（材料学专业论文）抗凝冰粗糙路面技术研究.pdf

摘要 路面抗滑性能对行车安全非常重要，特别是冬季多雨结冰的路面更要具备良 好的抗滑性能。我国南方云贵川潮湿山区，冬季多“冻雨灾害，且由于空气潮 湿，气温较低，容易使路面产生较薄冰层和暗冰。气温在o c 温度范围内，路面上 的冰层长期处于表面润湿状态，凝冰层上的水膜使得路面表面很大程度的丧失摩 擦力，使路面抗滑能力大幅下降，显著降低机动车辆的可操控性与行驶安全性， 容易发生交通事故，严重时只有封闭交通，扰乱了人民群众的正常生活状态。需 要寻找有效的方法来预防路面结冰，在冰层较薄的情况下，能利用路面本身的构 造使车辆在行驶过程中使冰层自动破碎来维持路面良好的抗滑性能。粗糙路面和 自应力弹性路面都是能使车辆在行驶过程中自动破冰的方法之选。本文以粗糙型 路面为研究对象，通过实验对粗糙型路面结冰后的破冰效果和抗滑性能进行了一 些比较分析。 粗糙路面类型主要有开级配沥青混凝土( o g f c ) 、多碎石沥青混凝土( s a c ) 路面、 沥青玛蹄脂碎石( s m a ) 混合料路面、碎石封层铺筑面层等几种。本文首先分析了路 面摩擦抗滑机理，对不同构造深度和不同空隙率的混合料分别作了结冰抗滑的比 较分析，得出一定降水量情况下能保持良好抗滑效果的路表构造深度范围，然后 确定能保证及时排水的路面混合料目标空隙率。以此目标空隙率和构造深度为指 标完成了粗糙型路面的配合比设计，并检测定其常规路用性能均满足要求，特别 结冰后路面仍有良好的抗滑效果。证明了粗糙路面在降水量不大冰层较薄的凝冰 路段具有良好的抗滑性能。 关键词：粗糙路面；凝冰抗滑性能；构造深度；空隙率；配合比设计；性能测试 a b s t r a c t a n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c eo fm a d i sv e r yi m p o r t a n tf o rt r a f f i cs a f e t y , e s p e c i a l l yi c e r o a d si nr a i l l yw i n t e rm u s th a v eg o o da n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c e h u m i dm o u n t a i na r e a s i ns o u t h e r nc h i n a , m a n y ”s l e e t ”d i s a s t e r si nw i n t e r , a n db e c a u s ea i ri sh u m i d ，t h e t e m p e r a t u r el o w , t h i st e n d st op r o d u c et h i ni c ea n dt h ed a r ki c ea tr o a d s t h e t e m p e r a t u r ea r o u n d0 ，t h ei c eo nt h er o a ds u r f a c ei sal o n g - t i m ei nt h ew e ts t a t e ， c o n d e n s a t ew a t e rf i l mm a k e st h ei c es u r f a c el o s so fs u r f a c ef r i c t i o nc o m p l e t e l y , s ot h a t t h er o a dc a p a c i t yt oas u b s t a n t i a ld e c l i n ei na n t i - s l i d e ，s i g n i f i c a n t l yr e d u c em o t o rv e h i c l e d r i v e a b i l i t ya n dd r i v i n gs a f e t y , p r o n et ot r a f f i ca c c i d e n t s ，s e r i o u so n l yc l o s e dt ot r a f f i c ， d i s r u p t i n gt h en o r m a ll i f eo ft h em a s s e so fp e o p l et h es t a t e n e e dt of i n de f f e c t i v ew a y s t op r e v e n tl u m i a n j i e b i n g ，i nt h ec a s eo ft h i ni c e ，c a nt a k ea d v a n t a g eo ft h ec o n s t r u c t i o n o ft h er o a di t s e l f , s ot h a tv e h i c l e si nt h ep r o c e s s ，t oa u t o m a t i c a l l yb r e a kt h ei c et o m a i n t a i nag o o da n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c eo ft h er o a d i nt h i sp a p e r , r o u g hr o a da st h e r e s e a r c ho b j e c tm o d e l ，t h r o u g he x p e r i m e n t s0 1 1t h er o u g h - t y p er o a di nf r e e z i n g ， c o m p a r a t i v ea n a l y z e st h er e s u l to fi c e - b r e a k i n ge f f e c ta n da n t i - s l i d i n gp e r f o r m a n c e f i r s t l ya n a l y z e st h er o a ds u r f a c ef r i c t i o na n da n t i s l i d em e c h a n i s mi nt h i sa r t i c l e ， s t r u c t u r eo fd i f f e r e n tt e x t u r ed e p t h sa n dd i f f e r e n ta i rv o i do ft h em i x t u r ew e r em a d eb y c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fi c es l i d i n g ，o b t a i n e du n d e r c e r t a i np r e c i p i t a t i o nc a nk e e pag o o d a n t i - s l i d i n ge f f e c to ft h et e x t u r ed e p t hr a n g eo fr o a ds u r f a c e sc o n s t r u c t e d ，a n dt h e n d e t e r m i n et h er o a ds u r f a c ed r a i n a g ec a ne n s u r et i m e l yr n i x t u r ct a r g e ta i rv o i d a i rv o i d a n dt e x t u r ed e p t h sa st a r g e t sf o rt h e i n d i c a t o r so ft h er o u g h - t y p er o a ds u r f a c em i x d e s i g n t h et e s tr e s u l t sf o rm e i rc o n v e n t i o n a l p a v e m e n tp e r f o r m a n c e t om e e t r e q u i r e m e n t s ，p a r t i c u l a r l ys t i l lh a sag o o da n t i - s l i d i n ge f f e c ta f t e rt h er o a da r ef r e e z i n g p r o v e dt h a tt h er o u g h - t y p er o a dh a sag o o da n t i - s l i d i n gp e r f o r m a n c eu n d e rt h e c o n d i t i o n si nt h el i t t l ea n dt h i ni c e k e yw o r d s ：r o u g hr i d i n gs u r f a c e , a n t i s k i dc h a r a c t e r i s t i c sf o ra n f i i c i n g ，t e x t u r e d e p t h s ，a i rv i o d ，m i xd e s i g n ，p e r f o r m a n c et e s t 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： 日期：沙石年否月严日 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入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：享毙丹 日期：加加年6 月日 指导教师签名 日期：沙年 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：蝴 日期：知f 年歹月垆日嚣纂傲籴 日期：知f d 年各月垆日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着我国沥青路面的发展，沥青混合料的设计和施工质量都在不断提高，铺 筑的沥青路面基本都能满足一般抗滑的要求。但我国大部分地区冬季气候寒冷， 特别是南方潮湿地区冬季路面很容易产生凝冰，影响原路面的抗滑能力，降低道 路的通行能力，交通事故发生的潜在危险性也越来越大，严重时只有封闭交通， 给人们正常出行带来很大的影响，扰乱了人们群众的正常生活状态。寻找有效的 方法来预防路面结冰，或在冰层较薄的情况下，能利用路面本身的构造使车辆在 行驶过程中使冰层自动破碎是解决问题的途径之一。 路面凝冰灾害和通常的路面积雪灾害不同，积雪灾害多发生于北方寒冷地区， 由于气温和空气湿度较低，积雪不会在路面上留下融冰。积雪经汽车行驶压实后， 其摩擦力也远高于表面润湿状态的凝冰，即使在上坡路段，车辆轮胎加装防滑链 后仍可以在雪面上安全行驶。路面凝冰厚度一般可达1 0 - - , 2 0 毫米，最厚的可达2 0 0 毫米以上。道路凝冰是由于“冻雨 凝聚在低温路面产生的冰层。据资料显示， 冬季路面凝冰已是道路交通安全的重大隐患。特别是我国南方云贵川潮湿山区， 冬季多“冻雨 灾害，除冻雨外，又由于空气潮湿，气温略低于o ，容易使路面 产生较薄冰层和暗冰。气温在o 左右，这种较薄冰层容易使路面上的冰层表面处 于润湿状态，凝冰上的水膜使得路面表面完全丧失摩擦力，使路面抗滑能力大幅 下降，显著降低机动车辆的可操控性与行驶安全性，带来了巨大的交通隐患。 调查表明，凝冰路段恶性交通事故频繁发生，严重时造成公路交通中断。尤 其在我国南方地区经常遭受“冻雨 灾害，其中2 0 0 8 年的冰雪灾害更是刷新了5 0 年一遇的记录，其持续时间之长、覆盖范围之广、造成损失之大，居全国首位。 针对目前各种除雪方法所带来的不利影响，道路路面凝冰积雪是一个需要认真分 析与研究的重大课题。对于我国南方( 云贵川) 潮湿地区，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。而南方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已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危害结合到一起，将会对行车产生更大危害。 1 1 1 云贵川地区冬季存在的凝冰灾害问题 贵州冻雨形成机理及分片预报研究项目研究成果表明，冻雨灾害性天气 在我国部分省区市均有发生，分布特点是山区比平原多，高山最多。云贵川高原 是我国冻雨频发地区，湖南、江西、湖北、河南、安徽、江苏等地每年均有冻雨 2 第一章绪论 发生，山东、河北、陕西、甘肃、辽宁南部等地也偶有发生。但根据贵州7 9 个气 象观测站1 9 6 1 年至2 0 0 7 年冻雨观测资料，从冻雨对区域的影响和冻雨对单站的 影响两个方面进行统计分析，得出冻雨出现次数最多、持续时间最长的为贵州省， 约占全国冻雨频数的7 0 。云贵川高原位于中低纬度地区，北方南下冷气团活动频 繁，上空来自南面海洋的水汽十分丰富。特别是贵州地处云贵高原东北侧斜坡地 带，平均海拔1 1 0 0 米左右，地势西高东低。进入冬季，频繁南下的北方冷气团受 到云贵高原地形阻挡，在贵州西部与云南东部之间上空形成了天气学上有名的云 贵静止锋，并长期控制贵州，加之来自孟加拉国湾暖湿气流源源不断的丰富的水 汽输送补充，从而导致贵州冻雨次数多、持续时间长。历史上贵州冻雨过程持续 时间最长的一次为2 6 天，即1 9 8 4 年1 月1 8 日至2 月1 2 日，全省有7 3 个气象观 测站出现冻雨天气。 冻雨灾害波及面广，农业、林业、电力、交通遭受灾害首当其冲，造成的社 会稳定影响及经济损失十分严重。2 0 0 8 年1 月中旬至2 月初，我国出现五十年一 遇的雨雪冰冻灾害，其范围覆盖大半个中国。加之适逢春节期间，在某种程度上 加大了自然灾害的消极影响。在这一复合性突发事件面前，我国的公路基础设施 严重受损，人民群众基本生活保障受到了不同程度的影响。据不完全统计，在这 次雨雪冰冻灾害中，我国直接经济损失1 5 1 6 5 亿元，造成了至少1 2 9 人死亡，4 人失踪。贵州、湖南、江西等1 9 个省份直接经济损失达5 7 3 亿元，其衍生危害还 将持续3 至5 年。贵州省在2 0 0 8 年1 月中旬至2 月下旬所遭遇的5 0 年来最为严 重的冰冻灾害中，全省共有6 7 个县( 市、区) 不同程度受灾，受灾人口1 7 9 0 万 人，因灾死亡1 4 人，因灾伤病4 2 万人，5 1 5 2 万人饮水困难，紧急转移安置 4 7 5 万人。同时，路面凝冰层厚度达2 0 c m ，造成了严重的公路交通中断，全省因 冰灾造成的直接经济损失达1 9 8 2 5 亿元，为全国冰冻受灾最为严重的省份之一。 我国目前已经建成以高速公路为主干线的公路网络，公路交通运输网络是保 障客运快捷和物流通畅的重要基础设施，直接关系到社会稳定与经济发展。路面 凝冰严重降低道路交通安全等级，造成公路网通行能力下降，严重时路网关闭， 公路交通运输陷于瘫痪。以冻雨频发的贵州省公路交通管理部门近五年的统计结 果为例，历年1 2 月 - 3 月的凝冰发生期间，高速公路平均车辆通行速度仅为设计 时速的7 0 ，部分路段仅为设计时速的3 0 以下，高速公路封闭日数约为1 0 - 2 0 天。普通公路行车速度显著降低，由于交通事故频发，路网通行能力不足6 0 。 2 0 0 8 年1 月1 2 日开始至2 1 日，贵州自东北向西南先后遭受寒潮天气影响， 全省绝大部分地区温度大幅下降，并出现了大范围冻雨灾害性天气，全省共有1 3 5 县( 次) 降雪、4 4 9 县( 次) 出现凝冰。受其影响，贵州省1 4 条高速公路先后关 闭7 天以上，造成大量车辆和旅客滞留在公路上，大中城市成为“孤岛 ，人民 生活受到严重影响。如图i 1 ，图l2 田1t 凝冰路面上的汽车 f i g lii c er o a dv c h i d e s 囤12 凝冰路面上的交通事故 h 9 12 f r a n ca c c i d i s o n i c yr o a d s 凝冰给路面结构带来很大的损失，也造成资产损失。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( 参 见表1i ) 。 表112 0 0 8 年凝冰灾富损失情况统计表 1 拈l c lis t a f i s d c s i c e m s 越t 盯i o s s 廿 公路灾害损失( 亿元)救灾授通行费损失 省份 高速公路普通公路农村公路台计 ( 亿元)( 亿元) 贵州 3 250 35 7 21 39 5l8 l2 潮南 1 34 4 46 44 4 7 78 8 广东 3o g06 9o5 64 “ 湖北 1 55 542l l222 71 1 4 浙江62 755 230 11 48 1 9 2 仉3 江苏 02 736 431 570 6l - 5 20 4 l 安徽 81 22 71 5 6o 2 7 江西3 1 9 28 8 08 9 69 6l _ 4 5 35 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： 0 凝冰造成路面自身的损伤 第一章绪 反复冻融降低了路面沥青结合料与集料的牯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( 参照图1 3 ) 。 ( a ) 盐对路面的损坏( b ) 盐对附属构造物的损坏 图l4 除葺剂对路面及附属物的授伤 f i g i4 d a m a g e t os , x b o wr e m o v a la g c m o n t h er o a d 卸d 删i i i i c 图15 除冰机械对路面造成的损伤 f 培15 d a m a g e o f d e i c i n g m e c h l n c so i l 岫r o a d 图16 防滑链对路面造成的损伤 f i g 16d a m a g e o f a n t e - s k i d d m 0 1 1 t h er o a d 凝冰期间车辆防滑措施对路面造成损伤 凝冰期问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，如图1 6 所示。 1 1 2 课题的来源 为了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： 1 、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、抗凝诛路面技术、路面凝冰灾害技术对策 与适应性配置研究。2 、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。 本课题抗凝冰路面技术研究来源于云贵i l 高原潮湿路面凝冰( 暗冰) 防治技术研究中的一个方面，粗糙型抗凝冰路面在保证路面不降低其它方面的 性能要求情况下加大路面的构造深度，在凝冰较薄或暗冰情况下使路面仍具有良 好的抗滑能力，并通过较大的表面或内部集料间隙提供顺畅的排水通道，让冰融 化后能尽快的使水排走不在路面形成水膜，使路面抗滑功能在凝冰期得以有效地 维持。这对安全行车，降低交通事故率和减少交通事故损失，具有重太的经济效 益和社会意义。 1 1 3 粗糙类抗凝冰路面的特点 粗糙型抗凝冰路面是以加大路面的构造深度，在凝冰较薄或暗冰情况下使路 面仍具有良好的抗滑能力，井通过较大的表面或内部集料间隙提供顺畅的排水通 6 第一章绪论 道，让冰融化后能尽快的使水排走不在路面形成水膜，使路面抗滑功能在凝冰期 得以有效的维持。粗糙类抗凝冰路面的类型主要有： 主要特点如下： 宏观构造大 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。 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。 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。 1 2 国内外路面凝冰防治技术研究现状 凝冰灾害预警措施 目前，发达国家正在相继建立不同形式的公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。 我国在这方面研究起步较晚。近年来国内开展了一些交通气象服务方面的研 究，在气候气象对于道路交通安全影响的分析理论与方法方面积累了初步经验， 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 集中于对于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。 第一章绪论 7 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 ) 。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。 路面积雪处治措施 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。 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。前者主要是借助 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；后者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。 人工移除法即通过人工方法清除路面积雪。效率低且影响行车安全，无法长 时间作业。采用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。 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。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。物理消融法也适用于消除路面凝冰。 化学消融法主要是向路面洒布一定量的防冻结化学材料，以降低结冰点，使 路面冰雪溶化或者降低路面结冰程度。常用材料有固体和液体两种形态，主要有 非食用盐、钾盐渣、氯化钙等。化学方法在气温较高、降雪量不大时，除雪效果 明显，但容易造成环境污染。化学消融法也适用于消除路面凝冰。 抗凝冰路面技术研究 8 第一章绪论 路面主动除雪技术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完成清除积雪的功效。相对于路面凝冰，这类路面 也成为抗凝冰路面，是近年来国内外道路工作者的研究重点。 1 ) 物理类抗凝冰路面 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。 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。 2 0 世纪9 0 年代，日本针对札幌市冬季极易出现“滑冰场路面”进行了试验路段 研究尝试。铺设的类型有变形型和粗糙型。变形型路面是增加路面面层( 或罩面层) 材料的柔性，使柔性大幅度提高，从而增加了路面受力时的弹性变形量。路面结 冰后，行车辗压时使路面冰层直接承受不均匀的垂直和水平力作用而自动破碎。 粗糙型是采用大粒径、开级配等沥青混凝土铺筑面层，增加面层的粗糙度。冰冻 后，行车碾压时，水平力的作用使结冻层很快被磨耗掉，也增加了制动效果。铺 设后观测，粗糙型路面的除冰效果不如变形型路面，但是稳定性比较好。1 年后观 测，且粗糙型路面全部稳定，无耐久性问题，特别是半开级配路面面层粗糙程度 保持效果很好。 自应力弹性路面使应用较广泛的抗凝冰路面材料。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。 我国对抗凝冰路面也有一定的研究基础，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，刘晓鸿硕士对橡胶颗粒沥青路面路用性能研究发 现，掺加橡胶颗粒的沥青混凝土具有除冰可行性，但是对橡胶颗粒的技术形状、 成型工艺、除冰雪机理未做研究，缺乏实际的工程路段验证；长安大学韩森教授 2 0 0 8 在内蒙铺了近1 0 k m 的粗糙型路面，用的破冰抗滑露石砼路面技术，简称 e a c c p 。因为表面比较粗糙，车轮压后表面的冰层容易破，去年在内蒙已经观察 到这个情况。但沥青路面方面没做实际研究。 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 第一章绪论 9 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。 2 ) 化学类抗凝冰路面 蓄盐路面层技术以粉状氯化物代替矿石粉，或将氯化物颗粒表面裹附油脂 替换细骨料，也可用水泥和氯化物造粒做成坚固的粗骨料、细骨料置换碎石。混 合料中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。 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，但对于保证此类路面如何在凝 冰环境下有效控制释放融冰材料的浓度与数量方面仍需完善。 本文主要进行粗糙类抗凝冰路面技术的研究。 1 3 主要研究内容 暗冰形成和粗糙路面抗滑理论分析 1 ) 暗冰形成的原因及特点 2 ) 路用石料摩擦特性分析 3 ) 暗冰状态下粗糙型抗凝冰路面抗滑作用机理分析 以不同混合料，不同冰厚，不同空隙率等进行实验对比分析。 1 ) 用不同构造深度混合料对粗糙路面抗凝冰效果进行试验分析，找出构造深 度对粗糙路面抗凝冰效果的影响。 2 ) 用不同空隙率的混合料进行抗凝冰效果试验分析，找出空隙率对粗糙路面 抗凝冰效果的影响。 3 ) 通过不同洒水量试验分析，得出粗糙型抗凝冰路面所适用的有效凝冰层厚 度范围。 以目标空隙率和构造深度调整混合料的级配，成型适合凝冰环境的混合料 试件，测试其路用性能。 1 ) 选择合适的原材料，以目标空隙率和构造深度为设计指标，进行适合冬季 凝冰的粗糙型路面混合料配合比设计。 2 ) 按配合比成型混合料试件，并对其进行各项路用性能测试。 施工工艺及控制要点。 第二章睹冰的形成与路面抗滑理论分析 第二章暗冰的形成与路面抗滑理论分析 21 暗冰的形成原因及特点 云贵川高原潮湿山区的凝冰灾害主要来自于“球雨”， “冻雨”产生的冰层 有薄有厚，粗糙型抗凝冰路面只针对薄冰层路面。另外就是有些地方仅因为空气 湿度大或是少量降雨形成的暗冰。下面对“冻雨”和暗冰形成机理进行分析 。珠雨形成机理 云贵川高原地区是冻雨频发区。根据温度可以将云层划分为暖云和冷云，暖 云的温度太于o c ，冷云的温度低于0 。当云滴成长到一定大小，就不能停留在 天空而降落下来，产生降水。根据不同海拔高度的云层温度，降水形态可以分为 雪、搿夹雪、冻雨及雨等，如图2 1 所示： 温度轮廓o 线温度轮廓0 线温度轮廓o 线温度轮廓o 线 f， y ，y v d l 破时，轮胎能完全包络路面凸出体，轮胎在两沥青路面上的包络高度 为两条沥青路面宏观构造凸出体高度，设轮胎在两沥青路面包络高度分别为q 、e 2 ， 则岛 吃。轮胎在两路面上的最大应变6 r n 占。，根据式( 6 ) 、式( 7 ) 可知，轮胎在两 路面单位时间的弹性变形滞后能量损失a p 2 。 当气 d 2 p 2 。根据上述分 第二章暗冰的形成与路面抗滑理论分析 1 5 析可知：当沥青路面宏观构造凸出体能被轮胎完全包络时，随着凸出体高度的增加， 轮胎单位时间内弹性变形滞后能量损失增大，沥青路面抗滑性能越好；当沥青路面 宏观构造凸出体增大到轮胎不能完全包络时，轮胎单位时间内弹性变形滞后能量 损失不变，凸出体高度的增加将不会因为能量损失增加而提高沥青路面的抗滑性 能，但是凸出体高度的增加，会提高降雨条件下路面积水排泄能力，有利于提高沥 青路面抗滑性能。 2 2 3 微观构造对抗滑性能的影响 轮胎与沥青路面接触，真实与轮胎接触的是石料表面的粗糙峰( 微观构造) 。微 观构造微凸体与轮胎橡胶接触，项部平滑的微凸体与胎面橡胶发生黏着摩擦，产生 黏着摩擦力；项部尖锐的微凸体对轮胎产生的应力大于轮胎橡胶的断裂应力时，微 凸体刺入轮胎橡胶形成微切削摩擦，产生微切削摩擦力。轮胎与微观构造接触产生 的黏着摩擦力与微切削摩擦力约占轮胎与路面整个摩擦力的9 0 。 微观构造微凸体高度的影响分析 轮胎与路面接触时，微凸体与胎面橡胶真实接触。顶部平滑的微凸体使胎面橡 胶产生的应力相对均匀，达不到使胎面橡胶产生断裂的水平，微凸体顶部表面与橡 胶产生黏着，产生黏着摩擦力，见图2 4 ( a ) 。 vv 黝彩- 形j f| 2m m 的颗粒占7 0 - - 8 0 ) 、沥青、填料或纤 维组成的胶泥，属于一种骨架密实型沥青混凝土，具有抗辙槽能力强，抗滑性能 好，抗磨耗能力强，老化慢，路面使用性能的和耐久性好等优点。 碎石封层铺筑面层 碎石封层技术是一种在喷洒沥青类结合料后立即撒布一定粒径的粗集料，经 碾压面形成薄封层的技术。碎石封层具有卓越的抗滑性能和抗磨耗性能：良好的 封水效果；可以有效防止路表水下渗，减少路面水损害；对原路面起到保护作用， 延缓路面沥青材料老化；施工设备简单，施工工艺简便，施工速度快；使用寿命 长，价格便宜等优点。 3 2 混合料的成型及抗滑试验及结果 3 2 1 室内试验系统 根据凝冰环境调查的资料，从温度、湿度、洒水量、冰厚等方面在室内模拟 低温潮湿路面。然后测定路面在薄冰情况下的抗滑性能和经碾压破冰后的抗滑效 第三章不同类型粗糙路面状态下抗滑效果比较分析 果，对过对比实验得出凝冰路面的混合料合适的空隙率范围、相应的构造深度范 围及粗糙路面的有效冰厚范围等。 试验仪器 1 ) 冷冻箱温度范围在一4 的冷冻冰箱，作为模拟结冰环境工具 2 ) 手工铺砂构造深度仪，用来测试冰冻前后各试件的构造深度 3 ) 摆式摩擦系数仪，用来测试冰冻前后各试件的摩擦系数 4 ) 车辙试验仪，用来模拟行车对结冰路面的碾压 试验手段 1 ) 制备不同空隙率，不同构造深度的粗糙型沥青混凝土试件，试件尺寸为 3 0 c m 3 0 c m x5 c m ： 2 ) 试件成型养护好后测定其构造深度和摩擦系数； 3 ) 将试件处理好后洒水置于冷冻箱中冰冻结冰，冰冻过程中按时对试件结 冰情况进行观察； 4 ) 结冰后观察冰厚，并按需要测定构造深度或摩擦系数，冰层相对较厚的 试件应置于车辙仪下碾压，并及时观察冰的破碎程度，并测定碾压后的摩擦系数。 3 2 2 沥青混凝土试件的制备 原材料选择及性能指标 1 ) 沥青结合料 本实验主要对比分析各种类型混凝土试件的抗滑性能，沥青对混凝土试件抗 滑有一定的影响。沥青的含蜡量太高，则其温度敏感性较强，夏季容易泛油，冬 季容易开裂，并且与骨料的粘结力差，骨料容易松动脱落。所以选用含蜡量较小 的韩国s k 沥青作为结合料，性能指标如表3 1 表3 1 韩国s k 沥青指标 t a b l e3 1t h ei n d e xo fs ka s p h a l t 技术指标单位结果测试方法 针入度( 2 5 c ，l o o g , 5 s ) 0 i m r n8 5t 0 6 0 4 2 0 0 0 软化点 8 3t 0 6 0 6 2 0 0 0 延度( s c m m i n ，2 5 。c )锄 7 3t 0 6 0 5 1 9 9 3 粘度( 1 3 5 c ) p a s5 1t 0 6 21 1 9 9 3 弗拉斯脆点 - 1 0 t 0 6 1 3 1 9 9 3 密度( 2 5 ) 目矗 1 0 8 5 t 0 6 0 3 1 9 9 3 闪点 耋ot 0 6 11 - 1 9 9 3 弹性恢复( 2 5 c ) 9 2 t 0 6 0 3 - 1 9 9 3 含蜡量 1 2t 0 61 5 2 0 0 0 第三章不同类型粗糙路面状态下抗滑效果比较分析 2 ) 矿料 根据经验采用颗粒形状等各方面都较优的玄武岩作为骨料，此玄武岩颗粒 实测粗细集料的技术指标如表4 3 所示，集料筛分结果见表4 4 。 表3 2 粗、细集料的技术指标 t a b l e3 2t h et e c h n i c a li n d i c a t o r so f c o a r s e ，f i n em i n e r a la g g r e g a t e 技术指标实测结果技术要求试验方法 压碎值( ) 1 2 8 02 6t 0 3 1 6 洛杉矶磨耗损失( ) 1 3 1 22 8t 0 3 1 7 坚固性( ) 6 0 31 2t 0 3 1 4 表观相对密度 2 8 12 6 0t 0 3 0 4 吸水率( ) o 8 22 ot 0 3 0 4 针片状含量( ) 4 2 01 5t 0 3 1 2 砂当量( ) 7 5 0 06 0t 0 3 3 4 亚甲蓝值g k g 8 2 02 5t 0 3 4 9 表3 3 集料筛分试验结果 t a b l e3 3t h es c r e e n i n gt e s tr e s u l t so fa g g r e g a t e 通过下列筛孔的( 质量) 百分率 ( ) 规格 1 6 01 3 29 54 7 52 3 61 1 80 60 30 1 50 0 7 5 l #1 0 0 0 7 6 84 1o 4000ooo 2 #1 0 0 09 7 62 3oo0oo0 3 #1 0 0 08 9 ，35 1o 30ooo 4 #1 0 0 08 2 95 3 62 6 6o00 5 #1 0 09 9 67 3 23 7 10 6 #1 0 09 9 69 8 39 6 08 4 2 矿粉 1 0 0 09 9 19 2 4 沥青混凝土试件的成型 试件分四种混合料类型制备： 1 ) 开级配大空隙沥青混凝土( o g f c ) ； 2 ) 半开级配沥青碎石混合料； 3 ) 沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) ； 第三章不同类型粗糙路面状态f 抗滑效果比较分析 4 ) 碎石封层 3 23 不同构造深度混合料试件试验及结果 此次试验为了观察分析构造深度对凝冰后抗滑效果的影响，用碎石封层 ( 4 7 5 n n ) 、碎石封层( 95 r m ) 、碎石封层( 1 35 呻) 、s m l 3 和s i d a l 0 混合料试件 来进行试验，为了防止洒在试件上的水从侧面流走，将准备好的试件周围均用橡 皮泥包裹一圈，包裹时橡皮泥高度要稍高出试件表面。包裹好后在试件上分别洒 上同量的水，将洒好水的试件置于冷冻箱中，试件一定要放平，为了防止冷冻箱 内的风将水带走，在试件上方用一纸制盒盖将试件整个罩住，纸盒盖上面定要 剪出较大的网孔，试件放好后，将冷冻箱温度调至一4 c ，冷冻至结冰，每隔半小时 观察一次，大约- - + 时后，结冰完成，取出试件并进行抗滑性能测试，用摆式仪 测定摩擦系数，然后用铺砂法测定构造深度。通过实地调查，很多较薄冰层路段 凝冰厚度在i r o i a l 2 5 m m 范围内( 如贵毕高速公路) ，所以选定洒水量为1 2 0 - - 2 4 0 9 试验结果如表3 4 3 7 。试验结果分析如图31 3 6 ( a ) 碎石封层冰冻后( b ) 碎石封屡碾压后 图31碎石封层冰冻碾压结果 f i g31 r 髂u l t s o f c h i ps e a l f x o z e a , r o l l i n g 图32蛳1 0 混台料冰冻碾压结果 f i g3 2r “口o f s m a l o f r o z e n , r o l l i n g 2 6 第三章不同类型粗糙路面状态f 抗滑效果比较分析 寝34 第一次试验结果( 1 2 0 9 结冰前 结冰前结冰后结冰后 碾压后 涌水量1 混合料类型构造深 摩擦系 构造深 摩擦系 摩擦系 ( g ) 度( r t l f i )数b p n 度( m j u )数b p n 数b p n s 姒1 0o6 21 2 000 4 1 82 3 93 s 姒1 309 35 101 2 003 l2 84 92 碎石封层( 95 嘣)1 “ 5 84 07 54 3lj 66 碎石封层( 1 3 钿m )l6 71 2 0l04 5 3 口结冰n - # # 后再五丽 鲤 ：豢譬：i ；。2 球5 嗥摔系教 什；| 山蛐 凰33 洒水量为1 2 0 9 时试件构造深度与摩攘系数 e 较田 f i 醇3哪坩如n o f 嘶t h a n ds 忸b i h 五n g d 删幔1 2 0 曲 寰35 第二j 欠试验结果( 1 5 0 9 ) 结冰前 结冰前 结冰后 结冰后 碾压后 洒水量2 l 混台料类型构造深 摩擦系构造深摩擦系岸擦系 ( g ) 度( 矾)数b 州 度( 岫) 数b 刚 数8 p n s m a l 006 2 4 62 1 5 000 21 673 89 s m 招09 35 101 5 0 02 4 2 2l4 86 碎石封层( 95 m )l3 65 & 406 24 2 25 62 碎石封层( 1 35 m ) l6 7娩6】5 0o 8 94 376 03 第三章不同类型租糙路面状态下抗靖效果比较分析 ：i ：鬻i i i 。8 8 5 8 8 5 8 d 曲；| 图34 洒水量为1 5 0 9 时试件构造深度与摩擦系数比较图 h 9 3 4c o m p 赫o f d e 州aa n d s t a b v l i z m g c h 耐( 1 5 0 9 ) 袭36 第三次试验结果( 2 0 0 9 ) t a b l e3 6t h e t h i r d 懈lr e s u l t s ( 2 0 0 9 ) 结冰前 结冰前结冰后结冰后 碾压后 洒水量3 混台科类型构造深 摩擦系构造深摩擦系摩擦系 ( g ) 度( 珊)数b p n 度( 蛐) 数b p n 数b p n