抗凝冰路面在广西高速公路的应用研究

邹晓明，陈君炜

(广西交通投资集团柳州高速公路运营有限公司，广西 柳州 545000)

0 引言

随着广西经济的快速发展和高速公路的不断延伸，距离“县县通高速”的目标越来越近，桂北地区的人民群众也享受到了高速公路带来的快捷舒适。但地处桂北高寒地区的高速公路，冬季低温容易出现道路结冰的情况，极易造成局部道路瘫痪甚至引发交通事故，具有较大的安全隐患。关于路面冰雪处治的相关研究成果众多[1-6]，但多是针对冰雪较多地区，而对于桂北地区路面结冰处治的研究相对较少，直接应用其他地区研究成果则缺乏针对性。针对桂北地区路面结冰的特征，寻求更经济有效的处治方式是需要深度研究的内容。为此，本文以三江至柳州高速公路(以下简称三柳高速公路)自2017年通车以来出现的道路结冰情况为切入点，总结了抗冰保畅的一些做法与经验，并研究使用了主动型抗凝冰技术，为桂北地区高速公路抗冰保畅方案提供新思路。

1 易结冰地点及其成因分析

与北方的干冷、大雪不同，桂北地区冬季具有温度低、湿度大、降雪量小等特点，时常伴随着冻雨出现。较容易发生路面结冰的地点如下。

1.1 桥面及涵面

与路基段相比，桥涵结构物下部处于架空状态，没有地热的支撑，整体处于低温之中。桥面表层的空气水分容易凝结，特别是跨江桥、临水桥涵，弥漫的水汽加大了结冰的可能。

1.2 互通匝道、服务区进出口

互通匝道及服务区出入口等区域，具有车流量小、车行速度缓慢等特点，初期凝结的冰面未得到车轮的连续碾压，容易集结加厚。

1.3 跨线桥下路段

跨线桥下的路段处于桥底的阴影之中，日照较少，温度相对较低，加之桥上的冰水滴落在路面表层，更容易形成结冰。

2 常规抗冰保畅措施

2.1 融雪剂(盐)

根据融雪成分和原理不同，融雪剂分为有机融雪剂和无机融雪剂。前者主要成分为醋酸钾，其融雪效果显著，比较环保，但是经济成本高；后者主要成分为氯盐，通过降低冰点实现融雪效果，其融雪效果相对前者稍差，且容易对路面和周边植物造成不良影响，但是成本较低，应用更为广泛。

2.2 机械

通过工程机械物理除冰雪。对于结冰和雪层较厚的情况，一般采用机械铲除；对于雪层较薄，且未冻凝的情况，可以采用机械吹雪处治。

2.3 人工

利用人工和小型工具铲除冰雪。人工作业虽然灵活和彻底，但是效率低下、安全风险大、成本也高，一般只适合局部、小范围区域除雪。

2.4 不同除冰雪方式的优劣分析

以上三种常规方式在最佳的实施时机、用量控制、工作顺序等方面，有着各自的不同要求，大多情况需要交警、路政等部门的联动配合，且均需在冰雪路面形成之后才能实施，属于被动型措施，见下页表1。

表1 不同除冰雪方式的优劣分析表

3 新型主动抗冰凝路面的试应用

本项目采用的是不同于上述方式的一种新型材料和技术——新型抗凝冰路面，即在沥青路面上面层施工时，于混合料中添加一种抗凝冰材料，当冬季气温降低时，在路表面与冰雪之间起到隔离作用，可以抑制路面积雪结冰或在结冰时易于铲除，可实现“小雪融化，大雪易除”的效果，是一种主动型的措施。本项目在三柳高速公路选取一段长为200 m的桥面进行试验。

3.1 抗凝冰材料的构型及作用机理

抗凝冰材料主要由憎水性材料和抗凝冰成分(无机卤化物或有机多元醇基化物)组成，微观上具有核-壳胶囊结构，发挥抗凝冰作用的成分被外部结构所包裹，以降低其释放速度，提高使用的时间。其中，抗凝冰成分能够降低冰点；憎水材料主要发挥界面隔离作用，能够在路面表层形成一个隔离性界面，阻挡水分浸入，同时降低冰与路的粘结性。在这种情况下，路面将很难结冰，且可以融化表层雪，由于抗凝冰路面抗凝冰与憎水的特性，水不会在路表二次结冰，路面上的冰雪极易被清除。见图1。

图1 抗凝冰材料的作用原理简图

3.2 抗凝冰材料使用方法

3.2.1 配合比设计

在沥青路面的上面层混合料如常见的AC类、SMA类中，矿粉可直接全部或者部分由抗凝冰材料替代，无须另外进行配合比设计。

由于抗凝冰材料的颗粒级配与矿粉近似，所以添加时以置换矿粉的形式添加。热拌AC类和SMA类抗凝冰沥青混合料中抗凝冰材料用量不宜小于矿料总质量的4%。为兼顾抗凝冰沥青混合料路用性能与使用寿命，推荐添加用量为矿料总质量的4%～6%。例如，AC类沥青混合料可置换100%的矿粉，其用量约占总矿料质量的5%；SMA类沥青混合料则可置换50%的矿粉，其用量也约占总矿料质量的5%。抗凝冰材料的使用数量，要根据生产配合比和材料情况进行现场验证。

为研究添加抗凝冰材料后的沥青混合料是否满足规范的各项要求，采用马歇尔试验进行验证。结果如表2所示。

表2 抗凝冰路面混合料马歇尔试验结果表

从表2可知，添加了抗凝冰材料后，对原沥青混合料设计配合比参数的影响可以忽略不计，且都处于规范的技术要求区间。

对抗凝冰试件融雪性能进行模拟试验，将原路面混合料试件和抗凝冰混合料试件同时放置到-10 ℃的环境中，表面分别撒上碎冰粉末，经过3 h的观测，发现抗凝冰试件表面的碎冰粉末在逐渐融化，而原路面混合料试件的碎冰无任何变化。见图2。

图2 融雪性能模拟试验结果示例图(左侧为原路面试件，右侧为抗凝冰试件)

3.2.2 抗凝冰路面的施工技术要点

拌和时应严格按照验证后的配合比添加材料，并应配备独立的添加仓，以实现抗凝冰剂的准确计量，保证材料的质量稳定。抗凝冰AC类混合料，拌和时间较传统沥青混合料的拌和时间适当延长3～5 s，每盘生产周期≥45 s。拌和要均匀一致，具体要求与常规混合料拌和要求基本一致。

运输、摊铺、碾压等方面，无特别要求，参照原施工方案执行。铺筑好的路面在正式开放交通前，应严格控制相关铺筑路段的交通流量，做好保护，保持整洁，不得造成污染。

3.3 施工后的各项检测指标(表3～5)

表3 抗凝冰路面试验段平整度检测结果表

表4 抗凝冰路面试验段路面性能指标表

表5 抗凝冰路面的路面性能指标表

经检测，试验段的各项指标均满足规范及原设计要求。添加抗凝冰材料后的沥青混合料能保证原路面结构的各项指标保持不变，对路面的路用性能无明显影响。

3.4 经济性分析

以三柳高速公路厚度为1.8 cm的沥青抗凝冰路面为例，需要在原有沥青路面造价的基础上，增加约40元/m2。单从经济效益而言，其造价并没有优势，但是从社会效益分析，在“生命至上，安全第一”的大环境下，能实现“小雪融化，大雪易除”的效果，就能更大程度地保证司乘人员的行车安全，也是对人民群众美好出行需求的积极响应。同时，在降低运营管理风险、保障作业人员人身安全及减轻对桥涵路面的损坏方面，都有着不可估量的价值。此外，该材料在前期一次性投入后，其持续抗凝冰期在7年以上，综合成本并不高。

4 结语

使用主动型抗凝冰材料的路面对比未使用的路面，其主动融雪效果明显，且主动型抗凝冰材料的添加未对沥青混合料配合比设计及路面性能产生明显影响。该技术的应用为广西在高速公路抗冰保畅措施方面提供了的新思路、新方法，也累积了一些经验数据，具体的抗凝冰效果有待时间的检验及进一步的跟踪观测。在沥青路面大修或者新建高速公路时，易结冰路段的桥面可以考虑采用抗凝冰路面的方案。