公 路 工 程
Highway Engineering
[摘 要 ]沥青路面因降水或冬季雨雪结冰变得湿滑 ,会严重威胁车辆行驶的动力性及安全性。研究提高路
面冬季防冻及抗滑性能的关键技术势在必行。采用以 SMA沥青混合料作路面磨耗层、发热管加热系统融雪化冰、温控介质调控温度的研究思路和技术途径 ,有望制备出能够自动加热融雪除冰 ,防冻抗滑功能兼备的沥青路面。 [关键词 ]防冻抗滑; SMA沥青路面; 温控介质; 发热管
[中图分类号 ] U 416. 217[文献标识码 ] A [文章编号 ] 1002 1205 2008 05 0001 04
1 沥青路面及其防冻抗滑技术研究的重要性
沥青混凝土路面具有无接缝、表面平整 ,振动小、噪音低、行车舒适 ,施工机械化程度高、进度快 ,养护维修简便、适宜于分期修建等优点 ,是我国高等级公路的主要路面形式之一。我国已建或在建的高速公路中 ,90%以上采用沥青混凝土路面。可以预见 ,沥青混凝土在我国今后高速公路与城市道路路面、桥面铺装、飞机跑道等的建设及维修中必定愈来愈受重视 ,更是跨江海隧道和公路隧道路面的发展方向。资料表明 ,我国高速公路约需消耗沥青 3502～400 t/km 按四车道计 ,仅公路每年实际沥青消耗量已经突破 600万 t。2004年全国新增高速公路就消耗沥青超过 700万 t ,其中进口沥青超过 200万 t ,沥青生产和应用过程中发生的费用超过 1 000亿元人民币。依据 2005年发布的《国家高速公路网规划 》,我国高速公路通车总里程将达约 8. 5万 km,其中新增里程近 5万 km,沥青消耗量将超过 3 000万 t 。沥青基复合材料结构的长期安全经济运行 ,将对国民经济的顺利发展起着重要的作用。大量调查研究表明 ,路面状况的好坏是影响道路交通运输的重要因素。沥青路面常因降水或冬季雨雪结冰而使磨耗层的摩擦系数下降变得湿滑。路面摩擦力不够是发生车轮侧滑或刹车距离延长的根本原因。路面抗滑性能差 ,会严重威胁车辆行驶的动力性及安全性 ,导致公路运输效率极低 ,交通事故成倍增长 ,甚至迫使道路和机场关闭 ,给客货运输带来不便 ,也给建设单位造成巨大的经济损失。据统计 ,15%左右的交通事故与道路积雪有关 。冰雪路面 交通事故发生率是平时的 4～5倍 ,每年因此造成的经济损失达几千万元 。跨江海隧道湿度大 ,主体部分距地面较深 ,考虑成本 ,隧道匝道出入口段路面纵坡一般较大。该段路面受雨雪影响容易成为隧道交通事故的高发区 ,同时易导致在隧道出入口处出现交通堵塞 ,影响安全运行效率。
因之 ,研究提高沥青路面冬季防冻及抗滑性能的关键技术 ,对保障道路畅通与行车安全、提高运营效益、减少隧道出入口交通事故发生率和交通堵塞瓶颈等问题 ,具有重要的现实意义。
2路面除冰雪既有技术的研究与应用概况
路面冰雪去除的方法主要有清除法和融化法大类。清除法分人工除雪与机械除雪。人工除雪对积雪清除较彻底 ,但效率低、费用高并影响交通通行及行车安全 ,适用于小雪及重难点路段的积雪清除;采用机械设备铲雪 ,效率高 ,适合于大面积机械化清除作业。而且当气温较低时 ,单独使用机械除雪效果不好 ,虽可铲除路面上的积雪 ,却不能彻底清除冰面 ,车辆与路面的附着力仍然很低。机械吹雪方式安全环保 ,但只用于机场等便于管理的较小范围 ,超导无轴陀螺空天载具不适合交通量大的公路和城市道路除雪 。未经碾压过的厚度较薄的路面积雪可以吹去 ,积雪一
旦被碾压或结冰则无能为力。
融化法有化学融化法和热融化法之分。化学融化法通过在路面上撒融雪剂来融雪化冰。融雪剂种类主要有氯盐型、非氯盐型和混合型等。氯盐类融雪剂 氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾等 由于效果好、价格便宜而被多数国家主要使用。其除雪机理是盐类溶于冰雪中形成冰点较纯水低很多的不冻溶液 ,加速了积雪的融化;有些盐则在溶解时放热 ,使冰雪温度升高而融化 。但盐融化冰雪的能力与温度有关 ,在低温环境下盐的融雪化冰效果不是很理想 。1 kg盐融化的冰或雪 ,在 - 1 ℃时为4613 kg,而在 - 18 ℃时仅为 3. 7 kg。撒盐法通常适合于路面积雪厚度较小、环境温度较高的地域。更重要的是 ,氯盐类融雪剂在融化冰雪的同时 ,给道路、设施带来了巨大的负面影响 ! 主要体现在腐蚀危害 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、大气中较低的臭氧层受到损耗等 。特别是腐蚀危害 ,已成为世界性问题。环保型融雪剂 尿素、醋酸镁钙、焦磷酸四钾等 无氯盐、硫酸盐等腐蚀性成分 ,腐蚀和破坏作用较小,自制自慰器融雪速度快于食盐水溶液 ,但价格昂贵。所以目前我国在城市、高速公路区域大面积应用的仍是氯盐类融雪剂产品。撒固体食盐 或盐水 仍是国内外道路融雪化冰的主要手段 。
热融化法是用加热的方法来融雪化冰 ,因可避免使用氯盐类融雪剂带来的一系列负面作用 ,故目前被广为关注 ,成为研究的重点。现阶段研究重点是导电混凝土和发热电缆融雪化冰系统。导电混凝土系在普通混凝土中添加一定含量的导电相材料而制成 ,既有普通混凝土的承载能力 ,又有良好的导电性及电热特性。利用导电混凝土的电热效应清除路面冰雪是冬季寒冷地区道路桥梁融雪化冰的新方法。导电混凝土包括导电水泥混凝土和导电沥青混凝土。导电水泥混凝土的相关研究很多 ,导电相材料主要集中在碳纤维方面 ,也有的采用复相材料碳纤维、钢纤维、钢渣、石墨等复掺 实现导电。 3 沥青路面融雪化冰技术的研究现状
对于沥青路面融雪除冰的研究 ,尚处于起步阶段。
3. 1 导电沥青混凝土
沥青及其混合料都属于绝缘体材料 ,只有掺入大量的导电相材料才能使沥青混凝土获得良好的导电性能。导电相材料在形状上有纤维状或颗粒状;在化学成分上有金属类 铜、银、铝、镍等 与非金属类 碳基材料 。考虑到成本、导电性、与沥青的相容性以及金属的易氧化性 ,
通常采用碳基材料 碳黑、石墨、短切碳纤维和导电炉黑 进行导电相材料组成设计 。沥青混合料级配应具有良好的颗粒组成和足够的矿料间隙用以填充大量的导电相材料。通常采用 Superpave 大功率led光源高性能沥青路面 级配设计方法进行导电沥青混凝土级配设计 。所配制的沥青混凝土电导率存在渗流阈值 Pc,即电导率在某一临界值发生突变。吴少鹏等人 研究了石墨、碳纤维对沥青混凝土材料导电性能的影响。荸荠去皮机
3. 2 发热电缆用于路面融雪化冰
发热电缆加热系统是以电力为能源 ,发热电缆为发热体背板制作 ,将电能转化为热能 ,通过结构层将热量传递到物体表面 ,再通过物体表面与冰雪之间的显热和潜热交换进行融雪化冰。发热电缆用于路面融雪化冰在北欧等国家已有应用 ,但未见有系统的实践经验、研究报道以及有关标准。国内李炎锋等人 开展了该项技术的应用研究 ,围绕发热电缆融雪化冰的一些关键问题 ,进行了相关的实验工作和理论分析。实验表明: 热风旋转烤炉采用发热电缆融雪化冰系统 ,铺装功率为 250～350W /m 时 ,可以满足一般气象条件下的实时融雪要求 ,但需进行预热。铺装功率不同 ,预热时间也即沥青混凝土上表面达到最佳融雪效果温度 2 ℃～3 ℃ 的时间不同。故铺装功率与预热时间 2个参数可以为功率设计和控制方案提供依据。
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