路面凝冰技術(shù)教學(xué)課件

抗凝冰瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)交通運輸部科學(xué)研究院2015年4月1

抗凝冰瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)交通運輸部科學(xué)研究院11.研發(fā)背景2.主要研究成果3.應(yīng)用實例4.經(jīng)濟社會效益分析主要內(nèi)容21.研發(fā)背景2.主要研究成果3.應(yīng)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(zāi)害。這一突發(fā)性自然事件，造成我國現(xiàn)有的公路基礎(chǔ)設(shè)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(jù)不完全統(tǒng)計，在這次雨雪冰凍災(zāi)害中，造成直接經(jīng)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(jīng)濟損失達573億元。處治大面積路面凝冰災(zāi)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(zāi)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(yù)警及高危路段凝冰自動化處置技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)研究2012~2015內(nèi)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(shù)研究2012~2014院基本業(yè)務(wù)項目高速公路抗凝冰瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)研究2013~2014抗凝冰路面技術(shù)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(yù)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(nèi)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(jié)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(jīng)過暖層溶解為液滴，然后在經(jīng)過近地面冷層冷卻、再凍結(jié)。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(dǎo)致凍雨出現(xiàn)。凍雨形成機理9研究內(nèi)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(fēng)、雨、霧、高溫、低溫等環(huán)境條件仿真模擬產(chǎn)生路面凝冰的溫度、濕度、風(fēng)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(nèi)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(yù)測氣象要素與凝冰相關(guān)性的理論依據(jù)?；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(fēng)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(fēng)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(jīng)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(jù)

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(fēng)、雨、霧、高11氣象要素名稱范圍預(yù)測產(chǎn)生凝冰次數(shù)其中實際凝冰次數(shù)預(yù)報準確率%誤報率%漏報率%溫度-10~02800966351948濕度>75%1518856564417風(fēng)速0~10m/s36001018282471風(fēng)向定向30301007331971單氣象因素預(yù)測凝冰準確性分析氣象要素名稱范圍預(yù)測產(chǎn)生凝冰次數(shù)其中實際凝冰次數(shù)預(yù)報準確率

%誤報率%漏報率%溫度-10~01530123680.7183濕度>75%風(fēng)速0~10m/s風(fēng)向定向多氣象因素預(yù)測凝冰準確性分析利用Bayes進行單、多氣候因素相關(guān)性預(yù)測采用多氣象要素預(yù)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(fēng)速0～10m/s，

風(fēng)向比較固定。11氣象要素范圍預(yù)測產(chǎn)生凝冰次數(shù)其中實際凝冰次數(shù)預(yù)報準確率研究內(nèi)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(nèi)部抑制凍結(jié)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(jié)冰。去冰機理鹽化物有效降低路面冰點到-20℃，阻止路面結(jié)冰。有效減緩鹽化物的釋放，在路面使用年限內(nèi)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(nèi)容二：抗凝冰改性劑研發(fā)方案一在毛細管壓力研究內(nèi)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(nèi)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(diào)配比例適中。試驗結(jié)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(nèi)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(dǎo)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(nèi)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(nèi)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(jié)論經(jīng)過數(shù)十次的抗凝冰融雪試驗，除冰效果顯著。研究內(nèi)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(nèi)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(jié)論在浸泡條件下，不會再導(dǎo)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(nèi)容三：抗凝冰功能性研究2抗凝冰耐久性試驗--研究內(nèi)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(yīng)有部分流失。經(jīng)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(nèi)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(zhì)量g/L0.4824810.3337360.3661830.3829740.3465160.343747沖淋72L水后流失的自融冰改性劑質(zhì)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(yù)測結(jié)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(nèi)容四：路用能性研究1基于堆積密度理論的配合比設(shè)計方法調(diào)整粒徑分布從規(guī)范寬泛的級配內(nèi)找到合適級配獲得最佳骨架密實型結(jié)構(gòu)提高抗車轍等路用性能研究內(nèi)容四：路用能性研究1基于堆積密度理論的配合比設(shè)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(fù)合顆粒，從而把實際漿體中分散的顆粒體系轉(zhuǎn)化成假想相互接觸堆積的復(fù)合顆粒干粉體系。在此基礎(chǔ)上用Stovall公式計算出復(fù)合顆粒的堆積密度，再通過一定的轉(zhuǎn)化關(guān)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(fù)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(nèi)容四：路用能性研究假設(shè)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(guān)系c多組分顆粒實際體系堆積密度關(guān)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(zhì)量百分含量（％）編號試驗值計算值A(chǔ)0.5760.580B0.5670.562C0.5660.561D0.5620.560E0.5720.577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(shè)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(shù)要求

24篩孔尺寸礦料設(shè)計級配規(guī)定級配10~155～103～50～3礦目標配和比設(shè)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(jié)果匯總表研究內(nèi)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(jié)果均滿足規(guī)范要求26路用性能試驗結(jié)果匯總表研究內(nèi)容四：路用能性研究4路用性能依托工程應(yīng)用實例27依托工程應(yīng)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(shè)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(jù)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(yīng)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(jié)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(jié)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(zé)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(yīng)變（με）35622瀝青混合料

技術(shù)指標0.0750.150.30.61.182.364.759.513.216篩孔尺寸（mm）技術(shù)指標均符合規(guī)范要求30項目指標生產(chǎn)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