路面凝冰技術教學課件

抗凝冰瀝青混合料應用技術交通運輸部科學研究院2015年4月1

抗凝冰瀝青混合料應用技術交通運輸部科學研究院11.研發(fā)背景2.主要研究成果3.應用實例4.經濟社會效益分析主要內容21.研發(fā)背景2.主要研究成果3.應用實例4.抗凝冰材料的研發(fā)背景3抗凝冰材料的研發(fā)背景3

2008年我國出現(xiàn)五十年一遇的雨雪冰凍災害。這一突發(fā)性自然事件，造成我國現(xiàn)有的公路基礎設施嚴重受損，削弱道路的通行能力，造成了交通中斷和惡性交通事故發(fā)生。

據不完全統(tǒng)計，在這次雨雪冰凍災害中，造成直接經濟損失1516.0億元、129人死亡。貴州、湖南、江西等19個省份直接經濟損失達573億元。處治大面積路面凝冰災害刻不容緩項目背景42008年我國出現(xiàn)五十年一遇的雨雪冰凍災害。這項目背景

初冬或殘冬季節(jié)，氣溫冷暖交替，路面表面極易形成凝冰，嚴重影響車輛的操作穩(wěn)定性和行駛安全性，引起交通事故。5項目背景初冬或殘冬季節(jié)，氣溫冷暖交替，路面項目類型項目名稱時間西部科技項目高速公路早期凝冰預警及高危路段凝冰自動化處置技術研究2009～2013貴州交通廳項目貴州山區(qū)高速公路瀝青路面自融冰技術研究2012~2014云南交通廳項目隧道口路面與橋面瀝青混合料凝凍防治技術研究2013~2016吉林交通廳項目高寒地區(qū)瀝青路面抗薄冰處治技術研究2012~2015內蒙交通廳項目寒冷地區(qū)高速公路蓄鹽瀝青路面自融冰技術研究2012~2014院基本業(yè)務項目高速公路抗凝冰瀝青混合料應用技術研究2013~2014抗凝冰路面技術依托科研項目匯總表6項目類型項目名稱時間西部科技項目高速公路早期凝冰預警及高危路主要研究成果7主要研究成果7主要成果凝冰環(huán)境條件標準抗凝冰改性劑研發(fā)抗凝冰功能性研究路用能性研究12348主要成果凝冰環(huán)境條件標準抗凝冰改性劑研發(fā)抗凝冰功能性研究路用研究內容一：凝冰環(huán)境條件標準凝冰形成原因北方：白天的雪水融化，夜晚成冰南方：凍雨雨滴從空中落下，近地面的氣溫很低，在電線桿、樹木、植被及道路表面都會凍結上一層晶瑩透亮的薄冰，氣象上稱為“凍雨”。形成機制：1）融化過程：大于0℃的暖空氣層覆蓋在冷空氣上，雪花（冰晶）在下落過程中經過暖層溶解為液滴，然后在經過近地面冷層冷卻、再凍結。2）過冷卻暖雨過程：中層沒有大于0℃暖層存在，過冷卻云滴通過碰并過程增長，導致凍雨出現(xiàn)。凍雨形成機理9研究內容一：凝冰環(huán)境條件標準凝冰形成原因北方：白天的雪水融化建立了氣象環(huán)境模擬實驗室，制造風、雨、霧、高溫、低溫等環(huán)境條件仿真模擬產生路面凝冰的溫度、濕度、風速與日照等要素，對路面凝冰機理及凝冰形成氣象條件進行研究。多環(huán)境綜合實驗室-25℃試驗環(huán)境遠程操作控制平臺研究內容一：凝冰環(huán)境條件標準Bayes判別理論

將Bayes判別理論作為預測氣象要素與凝冰相關性的理論依據?；舅枷胧羌俣▽λ芯康膶ο螅傮w）在抽樣前已有一定的認識，常用先驗分布來描述這種認識，然后給予抽取的樣本再對先驗認識作修正，得到后驗分布，而各種統(tǒng)計推斷均基于后驗分布進行。

對路面凝冰影響最大的因素主要有環(huán)境溫度、濕度和風速3個參量。

輸入向量X=[x1，x2，x3]，其中xi分別為x1環(huán)境溫度、x2環(huán)境濕度、x3環(huán)境風速3個變量的語言變量。用Bayes判別分析，其先驗概率為q1、q2、q3（由經驗給出）出；x1，x2，x3的

維密度函數(shù)分別為f1（x）=-2.1919xT-7.118；f2（x）=-0.8449xH+77.616；f3（x）=-0.2888xW+9.487。根據

即可得到其概率值。計算模型10建立了氣象環(huán)境模擬實驗室，制造風、雨、霧、高11氣象要素名稱范圍預測產生凝冰次數(shù)其中實際凝冰次數(shù)預報準確率%誤報率%漏報率%溫度-10~02800966351948濕度>75%1518856564417風速0~10m/s36001018282471風向定向30301007331971單氣象因素預測凝冰準確性分析氣象要素名稱范圍預測產生凝冰次數(shù)其中實際凝冰次數(shù)預報準確率

%誤報率%漏報率%溫度-10~01530123680.7183濕度>75%風速0~10m/s風向定向多氣象因素預測凝冰準確性分析利用Bayes進行單、多氣候因素相關性預測采用多氣象要素預測凝冰的形成較為準確，準確率達80.7%

凝冰形成的環(huán)境條件：

氣溫介于-10℃～0℃，相對濕度大于75%，風速0～10m/s，

風向比較固定。11氣象要素范圍預測產生凝冰次數(shù)其中實際凝冰次數(shù)預報準確率研究內容二：抗凝冰改性劑研發(fā)方案一在毛細管壓力及車輛碾壓作用下，瀝青混合料內部抑制凍結作用的鹽分逐漸析出，從而降低道路表面水的冰點，抑制道路表面積雪結冰。去冰機理鹽化物有效降低路面冰點到-20℃，阻止路面結冰。有效減緩鹽化物的釋放，在路面使用年限內控制鹽化物勻速釋放，保障其使用耐久性。對道路周邊的土壤、植被、水源不造成破壞。有效保護橋梁，防止出現(xiàn)鋼筋腐蝕，適用于對環(huán)保要求較高的道路環(huán)境。有助于使改性劑顆粒承受較強壓力，避免其在混合料拌和過程中被破壞。緩釋劑抗腐蝕劑增強劑成分組成研究內容二：抗凝冰改性劑研發(fā)方案一在毛細管壓力研究內容二：抗凝冰改性劑研發(fā)緩釋性能研究第一種緩釋劑第二種緩釋劑編號摻量編號摻量1#10%4#10%2#20%5#20%3#30%6#30%投入水中計時，至完全溶解。用氯離子含量快速測定儀分析氯離子析出快慢及濃度。研究內容二：抗凝冰改性劑研發(fā)緩釋性能研究第一種緩釋劑第二種緩時間x=600s編號含量%濃度mol/L1#0.42790.01172#0.54190.01423#0.49100.01354#0.41940.01475#0.48860.03626#0.44650.0153各樣品同一時刻氯離子含量及濃度對比

2#樣品在600秒時的氯離子含量最高，但溶解速率較快，不到800s，說明緩釋劑效果不佳。6#樣品的最終溶解時間最長，但水中氯離子含量及濃度較低，說明過長的緩釋效果影響了除冰功能性的發(fā)揮。5#樣品的最終溶解時間略低于6#樣品，為1000秒。在同一時間（600秒時），其氯離子濃度最高。說明其緩釋效果較好，鹽化物氧含量豐富。5#樣品是最終選定的樣品，其鹽化物與緩釋劑的調配比例適中。試驗結論

緩釋劑的摻加，有助于降低鹽分子的析出速率，從而提高抗凝冰改性劑的耐久性。同時，氯離子含量未有明顯降低，保證了抗凝冰改性劑的功能性。時間x=600s編號含量%濃度mol/L1#0.42790.研究內容二：抗凝冰改性劑研發(fā)摻量確定利用凍融劈裂試驗確定摻量2%、4%、6%三個摻量繪制曲線圖由圖，5%時為最佳摻量

隨凝冰材料的添加，凍融循環(huán)后的強度逐漸增大。

這是因為凝冰材料的強度起到一定的作用，導致加入抗凝冰材料后的強度比未加時高。

這種趨勢直至摻量為5%時達到頂峰。研究內容二：抗凝冰改性劑研發(fā)摻量確定利用凍融劈裂試驗確定摻量研究內容三：抗凝冰功能性研究1融雪抗凝冰效果試驗試驗方法：

模擬冬季中到大雪降雪量，在車轍試件上撒布積雪。結論經過數(shù)十次的抗凝冰融雪試驗，除冰效果顯著。研究內容三：抗凝冰功能性研究1融雪抗凝冰效果試驗試驗方法研究內容三：抗凝冰功能性研究2抗凝冰耐久性試驗--氯離子濃度含量變化監(jiān)測試驗方法：

將抗凝冰馬歇爾試件，在常溫下全部泡入水中，24h/天，20天。每天測一次氯離子濃度，氯離子濃度不斷析出，最終達到一個平穩(wěn)峰值。（試件中殘留的鹽化物將通過車輛碾壓析出）結論在浸泡條件下，不會再導致氯離子的持續(xù)流失。自融冰改性劑具有一定的耐久性。研究內容三：抗凝冰功能性研究2抗凝冰耐久性試驗--研究內容三：抗凝冰功能性研究2抗凝冰耐久性試驗--動態(tài)水模擬實驗試驗方法：

將抗凝冰車轍板試件浸泡于溫度分別為-10℃，0℃，5℃，15℃，25℃，35℃的水中。按照試驗段年平均降雨量分10次給車轍板噴水，每次測定水中的氯離子含量。隨著每次沖淋，溶液中氯離子含量逐漸增加，說明在路面淋雨狀態(tài)下，氯離子含量會相應有部分流失。經過了一年降雨的集中沖淋后，車轍板中，仍然有自融冰改性劑的存在，說明年降雨量，并未使其全部被溶解，因此認為不會對冬季融冰造成決定性的影響。夏季高溫天氣，在淋雨的情況下未能造成自融冰改性劑的大量析出。研究內容三：抗凝冰功能性研究2抗凝冰耐久性試驗--溫度-10℃0℃5℃15℃25℃35℃自融冰改性劑流失總量mol/L0.0135910.0094010.0103150.0107880.0097610.009683自融冰改性劑流失質量g/L0.4824810.3337360.3661830.3829740.3465160.343747沖淋72L水后流失的自融冰改性劑質量g34.738624.0289626.3651427.5741324.9491224.74975自融冰改性劑殘余量g516.5114527.221524.8849523.6759526.3009526.5003殘余量所占試件總重百分比%4.92%5.02%5.00%4.99%5.01%5.01%流失量所占試件總重百分比%0.33%0.23%0.25%0.26%0.24%0.24%持續(xù)年限14.921.820.119.220.920.9抗凝冰改性劑殘余量分析及持續(xù)年限預測結論

按照每年流失量計算，自融冰改性劑能持續(xù)釋放14~20年不等，可認為自融冰改性劑具有一定的耐久性，能夠滿足路面使用年限的要求。夏季不流失冬季自融冰溫度-10℃0℃5℃15℃25℃35℃自融冰改性劑流失總量m研究內容四：路用能性研究1基于堆積密度理論的配合比設計方法調整粒徑分布從規(guī)范寬泛的級配內找到合適級配獲得最佳骨架密實型結構提高抗車轍等路用性能研究內容四：路用能性研究1基于堆積密度理論的配合比設計方漿體中分散的粉體顆粒表面包裹著一層瀝青膜，將粉體顆粒及包裹它的瀝青膜看作復合顆粒，從而把實際漿體中分散的顆粒體系轉化成假想相互接觸堆積的復合顆粒干粉體系。在此基礎上用Stovall公式計算出復合顆粒的堆積密度，再通過一定的轉化關系就可以最終得到瀝青中集料顆粒的堆積密度。1-粉體顆粒2-瀝青溶液3-假想瀝青膜4-復合顆粒

(a)實際漿體體系(b)假想干粉體系堆積密度示意圖研究內容四：路用能性研究假設a基本思想漿體中分散的粉體顆粒表面包裹著一層瀝青膜，將粉體顆粒及包裹它b多組分顆粒理想堆積密度關系c多組分顆粒實際體系堆積密度關系b多組分顆粒c多組分顆粒測定形狀指數(shù)與堆積密度標定參數(shù)參數(shù)驗證粒徑(mm)ABCDE25～20203025151020～16201015152016～10203015253010～520203025205～2.52010152020集料粒徑質量百分含量（％）編號試驗值計算值A0.5760.580B0.5670.562C0.5660.561D0.5620.560E0.5720.577集料堆積密度參數(shù)標定試驗值與計算值粒徑(mm)1234525～20201825251820～16202523251216～10302517152010～525222025285～2.5510151022驗證參數(shù)級配試驗值計算值10.54750.548320.55300.554230.55890.562240.55700.559050.56280.5642參數(shù)驗證試驗值與計算值d公式中顆粒形狀修正測定標定參數(shù)參數(shù)驗證粒徑(mm)ABCDE25～202030篩孔尺寸mm礦料設計級配規(guī)定級配10~155～103～50～3礦粉級配中值級配下限級配上限16100.0100100100100.010010010010013.284.2100.0100100100.095.395901009.518.898.5100.0100100.075.276.568854.750.47.291.4100.0100.047.15338682.360.31.11.780.2100.031.43724501.180.31.01.448.0100.019.726.515380.60.31.01.425.0100.011.41910280.30.31.01.415.6100.0813.57200.150.30.91.410.599.96.2105150.0750.30.91.48.399.65.4648配合比30.024.08.036.02.0100.02本項目礦料級配確定抗凝冰混合料目標配合比礦料級配及合成曲線

AC-13SBS改性瀝青

石灰?guī)r集料

原材均符合技術要求

24篩孔尺寸礦料設計級配規(guī)定級配10~155～103～50～3礦目標配和比設計：最佳油石比為5.2%3最佳油石比確定253最佳油石比確定25路用性能試驗結果匯總表研究內容四：路用能性研究4路用性能測試試驗項目單位實測值規(guī)定值（不小于）馬歇爾穩(wěn)定度（30min）kN13.48.0浸水殘留穩(wěn)定度（48h）%88.485動穩(wěn)定度（0.7MPa）次/mm52582800凍融劈裂TSR%85.780低溫彎曲με35622500抗滑性(高防滑型)，BPN值--85～9570路用性能試驗結果均滿足規(guī)范要求26路用性能試驗結果匯總表研究內容四：路用能性研究4路用性能依托工程應用實例27依托工程應用實例27路面凝冰危險性等級評價研究平衡造價特殊路段或凝冰多發(fā)路段鋪筑考慮因素道路設計環(huán)境因素路面性能安全車速詳見表格危險性等級評價劃分提供依據試驗段選定凝冰危險性等級劃分以長大縱坡路段鋪筑試驗路為例，危險指數(shù)>60，危險等級為5級，危險程度為嚴重危害，應主動采取抗凝冰處治措施。危害指數(shù)道路類型危害等級危害程度影響和建議<20靠湖臨河1無危害天氣條件對交通無影響，可以正常行車20~34背陰路段2輕度危害道路凝冰，摩擦系數(shù)下降，車輪易打滑，減速慢行35~49隧道進出口3中等危害持續(xù)凝冰，摩擦系數(shù)明顯下降，車輪易打滑，減速慢行50~60橋梁涵洞4重度危害持續(xù)凝冰，路面結冰，車輛行駛打滑，減速慢行>60長大縱坡5嚴重危害持續(xù)低溫凝冰，車輛行駛打滑，減少出行28路面凝冰危險性等級評價研究平衡造價特殊路段或凝冰多發(fā)路云南省昭通小凌子口段，海拔1920～1940米。常年多霧，陰冷潮濕。冬季有長達2～3月的結冰期，最低氣溫-6℃。2014年11月鋪筑，上面層AC-13依托工程--云南省G213線昭通至麻柳灣段路面工程1工程概況瀝青：茂名90號石油瀝青集料：當?shù)匦◇錅鲜瘓黾罢淹鞔蟮V業(yè)2#、3#、4#號石料填料：水泥（當?shù)責o礦粉）抗凝冰劑摻量：5%20cm水泥穩(wěn)定碎石5cmAC-203cmAC-13（抗凝冰層）K1692+820~K1694+000左半幅K1693+160~K1694+320右半幅共計2340m路面結構鋪筑里程原材料29云南省昭通小凌子口段，海拔依托工程--云南省G213線項目指標生產最佳油石比（%）5.3空隙率（%）4.2穩(wěn)定度（kN）13.4動穩(wěn)定度（次/mm）1575凍融劈裂強度比（%）85.7殘留穩(wěn)定度（%）88.4彎拉應變（με）35622瀝青混合料

技術指標0.0750.150.30.61.182.364.759.513.216篩孔尺寸（mm）技術指標均符合規(guī)范要求30項目指標生產最佳油石比（%）5.3空隙率（%）4.2穩(wěn)定度（3施工工藝拌和8~10sSBS改性瀝青粗集料細集料濕拌25~30s抗凝冰改性劑拌和5~15s后出料礦粉拌和樓干拌工藝及改性劑投放順序313施工工藝拌和8~10sSBS改性瀝青粗集料細集料濕拌4現(xiàn)場檢測12345平均值試驗路段路面溫度3.4℃3.7℃3.6℃3.5℃3.3℃3.5℃其它路段路面溫度-1.2℃-2.6℃-1.1℃-2.0℃-2.3℃-1.8℃紅外溫測儀測路面溫度123平均值試驗段路面5m5