沥青路面湿滑的原因分析及控制措施

沥青路面湿滑的原因分析及控制措施

1沥青及隧道路面对隧道运行影响的影响沥青路地板无接缝，表面平整，振动小，噪音低，行驶舒适，施工机械化程度高，进度快，维护维修方便，适合雨季建设。这是我国道路类型中最重要的一种。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350～400t/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1000亿元人民币。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3000万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化学熔融法路面冰雪去除的方法主要有清除法和融化法2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,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。1kg盐融化的冰或雪,在-1℃时为46.3kg,而在-18℃时仅为3.7kg。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,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目前，对沥青路面雪化冰技术的研究对于沥青路面融雪除冰的研究,尚处于起步阶段。3.1导电材料的使用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(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。3.2发热电缆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,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:采用发热电缆融雪化冰系统,铺装功率为250～350W/m2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。4沥青路面防冻抗滑技术本文以武汉长江隧道工程为背景,根据隧道匝道出入口除冰与高抗滑性能的设计要求,提出沥青路面防冻抗滑技术的研究思路与实现途径,以期制备出能够自动加热融雪除冰,防冻抗滑功能兼备的隧道匝道出入口沥青路面。4.1沥青路面除冰防滑的技术方法4.1.1金属管及热质因发热电缆融雪化冰系统具有无污染、运行费用低、热稳定性好、控制方便等优势,本研究拟采用自行研制的发热管埋设在路面沥青混凝土中进行融雪化冰。发热管由在传热良好的金属管中内穿适当功率的电伴热带并充填适当的温控介质后密封组装而成。电伴热带为发热源。金属管可以对电伴热带起保护作用,防止发热带因雨、雪水渗漏而造成可靠性的下降;可以提高发热带的抗压抗拉强度,使其经得起各种环境下的安装使用;同时应该可以提高沥青路面的抗车辙能力。金属管使用的更主要目的是要在管内填装温控介质且不影响热量的传递。金属管的材质、管径和壁厚根据温控介质的设计装填量、沥青混凝土覆面层的厚度、传热能力和速率、发热管的铺装工艺、路面抗车辙能力以及成本等选定。由发热电缆融雪化冰实验得知,增大电缆的铺装功率是提高融雪化冰效果的一条有效途径。目前市场上用于融雪化冰的发热电缆主要是国外产品,价格昂贵,最大线功率为35W/m;而国内产品的线功率一般仅为17W/m,难以满足各种气象条件下的融雪要求。电伴热带的额定功率可选择余地较大,在现场能按实际需要长度任意剪切,同时具有柔韧性,方便敷设。发热管中拟选用适当功率的恒功率并联式电伴热带进行试验研究。金属管内填装适宜的温控介质,一是为了节省融雪化冰时的电能消耗;二是可以调控发热管的表面温度,同时使热量向路面表层传递时形成较均匀的温度场,减小由于热冲击作用对沥青路面造成的破坏。温控介质拟采用某种能够将能量进行贮存、实现能量在不同时空位置之间转换的材料。4.1.2发热管道结构的设计基础和实现方法路面开裂随坡变化特性热冲击作用对道路的破坏源于使沥青面层发生了低温开裂。沥青路面在寒冷气候发生收缩并受到下层路面的约束时,会在路面层中形成拉应力,当路面某点的拉应力超过其抗拉强度时,则沥青层发生开裂,这就是低温开裂。在温度骤降的过程中或之后的降温时,最易发生低温开裂。低温开裂最初由一次性降温引起,但通过多次低温循环的重复得以发展。因为温度反复升降导致温度应力疲劳使混合料的极限拉伸应变变小,再加上沥青的老化使沥青劲度增高,应力松弛性能降低,故可能在比一次性降温开裂温度更高的温度下开裂,并且裂缝随着路龄的增加而不断增加。路面低温开裂的表现形式为按一定间距发生的横向裂缝。路面裂缝的危害在于从裂缝中不断进入水分使基层甚至路基软化,导致路面承载力下降,产生唧浆、台阶、网裂,加速路面破坏。电伴热带的额定功率较大时,在工作状态下表面温度往往超过150℃,倘若沥青混合料直接与之包裹接触经受高温作用并传热,而沥青面层处于冰雪环境,散热很快。因为空气是不良导体,在冰雪急剧融化时,从空气中只能吸收很少热量,大部分热量需要从接触冰雪的路面吸收。则在面层沥青混凝土中必然会产生较大的温度梯度和温度的反复升降变化,使路面因受到较大的热冲击作用而开裂破坏。热源放电对结构层温度场的影响拟作温控介质的材料在其本身发生变化的过程中,可以吸收环境的热(冷)量,并在需要时向环境放出热(冷)量,故而具有控制周围环境温度的功能。据此,发热管中的温控介质可以在热源放热升高道路表面温度时吸热用于进行自身变化,这样金属管壁的温升不是很高,避免了沥青材料多次经受高温作用发生老化;而当热源断电时,温控介质再次发生变化放出热量,使得沥青面层可在一段时间内保持恒温且当路面降温时降幅平缓,沥青结构层中温度场分布较均匀。这样不仅温度裂缝的发生条件大大弱化,而且可以利用温控介质放热融雪化冰,发热源得以间歇通电节省能源。高效、稳定的建筑节能材料用作温控介质的材料的筛选条件是:特定的变化温度,较大的变化潜热及热导率,在变化过程中不发生熔析现象和化学成分变化;较快的结晶速度和晶体生长速度,蒸气压低,体积膨胀率小,密度大;能在恒定的温度范围下循环变化,过冷度小,性能长期稳定;对环境和人畜无害,对容器材料无腐蚀性,不容易燃烧;原料来源丰富,价格便宜。目前国内外应用于建筑节能领域的这类材料主要包括结晶水合盐类无机材料,以及石蜡、羧酸、酯、多元醇和高分子聚合物等有机材料。结晶水合盐类的熔化无毒、无腐蚀性,但其热导率较低,变化过程中传热性能差。近年来,研究重点多放在石蜡烃、脂肪酸、多元醇类等有机材料上。二元或多元复合为有效克服单一的无机类或有机类材料存在缺点的研发方向。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结构特点。同时沥青属于感温性材料,其性能对于环境温度与荷载作用速率变化非常敏感。在大纵坡条件下,不仅对沥青面层抗湿滑和冬季防冻抗滑性要求甚高,高温、慢速行车以及车辆频繁制动也对沥青面层的抗剪强度、抗车辙性能、路面结构层之间的粘结性能与耐久性提出更高的要求。提高沥青路面的抗滑能力,必须使路面的抗滑表层有粗糙的表面,即较大的宏观粗糙度及微观粗糙度。前者取决于沥青混合料的构造深度,后者取决于粗集料的耐磨光性能。为此需要铺装构造深度大、摩擦系数高、抗剪强度高的沥青路面材料。SMA是一种热拌热铺的间断级配骨架型密实沥青混合料。SMA由大比例碎石(粗集料,70%以上)构成坚固的骨架结构,并由丰富的沥青玛蹄脂(胶泥,由细集料、纤维稳定剂、矿粉与沥青结合料组成)填充骨架空隙进行稳定及加固,少量的细集料作为沥青玛蹄脂的一部分,基本不参与构建集料结构的作用。间断级配的意义在于通过碎石间的直接接触和相互嵌锁来增强路面的强度与稳定性。SMA采用坚硬、粗糙、耐磨的优质石料;且矿料采用间断级配,粗集料含量高,路面压实后表面形成大的孔隙,构造深度大,一般超过1mm,这两方面结合必然使抗滑性能提高;后者还使交通噪声降低。因为交通荷载主要由抵抗永久变形能力很高的骨架结构承担,故而SMA路面具有较强的高温抗车辙能力;相当数量的沥青玛蹄脂则赋予SMA高度的耐久性,有利于延长路面寿命。沥青玛蹄脂对粗集料充分包裹填充并与之良好粘接,使得SMA混合料的空隙率很小,几乎不透水,沥青与空气的接触少,因而沥青混合料的耐老化性、水稳定性都很好;低温抗裂性能也因玛蹄脂的韧性和柔性而提高。采用改性沥青后,还可进一步全面提高SMA路面的性能。SMA与可以作为重交通道路磨耗层的其它类型热拌混凝土(HMA)混合料的路用性能列于表1。通过比较可以看出,只有SMA混合料能将路面的抗滑性与耐久性统一起来,将抗车辙性能与抗裂性统一起来,并获得各个方面的优异性能。5自动加热融雪除冰防冻抗滑技术沥青路面是我国现代化道路的主要路面形式。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。对沥青路面防冻抗滑技术进行理论及应用研究,是极具价值的研究方向,也将是未来道路及隧道路面冬季抗冻安全性研究的热点问题。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沥青