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浅谈道路自调温融冰雪相变材料在养护维修工程实施中的应用

发表时间：2020/10/29 来源：《基层建设》2020年第21期作者：陈春强

[导读] 摘要：在北方地区, 路面冰雪对道路交通安全影响巨大, 目前常用的融雪化冰的方式主要是人工机械清除和撒布融雪剂，但其对路面及其构造物的腐蚀及对环境的污染等作用十分明显。

        白银新世纪路业有限责任公司
        摘要：在北方地区, 路面冰雪对道路交通安全影响巨大, 目前常用的融雪化冰的方式主要是人工机械清除和撒布融雪剂，但其对路面及其构造物的腐蚀及对环境的污染等作用十分明显。为了延迟道路表面积雪结冰速度，提高路面使用性能，本文研究对比了G309线K2058+340-K2063+200段养护维修工程项目中盐化物试验路段及DTC道路自调温融冰雪相变材料试验路段，对盐化物和DTC道路自调温融冰雪相变材料进行了性能分析和效益分析，表明道路自调温融冰雪相变材料具有良好的应用前景。
        关键词：路面融雪化冰；盐化物；相变材料；试验段；G309线；养护维修
        引言
        G309线起点为山东省荣成市，终点为甘肃省兰州市，全长2208公里。G309线甘肃段途径大沟镇、甘沟驿镇、汉家岔镇、中连川乡、贡井镇、金崖镇、定远镇、关山乡。其中，G309线汉家岔至定远镇段公路是G309线的重要路段，是甘肃、宁夏两省省际通道，也是全省公路网主骨架结构中东西大通道的组成部分，在全省路网结构中具有重要作用。由于该路段地处山区，海拔较高，且多陡弯急坡，在冬季，尤其是遇大范围的雨雪天气，极易导致道路瘫痪或发生交通事故，造成人员伤亡及财产损失。
        为减少冬季冰雪灾害对道路通畅和行车安全带来的影响，国内外研究学者在路面融雪化冰方面进行了长期的探索。目前主流的融雪除冰的技术有人工机械铲除、撒布融雪剂、热力学法融冰技术以及抑制冻结铺装技术。其中，融雪剂是目前除雪化冰用量最大、应用较广的路面首选材料，其中氯化物融雪剂因易于获得、价格底廉使用最广泛。但是，随着其应用范围的逐步扩大和使用量的逐年增加，氯化物融雪剂的负面影响也逐渐凸显——会缩短高速公路的使用寿命，会威胁道路两旁植物的生长，会造成道路两旁耕地的碱化。
        基于以上原因，国内外很多学者和机构致力于融雪化冰新技术的研发，其中对主动抑冰雪沥青路面的研究也是很重要的一个方向。目前，较为普遍的是盐化物融雪路面和道路自调温融冰雪相变技术。本文对G309线K2058+340——K2063+200段养护维修工程中对盐化物融雪路面试验段和DTC道路自调温融冰雪相变材料试验段进行了性能分析和效益分析。
        一、试验段选取背景
        本次选取G309线K2058+340-K2063+200段养护维修工程项目中K2062+200～K2063+200段左幅作为盐化物试验路段，长度共计1.00km；K2061+200～K2062+200段左幅作为DTC道路自调温融冰雪相变材料试验路段，长度共计1.00km。
        二、盐化物融雪路面试验段
        （一）盐化物材料简介
        盐化物沥青路面是指在沥青混合料中直接掺入具有抑制冻结效果的盐化物，形成具有抑制冻结效果的路面。其作用原理是在毛细管压力及车辆碾压作用下，沥青混合料内部的盐分逐渐析出，从而降低道路表面水的冰点，延迟道路表面积雪结冰。
        （二）盐化物材料施工运用
        2019年6月，在G309线养护维修工程中，K2062+200-K2063+200段中沥青路面施工首次加入了新材料盐化物使用，依据生产配合比方案，矿粉用量为4%，盐化物使用方式为在拌合楼生产中直接代替矿粉掺加至沥青混合料拌和，后运输至施工现场直接摊铺施工。
        （三）盐化物材料的负面作用
        盐化物路面虽具有一定的融雪功能，但也有以下不足：
        1.融雪后积水不能迅速排走，当温度下降至-10℃以下时路面易结冰；
        2.对混合料性能有一点影响；与添加矿粉的普通混合料相比，低温抗裂性和水稳定性较差；
        3.随着融雪次数增多，盐分流逝导致融雪效果变差。
        4.氯盐对路面有一定腐蚀性，影响路面的使用寿命，造成环境污染。
        总体来讲，盐化物沥青混合料低温抗裂性和水稳定性较差，使路面使用寿命减少，增加了养护维修成本。
        三、DTC自调温融冰雪相变技术路面试验段
        （一）DTC材料、技术简介
        该技术是将相变材料掺入到沥青混合料中，铺装成自调温相变材料路面。道路相变调温材料从本质上改善沥青混合料性能，就像给公路穿上“太空服”，使自身能够储存能量，在不同温度进行相变调温，智能调控沥青路面温度，避免一般沥青混合料路面对温度敏感性，克服受环境温度影响, 易出现高温车辙、低温开裂等破坏现象，延长沥青混合料的温度疲劳寿命54%，提高其环境温度适应能力，提高道路使用寿命近一倍。
        经测定DTC材料不影响沥青混合料性能，DTC自调温路面施工，只需将DTC材料按比例加入到原沥青混合料中进行拌和即可。加入量为混合料总质量的0.3%-0.45%，具体用量参考《公路沥青混合料用融冰雪材料》第1部分：相变材料。拌和时可人工添加也可机械添加，工序灵活，简单易行。
        （二）DTC相变材料应用施工
        1.一般相变点低于36℃的有机相变材料，在常温环境下以液体形态存在，并与沥青发生反应，使沥青混合料路用性能降低。

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通过化学盾构方式使固液相变转变成固固相变，满足了公路应用的需要；
        2.一般有机化合物相变材料都存在衰减问题，在应用存在镶边材料衰减问题，影响使用效果，本发明的DTC材料为稳定固固相变材料，与沥青通过化学嫁接而成，性质稳定，DTC道路相变调温材料在经历300多次从-20℃到50℃吸热，再从50℃到-20℃放热循环后性能没有衰减，从本质上确保了应用的可靠性；
        3.DTC材料在沥青混合料拌合、施工、摊铺应用中安全可靠一般有机化合物相变材料，无法满足混合料搅拌时温度达到200℃的要求，易产生气化，燃烧；该材料为有机硅合成体，有耐高温性能，在200℃时6min无燃点现象和质量问题，满足在沥青混合料高温搅拌无任何变化要求(一般要求6秒)，成为一个创新。
        （三）DTC材料性能
        1.解决沥青路面高温车辙、低温开裂等问题，延长路面寿命。
        2.解决沥青路面对极端低温、大温差等适应能力较差的问题。
        3.改善我省公路冬季养护防滑除雪效率及公路服务质量。
        4.提高了沥青混合料的冻融劈裂强度比。
        5.彻底消除黑冰安全危害，预防冻雨、冻冰层危害，融薄雪、减少环境绿化危害。
        6.提高沥青路面对极端低温、大温差等适应能力，进行极端温度“削峰填谷”，同等环境温度条件下, 一般沥青公路路面温度低于0℃时，DTC 道路相变调温材料路面温度在4℃，释放大量潜热，消除公路黑冰、冻雨冰层、冰冻层产生，提高冬季沥青路面的行车安全性，珍爱生命，确保公路大动脉畅通!
        （四）效益分析
        相较于融雪剂，DTC相变材料一次性投入成本较高，但却可以避免因使用融雪剂而造成的对环境和基础设施的损害，节省使用成本；可以使高速路免去因封闭造成的损失；可以有效延长路面使用寿命54%，降低维修成本。从长久来看，使用自调温沥青路面具有可观的经济效益。
        由于DTC相变自调温沥青路面融冰雪技术是利用太阳能来调节路面温度的，众所周知，太阳能是一种清洁能源，不对环境造成任何损害，因此可以很好地避免因使用融雪剂所造成的生态损害，具有可观的生态效益。
        采用DTC相变自调温沥青路面融冰雪技术结构，可以在较长时间内保持沥青混合料在性能良好的合理温度区间内，不仅可以保护人民的生命财产安全，而且可以延长路面使用寿命，降低路面养护强度，从而具有巨大的社会效益。
        1、经济效益
        据相关资料显示：一般工业用醋酸钾售价在12000 元/t 左右，尿素市场售价在1300 元/t 左右。价格方面，尿素相对便宜，但融雪化冰效率不高，且对金属具有极强的腐蚀性，同时造成水体富营养化、污染河流、危害水体生物。工业用氯化钠售价仅为400～450 元/t，具有较强的融雪能力，原材料来源也很广泛，使用也很方便快捷等优点，但考虑到它的诸多危害，如对环境的影响、对金属、桥梁结构的腐蚀和道路两边植物的危害等，应严格控制其使用范围、使用量和使用时间。
        2、社会效益
        传统融雪剂对道路桥梁危害严重。氯盐型融雪剂对道路桥梁内部造成腐蚀，不仅会缩短使用寿命，更重要的是造成安全隐患，难以防范；同样对交通工具产生损坏，各种机动车辆的轮胎和底盘因氯盐型融雪剂的附着，会产生不同程度的腐蚀，使其性能大大下降，影响生命安全。冬季除雪防滑已成为公路养护工作的首要任务之一，直接关系到人民的经济利益和人身安全。
        采用主动融雪沥青混合料不但具有可观的经济利益，同时还具有良好的社会效益，该技术不会对道路桥梁和交通工具产生危害，保证了道路和交通工具行驶安全，而且可以延长路面使用寿命，降低路面养护强度，从而具有巨大的社会效益。自调温相变材料路面研究的广度及深度以及理论性与外省铺筑的实用性方面，为我省融雪沥青技术方面路的探索研究提供了新方向。
        3、环境效益
        现在最常用的冬季除冰雪方法是撒布氯盐型融雪剂，其价格低廉但危害很巨大：（1）对植物的危害大，长年使用氯盐型融雪剂，以致钠离子和氯离子在土壤中急剧增加，从而导致城市绿地黄化、树木枯死和土壤板结等严重后果；（2）对人和动物的危害。氯盐型融雪剂中的有害成分在融雪之后渗入地下水或直接汇入河流，给水环境造成不同程度的污染，不利于水体动植物的生长与生态环境的平衡。
        主动融雪沥青路面减少了由氯盐融雪剂对环境和道路附属结构造成的影响，不对环境造成任何损害，因此可以很好地避免因使用融雪剂所造成的生态损害，具有可观的生态效益，并且降低了下雪天人力和物力的使用。
        在冬季，我国高速公路约有60%存在积雪结冰现象，据调查在冬季因路面积雪造成的交通事故就达到15%～30%，尤其是高速路收费站进出口、机场跑道、隧道进出口、桥面铺装、道路弯道及纵坡等特殊路段，主动融雪化冰技术在降低道路养护成本，延长道路使用寿命，增加道路使用安全性上具有重大意义。
        参考文献
        [1]JT/T 1210-2018《公路沥青混合料用融冰雪材料》.
        [2]凡涛涛. 盐化物抗冰冻沥青混合料路用性能应用研究，浙江理工大学，2015.
        [3]马，王晓曼，李超，李志强，刘松涛.相变材料在沥青混凝土路面中的应用前景分析，公路，2019（12）:115-118.