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自融雪沥青路面技术与材料
来源:admin    发布日期:2017-02-06    点击次数:536次

在冬季冰雪季节,我国北部和中西部山区道路的积雪与结冰给通行车辆带来极大的安全隐患,轻则影响行车舒适性,降低通行效率,重则引发交通事故,给人民的生命财产造成极大损失。因此,如何消除冰雪条件下的安全隐患,提高行车安全成为了道路工程界亟待解决的技术难题。目前对路面积雪结冰的处理,主要有外部除冰雪技术和内部除冰雪技术两大类。外部除冰雪技术有撒融雪剂、人工清除法和机械清除法等。内部除冰雪技术包括:热力融冰雪技术、掺加盐化物技术和抑制冻结铺装技术。而化学类自融雪路面技术具有操作方便、对道路桥梁腐蚀性低、能达到多年路面防结冰、降低养护成本等优点,被越来越多的国家所重视,成为道路界研究的热点问题。通过分析国内外自融雪沥青路面技术与材料的研究现状,提出了自融雪沥青路面材料研究的关键技术问题和未来研究的重点和方向,为自融雪沥青路面材料的研用提供参考。

自融雪浙青路面技术

热力融冰雪技术

热力融冰雪技术是利用电力燃气、地热、太阳能或电力等产生的热量使冰雪融化,如微波加热技术、地热管技木、红外线灯照加热技术、发热电缆技术、太阳能加热技术等。目前比较成熟的是地热能和太阳能融冰技术,其主要原理是把水作为载体,借助水泵系统,通过水平埋管把夏天地表热和太阳能储存于地下,冬天再借助水泵系统把热能提到地表上来,以此融雪化冰。

日本于20世纪40年代率先研发使用此技术,随后美国、瑞士等国也相继开发了相关专利技术,并成功应用。热力融冰雪技术融冰雪速度快,安全环保,但其耗能大,工艺复杂,费用髙,且此项技术对沥青路面材料、结构和施工都有特殊要求,后期的养护维修需要开挖路面,因此应用范围相对较窄。

多孔涵青路面融雪技术

多孔浙青(drAinAgeASPgAlt)路面是指压实后空隙率在15%-20%左右,且能够在沥青混合料内部形成排水通道的新型沥青混凝土面层,其实质为单一粒径的碎石按照嵌挤原理形成骨架型开级配沥青混合料。

在冰雪季节,轮胎与路面的热力、冲压等复杂杂作用,使冰雪融化,雪水沿着多孔沥青路面空隙迅速排出,避免积水结冰,但如果雪过大,气温较低,融雪效果会受到一定的影响,此技术理想的融雪温度为-5℃到0℃,对于多雪低温地区有一定局限性。

抑制冻结铺装类技术

抑制冻结铺装类技术分为物理类抑制冻结铺装技术和化学类抑制冻结铺装技术。物理类抑制冻结铺装技术是在沥青路面材料内添加一定量的特殊材料,改变路面与轮胎的接触状态和沥青路面的变形特性,路面在外部荷载作用下产生的自应力破冰融雪的技术。实质是利用物理力学作用除冰融雪。

物理类抑制冻结铺装技术常用的方法主要分为两类:(1)橡胶颗粒沥青路面:采用橡胶颗粒沥青混合料铺筑而成的路面。但此种路面表面存在一定程度的颗粒脱落现象,除雪耐久性还有待研究。(2)镶嵌类铺装技术:在普通沥青路面表面镶嵌大尺寸的废旧轮胎橡胶块,单纯利用橡胶弹性形变降低冰雪对路面的粘结程度,同时橡胶块周围冰雪厚度的不均勻性也提高了破冰融雪的机率。此方法在镶嵌橡胶块的过程中会破坏路面原有状态,影响破冰融雪效果和路面的正常使用寿命。

化学类抑制冻结铺装技术是指在沥青混合料中加人防冻剂、融雪剂等化学类外加剂以降低水的冰点,使得在冰雪或者外界负温条件下,防止和延缓路面结冰,加速融雪,快速恢复路面摩擦力的一种特殊路面,已经成为常用的融雪抑冰铺装技术。

外加剂的盐分(氯化钠、氯化钙、醋酸钙等)是能有效抑制冻结的主要成分,其主要原理是沥青混合料内部的盐分在毛细管压力及车辆碾压作用下会逐渐析出,从而降低水的冰点,延迟沥青路面积雪结冰,使路面形成具有抑制冻结的功能。掺加这种外加剂的路面在外加剂使用期限内都会起到融冰雪作用,从而减少融雪剂的撒布次数与撒布数量,降低融雪剂中的盐分对沥青路面的危害,但其融冰雪的持久性值得进一步深人研究。

自融雪沥育路面材料

氣盐类自融雪沥青路面材料

盐化物融雪沥青路面起源于20世纪60年代的欧洲,随着近十几年研究的逐步深人,这种沥青路面材料主要有以下三种类型:水泥固化型盐化物材料、表面裹油型盐此物材料、粉末型盐化物材料。

(1)水泥固化型盐化物材料:利用水泥把盐分固化成粒状、圆球状的物体,置换沥青混合料中的粗、细集料,添加量占矿料的6%-8%;在冰雪条件下混合物中的盐分慢慢析出,发挥融冰化雪的作用。

(2)表面裹油型盐化物材料:将表面裹油后的盐化物颗粒置换沥青路面上层混合料沥青中的细集料,置换量约为5%,代表产品:V-260。在冬季气温较低的条件下,该材料可迅速被激活,在渗透压和毛细管和行驶车辆的摩擦作用下使抗材料析出,降低路面水的冰点,阻止结冰。

(3)粉末型路面盐化物材料:盐化物以粉体状形式置换沥青混合料中的矿粉,添加量为6%-8%,代表品是Mdilon(简称MFL)MFL是一种经过特殊的加工工艺将氯化钠镶嵌于多孔的火成岩中的材料,其融雪机理是:氯化钠经多孔结构析出并到达混合料的的孔洞中再扩散至路表面从而再和路表面的冰雪作用,降低路表水的冰点。

盐化物融雪材料使用的冰点下降剂大多为氯化钠等具有很强的吸湿性易溶盐,因此在生产、保管和铺筑使用该冻结抑制材料等方面有较大难度。同时氯盐对路面有一定的腐蚀性,还会影响路面的使用寿命,造成环境污染。

草酸类自融雪沥青路面材料

19世纪80年代美国等国家为了取代氯盐类融雪剂开发了一种主要成分为草酸钙镁的新型有机环保融雪剂既草酸钙镁融雪剂(CMA)。其融雪效果能达到氯盐的90%,具有快速持久的融雪和解冻功能,同时还具有毒性低、腐蚀性低、可降解等环境优势。CMA通常是由石灰石或石云石与草酸反应制得,成本较高,氯盐价格的5-8倍,从而限制了其使用范围。

日本研究表明,将磷酸和醋酸类复盐(MgGP04.Mg(CG3C00)2CAGP04.CA(CG3C00))填充到岩溶类多孔材料中作为新的冰点下降剂,生成新型冻结抑制材料并添加到沥青混合料中,即使在-9℃也能具有良好的冻结抑制效果,但其制造工艺复杂成本较高。

复合型自融雪盐化物沥青路面材料针对盐化物沥青混合料技术仍有许多问题有待解决,尤其是盐化物沥青混合料低温抗裂性和水稳定性较差,橡胶颗粒沥青路面除冰效果具有不确定性等。日本有学者将蓄盐防冻剂和橡胶颗粒混合添加到沥青混合料中增加冰雪天气条件下的行车安全性,在SMA里混人橡胶颗粒和氯系盐来抑制路表冻结或将橡胶颗粒填充到多孔路面的表面空隙里作为弹性材料和冻结防止剂。此外橡胶颗粒还在复合型盐化物沥青路面材料中参与级配组成,改善混合料的低温抗裂性和水稳定性。

化学类自融雪材料研究面临的关键技术问题

化学类自融雪材料一般为粉体盐化物,0.075mm通过率一般在75%以上,在沥青混合料热拌过程中掺人,掺量一般在3%-8%,对与新建路面,铺装4cm厚自融雪沥青混凝土层;对于旧路面,铣刨后,重新铺装3-4cm厚自融雪沥青混凝土层。盐化物被沥青裹附,雪水从沥青路面空隙中渗人到自融雪材料层,有效成分逐渐析出路表面,起到融雪抑冰的作用。

粉体盐化物热拌沥青混合料方式铺装层较厚,表层盐化物有效成分析出后,随着表层磨光与密实,铺装层底层盐化物析出缓慢或很难析出,后期融雪效果并不明显,而粉体盐化物易溶于水,掺人稀浆封层、微表处等冷拌混合料中将迅速流失,无法保存。因此,对于自融雪沥青路面材料,需解决以下三个关键技术问题:其一为自融雪盐化物材料组成设计与优化,其二为自融雪材料有效成分的析出路径与缓释;其三是自融雪材料需低碳、环保、经济、施工方便。

自酏雪沥青路面材料研究趋势

纵观各类融雪除冰技术,根据其可操作性、工程造价、持久性,化学类抑制冻结铺装技术已逐渐成为主流融雪抑冰技术,该技术核心是自融,雪盐化物材料研发。未自融沥青路面材料研究将着眼于如下几个问题:

高效、环保、经济自融雪材料合成

根据自融雪沥青路面功能需求,基于颗粒学基本理论和自融雪材料物化特性,改善盐化物材料组成设计,减少对沥青路面、公路构造物及环境的不利影响,合成环保、经济、高效、施工简便的新型自融雪材料是今后沥青路面抗冻结技术的努力方向。

融雪机理研究

盐化物添加路面材料中,盐化物颗粒被高分子有机材料包裹、粘结,盐化物有效成分析出-扩散过程是一个复杂的离子交换-吸附过程,缓释与析出机理尚不明确,挖掘有效成分析出机制需要大量的试验数据作为支撑。盐化物有效成分的析出与缓释既是一个化学问题,也是一个物理问题,需从两个方面揭示盐化物颗粒的融雪化冰机理。

与新型路面结构相结合

自融雪材料作为填料可与排水路面、透水路面、超薄磨耗层、微表处及SMA等新型路面结构与材料相结合,发挥盐化物材料自融雪功能。

结语

分析了国内外各类自融雪沥青技术的材料组成、融雪机理,结合其经济性、可操作性、持久性及环保要求,化学类抑制冻结铺装技术已逐渐成为主流融雪抑冰技术,研发科学、经济、环保的自融雪材料是沥青路面抗冻结技术的核心。

分析了各类自融雪材料的技术特点,提出研发化学类自融雪材料需解决的关键技术问题。

基于自融雪抑冰材料的物化特性,结合沥青路面工程实际,提出自融雪沥青路面材料未来的研究方向。



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