路面松散) 。 第一章绪论 3 图为盐对路面的损坏，右图为盐对附属构造物的损坏) ；机械除冰雪也将造成路面 损伤，见图1 5 所示。 图1 4 除雪剂对路面及附属物的损伤 f i g u r e l 4d a m a g et os n o wr e m o v a la g e n to nt h er o a da n da d j u n c t 图1 5 除冰机械对路面造成的损伤 f i g u r e 1 5d a m a g eo fd e i c i n gm e c h i n e s o n t h er o a d 图1 6 防滑链对路面造成的损伤 f i g u r e l 6d a m a g eo fa n t i - s k i de h a i n s o n o n t h er o a d 凝冰期间车辆防滑措施对路面造成损伤 凝冰期间为了增加轮胎与路面的摩擦力，使用防滑链对路面造成的连续带状 损伤，见图1 6 所示。 由此可见，道路路面凝冰是一个需要认真分析与研究的重大课题。穿行于高 原潮湿山区的公路，冬季路面凝冰的形成往往与路段所处的地形地貌、海拔、气 候因素有关。同时，道路的一些特殊路段，例如桥梁结构物，其温度等指标不同 于常规道路，桥梁桥面铺装温度通常低于常规路面2 3 左右，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 到较为恶劣的地理条件，道路建设者们会迫不得己降低道路标准来确保通车，如 长下坡、陡坡急弯、高海拔、一侧悬崖等情况。从行车安全角度考虑，这些不利 的道路线形如果与路面凝冰结合到一起，则往往会对行车产生更大危害。 因此，开发具有主动除冰能力的路面结构和材料，利用路面特殊的力学特性 4 第一章绪论 或构造特性，通过行驶车辆反复碾压破碎路面薄冰层，无需其他人为辅助即可完 成清除凝冰的功效。路面抗凝冰技术的研究成果将在我国云贵川高原潮湿山区得 到完善和推广，并可应用于我国湖南、江西等潮湿山区公路建设中。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 凝冰灾害预警措施研究 目前，欧美、日本等发达国家正在相继建立不同形式的道路气象服务系统或 道路气象信息系统r w i s ( r o a dw e a t h e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，r w i s ) ，一些国家的交 通管理机构把r w i s 和智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) 进行整合， 通过准确及时的气象信息提高交通管理的智能化水平与交通安全方面的公共服务 能力3 1 。 我国在这方面研究起步较晚。近年来在国内开展了一些交通气象服务方面的 研究，在气候气象对道路交通安全影响的分析理论与方法方面积累了一些初步经 验，但在气象预报服务技术方面尚未形成系统的研究成果，也未能开展规模化的 高速公路气象服务。国家气候中心曾对我国气候气象及灾害性天气对交通系统造 成的影响进行了分析评述，指出对公路交通具有重要影响的灾害天气因素有暴雨 洪水、冰雪、风、雾及高温天气等，近年来气象工作者己经开始重视开展灾害性 天气与公路交通的相关研究，但尚未达到开展公共服务的层次。 随着公路交通气象服务需求增强，我国一些气象台站正在开始建设高速公路 沿线灾害性天气监测系统，但由于资金等条件的限制，进展比较缓慢，而且主要 集中于对单一气象现象的监测，有关“冻雨”造成路面凝冰灾害的预警措施更未 能得到系统研究。 在路面凝冰或积雪的道路交通安全预警研究方面，国外一些研究机构正在开 展应用的研究。 日本成田国际空港股份有限公司、三机工业株式会社、日立电线株式会社于 2 0 0 5 年共同申请了“路面结冰检测传感器及其设备方法、和路面结冰检测方法专 利( 公开号c n l 6 7 0 4 9 9 公开日2 0 0 5 0 9 2 1 ) 1 4 j 。该发明涉及的路面结冰检测传 感器，由感温部件、具有接触路面的感温部、和从该感温部竖直设置的鳍部组成。 鳍部呈t 字形，由高导热性金属制造。将具有光反射峰值波长随变形而变化的光 纤布拉格光栅( f b g ) 粘接在上述感温部件的鳍部上面。以壳体隔热部件包围上 述感温部件的鳍部和光纤。用光缆对在路面上设置规定数量的各路面结冰检测传 感器间进行连接，从光缆的一端射入脉冲光，接收从各路面结冰检测传感器来的 反射波长，来测量路面温度。 第一章绪论 5 能量吸收系统公司于2 0 0 2 申请了“路面结冰点监测系统和方法专利 ( 公开 号c n l 6 1 5 4 3 2 公开日2 0 0 5 0 5 1 1 ) 1 5 j 。该专利涉及一种改进的路面结冰点监测系统 和方法，包括改进的采样井，用于精确测量路面液体的结冰点，采用只需要两个 导体的温度传感器来接受功率以及发送和接收数字地址和温度信息，采用改进的 算法检测路面上液体的结冰点，采用传导性测量值验证检测到的结冰点，以及通过 因特网向远程计算机发送温度信息。 这些发明及其应用均以测定路表温度作为判识路表是否凝冰的标准，这样的 监测系统和预警应用尚不够完善，是否适应于“冻雨 引发的路面凝冰也未经实 际工程验证1 6 j 。 1 2 2 路面积雪处治措施研究 目前世界各国对于处理路面积雪已有相当经验，但多数处理路面积雪的措施 不一定适用于路面凝冰的处理。处理路面积雪措施大体上可以分为移除法和消融 法两大类：移除法主要是借助于人工或者机械设备等将积雪破碎并从路面转移到其 他场所，以保证路面交通安全；消融法主要是通过采用一定的融雪剂或者加热的 方法将积雪转化成可流动的水而排走。 人工移除法 采用人工、机械设备铲除积雪已有数十年应用历史，目前已经形成可以适应 各种情况的系列产品【_ ”。按照冰雪的物理性质，可以把雪划分为浮雪、中等密实程 度的实雪、高密实程度的实雪和高硬度冰雪等四种。若设备只能清除某一种类的 冰雪，则属于功能单一性冰雪清除设备；若能清除所有种类冰雪，则属于多功能 冰雪清除设备。利用人工、纯机械力清除冰雪的设备通常是指作业工具直接与冰 雪接触，并利用作业工具产生的纯机械力清除冰雪。 物理消融法 利用高温介质与积雪接触，通过二者之间的温度差产生热传递，从而将积雪 温度提高到熔点以上转化成流动水排走【8 】。洒水消融的方法适合于面积小，排水性 能好的场所，融化的冰水必须要迅速排走，否则易于再次结冰。地热管法是通过 管道将地热传到地表面来融雪化冰，但是建造和安装加热管道比较复杂，耗费时 间较长。流体加热法是采用自然的热水源或存储的太阳能来进行加热的方法，以 太阳能加热法为例，在夏季将太阳能产生的热能存储起来，在冬季里利用所存储 的热能来融化冰雪，物理消融法系统本身的建造和安装价格较高，并且除冰雪效 果并不是很理想一j 。物理消融法也适用于消除路面凝冰。 化学消融法 化学消融法也适用于消除路面凝冰。主要是向路面洒布一定量的防冻结化学 6 第一章绪论 材料，以降低结冰点，使路面冰雪溶化或者降低路面结冰程度i lo 】。其中，采用融 雪剂是最为广泛的应用方法。融雪剂种类繁多，主要有氯盐型和非氯盐型。到目 前为止，由于氯盐类融雪剂融化冰雪效果好、价格便宜，多数国家仍主要使用氯盐 类融雪剂。早期大都使用氯化钠，后来也使用氯化钙、氯化镁、氯化钾等( 据悉， 美国8 0 的融雪剂是氯盐类) 。在国际上通称氯盐类融雪剂作“化冰盐”( d e i c i n g s a l t ) 1 l j 。氯盐类融雪剂是一把“双刃剑 ，在融化冰雪的同时给道路、设施带来 了巨大的负面影响【1 2 ，主要体现在其腐蚀危害( 对基础设施、桥梁、道路、停车场、 地下管线、汽车等) 、冻融破坏( 对混凝土等) 和环境污染( 破坏植被、污染地下 水等) 。特别是腐蚀危害，已经成为世界性问题，以丹麦的哥本哈根地区为主，调 查了1 0 2 座桥，其中，5 0 的桥有严重的钢筋腐蚀破坏，其主导原因是使用了化冰 卦【1 3 】 皿 o 1 2 3 抗凝冰路面技术研究 路面主动除凝冰技术是利用路面特殊的力学特性或构造特性，通过行驶车辆 反复作用，无需其他人为辅助即可清除路面凝冰的技术，它包括物理类抗凝冰路 面和化学类抗凝冰路面，见图1 7 所示。 图1 7 具有主动除冰效果的抗凝冰路面 f i g u r e l 7a n t i c o a g u l a n te f f e c tw i t ha c t i v ei c er o a dd e i c i n g 物理类抗凝冰路面 1 ) 粗糙路面通过新建或加铺构造深度极大的路面抗滑磨耗层，以弥补凝冰 对构造深度造成的损失，提供足够的路表抗滑能力，减轻凝冰对路面行车安全的 影响，并通过较大的表面或内部集料间隙提供顺畅的排水通道，使路面抗滑功能 在凝冰期得以有效地维持。粗糙路面法在积雪不深，凝冰冰层较薄的潮湿山区公 路具有一定应用价值【1 4 】。粗糙类抗凝冰路面主要特点如下： a 宏观构造大 7 利用构造深度来弥补薄冰或暗冰对路面构造深度的损失，在行车压力下提供 较大的横向摩擦力，使路面在行车压力达到自动碎冰的效果。 b 良好的排水性能 粗糙型抗凝冰路面具有良好的排水性能，暗冰在融化后变成水，能及时将水 排走，不会在路面形成水膜，能有效维持路面良好的抗滑性能。 c 良好的耐久性 粗糙路面空隙率大小满足排水要求也不影响到路面的路用性能，用橡胶沥青 作胶结料，填料及添加剂为高粘接性，克服大空隙混合料易老化、易水损，集料 易松散等缺点，具有良好的耐久性。 2 ) 自应力弹性路面技术 通过在沥青路面材料内添加一定量的弹性颗粒材料，改变路面与轮胎的接触 状态和路面的变形特性，利用弹性材料局部变形能力较强的特性，通过路面在外 荷载作用下产生的自应力，使路面凝冰破碎融化，从而有效抑制路面凝冰。 自应力弹性路面是应用较广泛的抗凝冰路面，北美、日本、北欧的自应力弹 性路面中常用的弹性材料多为由废旧轮胎加工而成的橡胶颗粒，不但可以有效提 高路面的除冰雪能力，提高道路安全性能和运输效率，而且为废旧弹性材料的回 收利用提供科学、合理的新途径，利于环境保护，节省资源0 5 , 1 6 j 。 我国在自应力弹性路面这方面的研究也得到一定的成果与发展，基于我国东 北地区冬季寒冷、降雪及城市道路路面抗滑的需要，1 9 9 8 年哈尔滨建筑大学开始 了废旧轮胎橡胶颗粒沥青混凝土研究，在橡胶沥青混凝土中掺加橡胶颗粒以增加 路面压缩变形能力方面进行过研究，取得了一些初步研究成果，但对保证路面耐 久性方面的平衡有待进一步完善。2 0 0 6 年，重庆鹏方路面工程技术研究有限公司 开展了有关弹性浇注式沥青混凝土、高变形橡胶沥青混凝土的研究工作，完成了 本项目主要研究内容的早期工作。 目前，影响自应力弹性路面广泛应用的技术难点是高变形弹性颗粒与沥青胶 结料的粘附性不足，导致这类路面使用寿命不及常用的沥青路面层。 化学类抗凝冰路面 1 ) 化学法抗凝冰路面技术 a 将加入了氯化物的特殊水泥凝固物破碎，用它置换一部分碎石。铺装后， 氯化物逐渐从混合物的特殊骨材中溶出，发挥抑制冻滑效果。 b 用氯化物置换通常沥青混合物料中的一部分碎石、碎屑、砂等，均匀分散 在混合料中的氯化物有效成分逐渐溶出而发挥抑制冻滑效果。 c 用v - 2 6 0 粉末材料置换普通沥青混合料中的矿粉。v - 2 6 0 材料从铺装表面逐 渐溶出有效成分而发挥抑制冻滑效果。另外，由于v - 2 6 0 材料的耐热性很高，可应 8第一章绪论 用于采用改性沥青的混合料。v - 2 6 0 材料是非氯化学品，对环境腐蚀性小，在日本 使用较多，见图1 8 所示。 图1 8v - 2 6 0 包装和储存 f i g u r e1 8t h ep a c k a g i n ga n ds t o r a g ev 0 2 6 0 d 让多孔质的火成岩细粉末的空隙吸附氯化物等抗凝冰有效成分，再与细骨 料和石粉等进行置换，使混合料中分散的有效成分缓慢溶出而产生抑制冻滑效果。 e 在半柔性铺装的沥青混凝土空隙中注入吸水树脂，通过吸收聚合物盐( 无盐 害的醋酸钾等) ，使其形成水泥浆固定在半柔性铺装表层。这种聚合物盐类防冻剂 能持续保持抑制冻滑效果，具有6 年抑制冻滑功能恢复能力的特征。 此类方法均是以具有抗凝冰性能的化学物质置换混合料中的某种材料，混合 料中具有抗凝冰性能的化学物质通过渗透压力和毛细管现象溶出，或因路面磨耗 露出，以达到路面防冻和覆冰剥落的效果。 2 ) f a p 纤维路面技术 在高粘度改性沥青开级配混合物的空隙中，注入混合有吸收盐类和氯化物的 吸水性聚合物纤维，当路面除雪功能下降时可再散布氯化物等恢复冻结抑制功能。 日本在化学类抗凝冰路面技术上有一定研究，但在如何有效控制释放融冰材 料的浓度与数量方面仍需完善。 1 2 4 凝冰灾害应对措施研究 恶劣天气对高速公路行车安全的影响尤以浓雾及冰雪天气为甚。我国地域辽 阔，冬季大部分地区都会出现降雪，尤其是北方持续时间较长，最多时可达4 6 个月。因此，冰雪天气的处置是高速公路管理部门最重要的工作之一，其工作绩 效直接影响高速公路运营的经济效益和社会效益。冰雪天气，路面摩擦系数下降， 车辆容易出现侧滑现象，加之受“雪盲”效应干扰，驾驶员的视线及判断力可能 受到很大影响。由于高速公路具有车流量大、行车速度快的特点，因雪情引起的 交通事故明显多于普通公路，且经常是多车追尾相撞的重、特大恶性交通事故。 另一方面，我国冰雪天气的高峰期往往集中在春运这个一年中交通量的峰值时期， 第一章绪论 9 单方面采取“只堵不疏”式的封闭管制很可能造成人流、物流的中断，引发一系 列社会问题。因此，如何在“保安全”与“保畅通 两者之间取得相对的平衡， 己成为高速公路管理部门必须直面的问题。 对于冰雪灾害环境下的道路交通特别是高速公路交通管制手段并不能“一关 了之 ，而是应当采用管制、疏导与处治相结合的方法。在欧美等国，遇上极端天 气，高速公路同样有可能被管制，但由于采用了行之有效的预警机制，通过“智 能交通 的引导，配合专业除冰雪设备和材料，往往能够在最快时间疏通交通。“智 能交通 具体可以概括为： 限制行车速度及间距 这是恶劣天气条件下高速公路管理部门最常采取的交通管制方式之一。当高 速公路沿线出现冰雪天气或其他可能影响行车安全的因素而又未达到实施封闭交 通管制措施的标准时，多采用这种管制方式。通过可变情报板( c m s ) 、可变限速 标志( c s l s ) 发布恶劣天气警示信息及限速、增距指令来达到限制行车速度、增 大行车间距的目的，可以在一定程度上改善道路的行车安全环境。 限制通行车种 对驶入高速公路的车辆按一定的标准进行分类，影响不同的恶劣天气放行不 同类别的车辆。例如，当浓雾天气能见度逐渐降低时，只放行小车，禁止客车、 货车驶入；当冰雪天气降雪量较大时，只放行货车( 危化品运输车辆、“三超”车 除外) ，禁止小车、客车驶入。 进口匝道控制 根据冰雪天气的实际情况，采取间隔放行或完全关闭入口匝道的管制措施， 可在一定程度上降低高速公路主线车流密度，达到减少交通事故的目的。 主线交通分流 这种控制方式能在短时间内完全截断高速公路主线上的车流，从而达到预防 因冰雪天气或其它紧急情况导致的交通事故的发生。在实际操作中，主线交通分 流多与进口匝道控制配合运用即在关闭进口匝道的同时，在高速公路主线实施分 流。 通道控制 通道控制是以高速公路为主体，把相邻高速公路以及该高速附近的平行道路、 连接道路、城市道路等整合成一个系统，通过系统控制的方法，实现进入该高速 公路车辆数量的最优化。恶劣天气或发生影响严重的交通事故时，省级高速公路 管理部门统一调度，根据实际情况在发生雪情的高速公路外围组织车辆分流u 。 2 0 0 8 年贵州省为应对冰雪灾害天气影响公路通畅、安全的突发情况，及时采取针 对性措施，快速、高效、有序地组织应急处置，保障公路的安全畅通，最大限度 1 0第一章绪论 地降低冰雪灾害给贵州省国民经济发展和人民群众生活造成的影响，并最大程度 地减少事故损失，制定了遵循统一调度、分级负责，条块结合、以块为主，快速 反应、确保重点，积极应对、果断处置，依靠科技、加强协作的原则，实行省、 市、县三级负责制，建立灵活快速、统一协调的应急反应机制的干支线公路防冰 雪灾害应急预案。该预案很大程度上反映了我国面对灾害天气的应对措施的研究 进步。 通过对国内外抗凝冰技术研究现状的总结分析，本文决定对路面主动除凝冰 技术进行研究，利用沥青混合料特殊的组成，通过行驶车辆反复作用，无需其他 人为辅助即可清除路面凝冰，从而保证凝冰多发地区的行车安全。 1 3 主要研究内容 为了从根本上解决云贵川地区冻雨凝冰灾害问题，由国家科技支撑项目云 贵川高原潮湿路面凝冰( 暗冰) 防治技术研究于2 0 0 8 年3 月开始启动，由贵 州省交通规划勘察设计研究院、重庆鹏方路面工程技术研究有限公司、贵州省高 等级公路管理局、哈尔滨工业大学、武汉理工大学等单位联合组织参与。主要研 究内容有： 针对高原潮湿山区低温路面凝冰严重影响行车安全和道路行驶功能的重大 安全问题，开展路面凝冰条件等级与对策、抗凝冰路面技术、路面凝冰灾害技术 对策与适应性配置研究； 针对高原潮湿山区凝冰路面破坏严重，影响路面使用性能这一重大问题， 结合云贵川高原潮湿山区路面凝冰破坏的状况，开展凝冰路面损伤评估、防护和 修复技术的研究。 本课题抗凝冰沥青混合料技术性能研究来源于云贵川高原潮湿路面凝 冰( 暗冰) 防治技术研究中的一个方面，本文主要研究的内容如下： 抗凝冰沥青混合料用蓄盐集料的制备及性能研究 通过对“冻雨”的形成机理、盐的除冰机理的分析，在多种工业用盐中对比 分析，选择一两种经济实惠、性质稳定、无毒无害的盐类作为抗凝冰沥青混合料 用成分盐，制备出抗凝冰沥青混合料用的集料，并对抗凝冰沥青混合料用的集料 的基本物理力学性质和抗凝冰蓄盐成分可释性进行研究分析； 抗凝冰沥青混合料配合比设计 选择合适且符合规范要求的原材料，依据a c 1 3 沥青混合料的矿料级配范围 要求，在借鉴己有的关于a c 1 3 沥青混合料的研究成果基础上，决定抗凝冰集料 级配设计采用a c 1 3 类型。通过等体积替换法则，将抗凝冰沸石集料替换同档普 通集料，组成全新抗凝冰沥青混合料，使用浸渍法求得最大理论相对密度，并通 过马歇尔试验方法，确定了抗凝冰沥青混合料的最佳油石比； 抗凝冰沥青混合料抗凝冰性能及其它路用性能研究 按目标配合比成型抗凝冰沥青混合料和无抗凝冰集料的混合料试件，分析对 比其抗凝冰