瀝青路面濕滑的原因分析及控制措施

瀝青路面濕滑的原因分析及控制措施

1瀝青及隧道路面對(duì)隧道運(yùn)行影響的影響瀝青路地板無(wú)接縫，表面平整，振動(dòng)小，噪音低，行駛舒適，施工機(jī)械化程度高，進(jìn)度快，維護(hù)維修方便，適合雨季建設(shè)。這是我國(guó)道路類型中最重要的一種。我國(guó)已建或在建的高速公路中,90%以上采用瀝青混凝土路面。可以預(yù)見(jiàn),瀝青混凝土在我國(guó)今后高速公路與城市道路路面、橋面鋪裝、飛機(jī)跑道等的建設(shè)及維修中必定愈來(lái)愈受重視,更是跨江海隧道和公路隧道路面的發(fā)展方向。資料表明,我國(guó)高速公路約需消耗瀝青350～400t/km(按四車道計(jì)),僅公路每年實(shí)際瀝青消耗量已經(jīng)突破600萬(wàn)t。2004年全國(guó)新增高速公路就消耗瀝青超過(guò)700萬(wàn)t,其中進(jìn)口瀝青超過(guò)200萬(wàn)t,瀝青生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中發(fā)生的費(fèi)用超過(guò)1000億元人民幣。依據(jù)2005年發(fā)布的《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》,我國(guó)高速公路通車總里程將達(dá)約8.5萬(wàn)km,其中新增里程近5萬(wàn)km,瀝青消耗量將超過(guò)3000萬(wàn)t。瀝青基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的順利發(fā)展起著重要的作用。大量調(diào)查研究表明,路面狀況的好壞是影響道路交通運(yùn)輸?shù)闹匾蛩?。瀝青路面常因降水或冬季雨雪結(jié)冰而使磨耗層的摩擦系數(shù)下降變得濕滑。路面摩擦力不夠是發(fā)生車輪側(cè)滑或剎車距離延長(zhǎng)的根本原因。路面抗滑性能差,會(huì)嚴(yán)重威脅車輛行駛的動(dòng)力性及安全性,導(dǎo)致公路運(yùn)輸效率極低,交通事故成倍增長(zhǎng),甚至迫使道路和機(jī)場(chǎng)關(guān)閉,給客貨運(yùn)輸帶來(lái)不便,也給建設(shè)單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì),15%左右的交通事故與道路積雪有關(guān)。冰雪路面交通事故發(fā)生率是平時(shí)的4～5倍,每年因此造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾千萬(wàn)元。跨江海隧道濕度大,主體部分距地面較深,考慮成本,隧道匝道出入口段路面縱坡一般較大。該段路面受雨雪影響容易成為隧道交通事故的高發(fā)區(qū),同時(shí)易導(dǎo)致在隧道出入口處出現(xiàn)交通堵塞,影響安全運(yùn)行效率。因之,研究提高瀝青路面冬季防凍及抗滑性能的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)保障道路暢通與行車安全、提高運(yùn)營(yíng)效益、減少隧道出入口交通事故發(fā)生率和交通堵塞瓶頸等問(wèn)題,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2化學(xué)熔融法路面冰雪去除的方法主要有清除法和融化法2大類。清除法分人工除雪與機(jī)械除雪。人工除雪對(duì)積雪清除較徹底,但效率低、費(fèi)用高并影響交通通行及行車安全,適用于小雪及重難點(diǎn)路段的積雪清除;采用機(jī)械設(shè)備鏟雪,效率高,適合于大面積機(jī)械化清除作業(yè)。而且當(dāng)氣溫較低時(shí),單獨(dú)使用機(jī)械除雪效果不好,雖可鏟除路面上的積雪,卻不能徹底清除冰面,車輛與路面的附著力仍然很低。機(jī)械吹雪方式安全環(huán)保,但只用于機(jī)場(chǎng)等便于管理的較小范圍,不適合交通量大的公路和城市道路除雪。未經(jīng)碾壓過(guò)的厚度較薄的路面積雪可以吹去,積雪一旦被碾壓或結(jié)冰則無(wú)能為力。融化法有化學(xué)融化法和熱融化法之分?；瘜W(xué)融化法通過(guò)在路面上撒融雪劑來(lái)融雪化冰。融雪劑種類主要有氯鹽型、非氯鹽型和混合型等。氯鹽類融雪劑(氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀等)由于效果好、價(jià)格便宜而被多數(shù)國(guó)家主要使用。其除雪機(jī)理是鹽類溶于冰雪中形成冰點(diǎn)較純水低很多的不凍溶液,加速了積雪的融化;有些鹽則在溶解時(shí)放熱,使冰雪溫度升高而融化。但鹽融化冰雪的能力與溫度有關(guān),在低溫環(huán)境下鹽的融雪化冰效果不是很理想。1kg鹽融化的冰或雪,在-1℃時(shí)為46.3kg,而在-18℃時(shí)僅為3.7kg。撒鹽法通常適合于路面積雪厚度較小、環(huán)境溫度較高的地域。更重要的是,氯鹽類融雪劑在融化冰雪的同時(shí),給道路、設(shè)施帶來(lái)了巨大的負(fù)面影響!主要體現(xiàn)在腐蝕危害(對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、橋梁、道路、停車場(chǎng)、地下管線、汽車等)、凍融破壞(對(duì)混凝土等)和環(huán)境污染(破壞植被、污染地下水、大氣中較低的臭氧層受到損耗等)。特別是腐蝕危害,已成為世界性問(wèn)題。環(huán)保型融雪劑(尿素、醋酸鎂鈣、焦磷酸四鉀等)無(wú)氯鹽、硫酸鹽等腐蝕性成分,腐蝕和破壞作用較小,融雪速度快于食鹽水溶液,但價(jià)格昂貴。所以目前我國(guó)在城市、高速公路區(qū)域大面積應(yīng)用的仍是氯鹽類融雪劑產(chǎn)品。撒固體食鹽(或鹽水)仍是國(guó)內(nèi)外道路融雪化冰的主要手段。熱融化法是用加熱的方法來(lái)融雪化冰,因可避免使用氯鹽類融雪劑帶來(lái)的一系列負(fù)面作用,故目前被廣為關(guān)注,成為研究的重點(diǎn)。現(xiàn)階段研究重點(diǎn)是導(dǎo)電混凝土和發(fā)熱電纜融雪化冰系統(tǒng)。導(dǎo)電混凝土系在普通混凝土中添加一定含量的導(dǎo)電相材料而制成,既有普通混凝土的承載能力,又有良好的導(dǎo)電性及電熱特性。利用導(dǎo)電混凝土的電熱效應(yīng)清除路面冰雪是冬季寒冷地區(qū)道路橋梁融雪化冰的新方法。導(dǎo)電混凝土包括導(dǎo)電水泥混凝土和導(dǎo)電瀝青混凝土。導(dǎo)電水泥混凝土的相關(guān)研究很多,導(dǎo)電相材料主要集中在碳纖維方面,也有的采用復(fù)相材料(碳纖維、鋼纖維、鋼渣、石墨等復(fù)摻)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。3目前，對(duì)瀝青路面雪化冰技術(shù)的研究對(duì)于瀝青路面融雪除冰的研究,尚處于起步階段。3.1導(dǎo)電材料的使用瀝青及其混合料都屬于絕緣體材料,只有摻入大量的導(dǎo)電相材料才能使瀝青混凝土獲得良好的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電相材料在形狀上有纖維狀或顆粒狀;在化學(xué)成分上有金屬類(銅、銀、鋁、鎳等)與非金屬類(碳基材料)?？紤]到成本、導(dǎo)電性、與瀝青的相容性以及金屬的易氧化性,通常采用碳基材料(碳黑、石墨、短切碳纖維和導(dǎo)電爐黑)進(jìn)行導(dǎo)電相材料組成設(shè)計(jì)。瀝青混合料級(jí)配應(yīng)具有良好的顆粒組成和足夠的礦料間隙用以填充大量的導(dǎo)電相材料。通常采用Superpave(高性能瀝青路面)級(jí)配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行導(dǎo)電瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)。所配制的瀝青混凝土電導(dǎo)率存在滲流閾值Pc,即電導(dǎo)率在某一臨界值發(fā)生突變。吳少鵬等人研究了石墨、碳纖維對(duì)瀝青混凝土材料導(dǎo)電性能的影響。3.2發(fā)熱電纜融雪化冰發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)是以電力為能源,發(fā)熱電纜為發(fā)熱體,將電能轉(zhuǎn)化為熱能,通過(guò)結(jié)構(gòu)層將熱量傳遞到物體表面,再通過(guò)物體表面與冰雪之間的顯熱和潛熱交換進(jìn)行融雪化冰。發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰在北歐等國(guó)家已有應(yīng)用,但未見(jiàn)有系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、研究報(bào)道以及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)李炎鋒等人開(kāi)展了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究,圍繞發(fā)熱電纜融雪化冰的一些關(guān)鍵問(wèn)題,進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作和理論分析。實(shí)驗(yàn)表明:采用發(fā)熱電纜融雪化冰系統(tǒng),鋪裝功率為250～350W/m2時(shí),可以滿足一般氣象條件下的實(shí)時(shí)融雪要求,但需進(jìn)行預(yù)熱。鋪裝功率不同,預(yù)熱時(shí)間也即瀝青混凝土上表面達(dá)到最佳融雪效果溫度(2℃～3℃)的時(shí)間不同。故鋪裝功率與預(yù)熱時(shí)間2個(gè)參數(shù)可以為功率設(shè)計(jì)和控制方案提供依據(jù)。4瀝青路面防凍抗滑技術(shù)本文以武漢長(zhǎng)江隧道工程為背景,根據(jù)隧道匝道出入口除冰與高抗滑性能的設(shè)計(jì)要求,提出瀝青路面防凍抗滑技術(shù)的研究思路與實(shí)現(xiàn)途徑,以期制備出能夠自動(dòng)加熱融雪除冰,防凍抗滑功能兼?zhèn)涞乃淼涝训莱鋈肟跒r青路面。4.1瀝青路面除冰防滑的技術(shù)方法4.1.1金屬管及熱質(zhì)因發(fā)熱電纜融雪化冰系統(tǒng)具有無(wú)污染、運(yùn)行費(fèi)用低、熱穩(wěn)定性好、控制方便等優(yōu)勢(shì),本研究擬采用自行研制的發(fā)熱管埋設(shè)在路面瀝青混凝土中進(jìn)行融雪化冰。發(fā)熱管由在傳熱良好的金屬管中內(nèi)穿適當(dāng)功率的電伴熱帶并充填適當(dāng)?shù)臏乜亟橘|(zhì)后密封組裝而成。電伴熱帶為發(fā)熱源。金屬管可以對(duì)電伴熱帶起保護(hù)作用,防止發(fā)熱帶因雨、雪水滲漏而造成可靠性的下降;可以提高發(fā)熱帶的抗壓抗拉強(qiáng)度,使其經(jīng)得起各種環(huán)境下的安裝使用;同時(shí)應(yīng)該可以提高瀝青路面的抗車轍能力。金屬管使用的更主要目的是要在管內(nèi)填裝溫控介質(zhì)且不影響熱量的傳遞。金屬管的材質(zhì)、管徑和壁厚根據(jù)溫控介質(zhì)的設(shè)計(jì)裝填量、瀝青混凝土覆面層的厚度、傳熱能力和速率、發(fā)熱管的鋪裝工藝、路面抗車轍能力以及成本等選定。由發(fā)熱電纜融雪化冰實(shí)驗(yàn)得知,增大電纜的鋪裝功率是提高融雪化冰效果的一條有效途徑。目前市場(chǎng)上用于融雪化冰的發(fā)熱電纜主要是國(guó)外產(chǎn)品,價(jià)格昂貴,最大線功率為35W/m;而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的線功率一般僅為17W/m,難以滿足各種氣象條件下的融雪要求。電伴熱帶的額定功率可選擇余地較大,在現(xiàn)場(chǎng)能按實(shí)際需要長(zhǎng)度任意剪切,同時(shí)具有柔韌性,方便敷設(shè)。發(fā)熱管中擬選用適當(dāng)功率的恒功率并聯(lián)式電伴熱帶進(jìn)行試驗(yàn)研究。金屬管內(nèi)填裝適宜的溫控介質(zhì),一是為了節(jié)省融雪化冰時(shí)的電能消耗;二是可以調(diào)控發(fā)熱管的表面溫度,同時(shí)使熱量向路面表層傳遞時(shí)形成較均勻的溫度場(chǎng),減小由于熱沖擊作用對(duì)瀝青路面造成的破壞。溫控介質(zhì)擬采用某種能夠?qū)⒛芰窟M(jìn)行貯存、實(shí)現(xiàn)能量在不同時(shí)空位置之間轉(zhuǎn)換的材料。4.1.2發(fā)熱管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法路面開(kāi)裂隨坡變化特性熱沖擊作用對(duì)道路的破壞源于使瀝青面層發(fā)生了低溫開(kāi)裂。瀝青路面在寒冷氣候發(fā)生收縮并受到下層路面的約束時(shí),會(huì)在路面層中形成拉應(yīng)力,當(dāng)路面某點(diǎn)的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí),則瀝青層發(fā)生開(kāi)裂,這就是低溫開(kāi)裂。在溫度驟降的過(guò)程中或之后的降溫時(shí),最易發(fā)生低溫開(kāi)裂。低溫開(kāi)裂最初由一次性降溫引起,但通過(guò)多次低溫循環(huán)的重復(fù)得以發(fā)展。因?yàn)闇囟确磸?fù)升降導(dǎo)致溫度應(yīng)力疲勞使混合料的極限拉伸應(yīng)變變小,再加上瀝青的老化使瀝青勁度增高,應(yīng)力松弛性能降低,故可能在比一次性降溫開(kāi)裂溫度更高的溫度下開(kāi)裂,并且裂縫隨著路齡的增加而不斷增加。路面低溫開(kāi)裂的表現(xiàn)形式為按一定間距發(fā)生的橫向裂縫。路面裂縫的危害在于從裂縫中不斷進(jìn)入水分使基層甚至路基軟化,導(dǎo)致路面承載力下降,產(chǎn)生唧漿、臺(tái)階、網(wǎng)裂,加速路面破壞。電伴熱帶的額定功率較大時(shí),在工作狀態(tài)下表面溫度往往超過(guò)150℃,倘若瀝青混合料直接與之包裹接觸經(jīng)受高溫作用并傳熱,而瀝青面層處于冰雪環(huán)境,散熱很快。因?yàn)榭諝馐遣涣紝?dǎo)體,在冰雪急劇融化時(shí),從空氣中只能吸收很少熱量,大部分熱量需要從接觸冰雪的路面吸收。則在面層瀝青混凝土中必然會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度和溫度的反復(fù)升降變化,使路面因受到較大的熱沖擊作用而開(kāi)裂破壞。熱源放電對(duì)結(jié)構(gòu)層溫度場(chǎng)的影響擬作溫控介質(zhì)的材料在其本身發(fā)生變化的過(guò)程中,可以吸收環(huán)境的熱(冷)量,并在需要時(shí)向環(huán)境放出熱(冷)量,故而具有控制周圍環(huán)境溫度的功能。據(jù)此,發(fā)熱管中的溫控介質(zhì)可以在熱源放熱升高道路表面溫度時(shí)吸熱用于進(jìn)行自身變化,這樣金屬管壁的溫升不是很高,避免了瀝青材料多次經(jīng)受高溫作用發(fā)生老化;而當(dāng)熱源斷電時(shí),溫控介質(zhì)再次發(fā)生變化放出熱量,使得瀝青面層可在一段時(shí)間內(nèi)保持恒溫且當(dāng)路面降溫時(shí)降幅平緩,瀝青結(jié)構(gòu)層中溫度場(chǎng)分布較均勻。這樣不僅溫度裂縫的發(fā)生條件大大弱化,而且可以利用溫控介質(zhì)放熱融雪化冰,發(fā)熱源得以間歇通電節(jié)省能源。高效、穩(wěn)定的建筑節(jié)能材料用作溫控介質(zhì)的材料的篩選條件是:特定的變化溫度,較大的變化潛熱及熱導(dǎo)率,在變化過(guò)程中不發(fā)生熔析現(xiàn)象和化學(xué)成分變化;較快的結(jié)晶速度和晶體生長(zhǎng)速度,蒸氣壓低,體積膨脹率小,密度大;能在恒定的溫度范圍下循環(huán)變化,過(guò)冷度小,性能長(zhǎng)期穩(wěn)定;對(duì)環(huán)境和人畜無(wú)害,對(duì)容器材料無(wú)腐蝕性,不容易燃燒;原料來(lái)源豐富,價(jià)格便宜。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域的這類材料主要包括結(jié)晶水合鹽類無(wú)機(jī)材料,以及石蠟、羧酸、酯、多元醇和高分子聚合物等有機(jī)材料。結(jié)晶水合鹽類的熔化無(wú)毒、無(wú)腐蝕性,但其熱導(dǎo)率較低,變化過(guò)程中傳熱性能差。近年來(lái),研究重點(diǎn)多放在石蠟烴、脂肪酸、多元醇類等有機(jī)材料上。二元或多元復(fù)合為有效克服單一的無(wú)機(jī)類或有機(jī)類材料存在缺點(diǎn)的研發(fā)方向。4.2改善混合材料的路用性能跨江海隧道匝道出入口段路面形成大坡度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。同時(shí)瀝青屬于感溫性材料,其性能對(duì)于環(huán)境溫度與荷載作用速率變化非常敏感。在大縱坡條件下,不僅對(duì)瀝青面層抗?jié)窕投痉纼隹够砸笊醺?高溫、慢速行車以及車輛頻繁制動(dòng)也對(duì)瀝青面層的抗剪強(qiáng)度、抗車轍性能、路面結(jié)構(gòu)層之間的粘結(jié)性能與耐久性提出更高的要求。提高瀝青路面的抗滑能力,必須使路面的抗滑表層有粗糙的表面,即較大的宏觀粗糙度及微觀粗糙度。前者取決于瀝青混合料的構(gòu)造深度,后者取決于粗集料的耐磨光性能。為此需要鋪裝構(gòu)造深度大、摩擦系數(shù)高、抗剪強(qiáng)度高的瀝青路面材料。SMA是一種熱拌熱鋪的間斷級(jí)配骨架型密實(shí)瀝青混合料。SMA由大比例碎石(粗集料,70%以上)構(gòu)成堅(jiān)固的骨架結(jié)構(gòu),并由豐富的瀝青瑪蹄脂(膠泥,由細(xì)集料、纖維穩(wěn)定劑、礦粉與瀝青結(jié)合料組成)填充骨架空隙進(jìn)行穩(wěn)定及加固,少量的細(xì)集料作為瀝青瑪蹄脂的一部分,基本不參與構(gòu)建集料結(jié)構(gòu)的作用。間斷級(jí)配的意義在于通過(guò)碎石間的直接接觸和相互嵌鎖來(lái)增強(qiáng)路面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。SMA采用堅(jiān)硬、粗糙、耐磨的優(yōu)質(zhì)石料;且礦料采用間斷級(jí)配,粗集料含量高,路面壓實(shí)后表面形成大的孔隙,構(gòu)造深度大,一般超過(guò)1mm,這兩方面結(jié)合必然使抗滑性能提高;后者還使交通噪聲降低。因?yàn)榻煌ê奢d主要由抵抗永久變形能力很高的骨架結(jié)構(gòu)承擔(dān),故而SMA路面具有較強(qiáng)的高溫抗車轍能力;相當(dāng)數(shù)量的瀝青瑪蹄脂則賦予SMA高度的耐久性,有利于延長(zhǎng)路面壽命。瀝青瑪蹄脂對(duì)粗集料充分包裹填充并與之良好粘接,使得SMA混合料的空隙率很小,幾乎不透水,瀝青與空氣的接觸少,因而瀝青混合料的耐老化性、水穩(wěn)定性都很好;低溫抗裂性能也因瑪蹄脂的韌性和柔性而提高。采用改性瀝青后,還可進(jìn)一步全面提高SMA路面的性能。SMA與可以作為重交通道路磨耗層的其它類型熱拌混凝土(HMA)混合料的路用性能列于表1。通過(guò)比較可以看出,只有SMA混合料能將路面的抗滑性與耐久性統(tǒng)一起來(lái),將抗車轍性能與抗裂性統(tǒng)一起來(lái),并獲得各個(gè)方面的優(yōu)異性能。5自動(dòng)加熱融雪除冰防凍抗滑技術(shù)瀝青路面是我國(guó)現(xiàn)代化道路的主要路面形式。路面因降水或冬季雨雪結(jié)冰變得濕滑,會(huì)嚴(yán)重威脅車輛行駛的動(dòng)力性及安全性。對(duì)瀝青路面防凍抗滑技術(shù)進(jìn)行理論及應(yīng)用研究,是極具價(jià)值的研究方向,也將是未來(lái)道路及隧道路面冬季抗凍安全性研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。采用以SMA瀝青混合料作路面磨耗層、發(fā)熱管加熱系統(tǒng)融雪化冰、溫控介質(zhì)調(diào)控溫度的瀝青