抗凝冰涂层自动喷洒设备装置及其作业方法

2023-10-22杨延辉朱宝林

交通科技与管理 2023年19期

杨延辉,朱宝林

[1.新疆农业大学交通与物流工程学院,新疆乌鲁木齐 830052; 2.交通运输部科学研究院,北京 100029;3.交科院检测技术（北京）有限公司,北京 101300]

0 引言

2008 年初，我国经历了很严重的雨雪冰冻灾害。此次灾害笼罩了我国绝大部分区域。另外，在春节期间，它在一定程度上增加了自然灾害的负面影响。在突发事件中，我国的公路等交通设施遭受了严重破坏，民众基本生命保障也遭受了不同程度的损害。据不完全统计，该次雨雪冰冻灾害共导致直接经济损失1 516.5 亿元，并导致129 人遇难，4 人失踪。广东、贵州、湖南、江西等十九省市直接损失573 亿多元。据统计，我国很多地方的冬天都会出现积雪。上述地方的路面会因为下雪和冻雨的天然气候因素而冻结，导致路面摩擦系数和附着力下降；车辆制动和行驶困难，导致打滑、制动距离延长，甚至制动失灵和方向丧失，容易导致严重的交通事故。根据国外相关研究，车辆在冰雪路面上行驶导致交通事故的概率是正常天气条件下的两倍，70%的事故可能造成人员伤亡。

1 研究目的与意义

随着国民经济的快速发展，我国公路建设里程不断增加，道路等级不断提高。沥青路面具有优异的路用性能和舒适的驾驶性能，在国内外高等级公路上得到广泛应用。截至2021 年底，我国公路通车总里程达5 280 000 km，其中高速公路近170 000 km，居世界第一位。我国高等级公路中90%以上是沥青路面。然而，随着现代公路运输系统所追求的速度、效率和安全概念的提出，道路驾驶安全越来越受到重视。冬季，我国山区公路路面易结冰。路面结冰后，路面的附着力大大降低，导致汽车打滑、刹车失灵、迷失方向，容易引发交通事故，严重影响道路交通安全。计划通过结冰路面的分布以及结冰形成环境的测试和分析来调查路面结冰问题。

冬天的凝冰路面是发生交通事故最频繁也最危险的地点之一，在结冰路面撒布融雪化冰剂是解除冰雪危害的常用手段，但在高海拔地区一旦路面产生结冰，道路通行受阻，融雪剂的撒布极为困难，且成本很高[1]。因此，寻求一种方便、快捷、高效的整套道路抗凝冰材料和设备显得尤其重要。该次研究针对路面凝冰问题，拟通过对冻结路面的分布情况进行调查，并对冻结路面形成环境进行试验分析，为防冻路面的研究提供了理论依据。通过研制防冻沥青混合料改性剂，形成了沥青路面防冻控制体系，实现了对结冰路面高危路段的改造，为结冰多发地区新建道路的设计和施工提供了技术指导，且该次着重研发了疏水抗凝冰涂层自动化喷洒的创新型设备装置，该装置及作业方法能够非常方便、高效、均匀地在凝冰路段进行自动化喷洒，相应地辅助监测和调控设施也可以对喷洒状态进行实时监测与预报，该装置具有省时省力、喷洒性能良好、可大范围应用等优点[2]。

2 道路除冰雪技术研究现状

多年来，各国道路运输部门对路面冰雪问题进行了广泛的研究，探索了消除路面冰雪的各种方法。这些方法可以分为被动和主动两类。被动清除路面冰雪的方法主要有摊铺融雪剂、人工和机械清除方法、摊铺砂砾料和热融雪方法。主动融雪技术是路面融冰除雪的一种特殊功能。这类技术主要包括热力融冰雪技术、抑制冻结铺装类技术、添加降低冰点类物质的抗凝冰技术、抗凝冰涂层技术等[3]。

2.1 人工除雪

所谓的“人工除雪”，就是指通过一些简易的工具，比如铲子、扫帚等，来清理道路上的积雪。目前，我国城市积雪治理工作主要集中在高速公路和国家及省干线上，存在着效率低、效果差、工作人员工作量大等问题。此外，目前的人工除雪工作已无法满足现代化都市建设的需要，尤其是最近几年，由于车流量的增大，大量的汽车在道路上行驶，使得道路上的积雪更加密集[4-5]。如此一来，除雪就变得更加困难。单纯依靠人工清除积雪，短期之内难以使高速公路及国家、省干线的交通恢复正常。所以，尽管手工除雪具有机动灵活的优点，但也是最费力的一种方式，效率低、成本高、安全性差，必然会被其他的除雪方式所替代。

2.2 人工撒布融雪剂除冰雪

在国内和世界范围内，撒布融雪剂是一种广泛应用于道路表面除霜的方法。这种方法主要是在道路表面喷洒一些液体和固体物质，从而使道路表面的积雪融化[6]。根据化学组成的不同，可以划分为氯盐型、非氯盐型以及混合型；根据性能不同还可以划分为传统的融雪剂和环保型的融雪剂。环保型属于对环境比较友好的类型，主要为非氯盐型的。

2.3 机械除雪

由于机械设备的更新换代，机械除雪的应用领域也越来越广泛，已经逐步替代了传统的人工除雪。这是一种利用机械直接清理积雪，消除其带来威胁的技术，在许多国家得到大量应用。它的应用方式主要有机械吹雪和机械铲除积雪两种，适应不同级别的积雪类型。机械吹雪适用于展开的薄路雪，通常只适用于机场等易于管理的较小区域的除雪；机械铲雪适用于大量结冰前的大规模清理作业。

一种多功能喷射除雪车，利用涡流喷射系统产生高速、高温、高流量的除雪气流，可以将路面上的雪一次吹干净，路面也可以根据需要进行干燥。常用的铲雪机械可分为刮雪式、刷雪式、螺旋式采雪式、旋切冲击旋切式、铲切冲击式。

2.4 抗凝冰涂层喷洒技术

将抗凝冰剂装入喷洒装置内，喷洒于易凝冰路段或已经开始结冰的路段，在路面形成致密的一层涂层，起到主动抗凝冰除雪的目的，此技术依靠半自动和全自动喷洒系统的特点，提高了路面凝冰的主动融冰雪效率，节省了大量的人力物力损耗，保障了道路通行者的生命和财产安全[7]。

3 试验方法

该自动化喷洒装置由搅拌储存罐、发电机、搅拌电机、搅拌池、隔膜泵、高压机、喷洒管、三通阀、多孔喷头等组成。该装置设备通过搅拌和高压输送到隔离泵进行道路抗凝冰涂层的喷洒工作，隔离泵可以起到防泄漏的作用，具体流程如下：将各仪器连通，打开开关并接通电源，使用专用装置将制备好的疏水抗凝冰涂层加入搅拌储存罐，等待后续的使用。启动发电机，发电机带动搅拌电机将涂层材料输送至连通好的搅拌池中进行充分搅拌；经充分搅拌之后，流入隔膜泵，隔膜泵通过高压机高压后再次流入隔膜泵，然后液体涂层材料经喷洒管、三通阀和强力喷洒头喷洒于路面；喷洒过程全程采用四个方向的喷洒模式，保证喷洒的覆盖度，增强涂层的效果，喷洒时设备安装在半挂车或者履带车上面，喷洒过程无需人工操作，简单方便，安全高效。

抗凝冰涂层自动化喷洒设备在原有半自动喷洒车的基础上对喷洒设备和自动控制系统进行了创新性研究和试验。喷洒材料的实际性能指标如表1 所示：

表1 抗凝冰涂层实际性能表

4 试验结果及分析

为了让缓释型抗凝冰改性剂在沥青路面抗凝冰涂层中产生更好效果，该研究将通过混合料中掺加不同掺量的缓释型抗凝冰改性剂，对沥青路面涂层的抗凝冰效果进行验证，以确定缓释型抗凝冰改性剂的最佳掺量[8]。在对不同氯化物降低不同冰点的研究基础上，采用直接冰冻测试以及摩擦系数测试值，确定抗凝冰改性剂最佳掺量。向胶黏剂中添加不同掺量的抗凝冰改性剂，其比例为2%、10%、20%，分别对沥青路面涂层进行试验。此次试验分为抗凝冰试验、普通喷头和强力雾化喷洒头性能试验、半自动喷洒和全自动喷洒性能测试试验，分别对其试验结果进行效益评价分析。

4.1 抗凝冰试验

为了更明确抗凝冰效果，将制备好的马歇尔试件，用橡胶将上面层封住，防止水分流失，将制备的沥青路面抗凝冰涂层在环境箱中进行重复冰冻试验，最多做了12 次循环，由于掺量超过20%的抗凝冰涂层材料在现有技术下已无法成型，因此认为掺量过高已经不适宜制备涂层，只能将未掺加涂层的试件和掺量为2%、10%、20%四组进行抗凝冰试验[9]。未采用涂层的试件，冰层附着紧密，无法分离；涂抹了掺量2%的抗凝冰涂层试件在经过冰冻重复试验后，冰层剥离逐渐困难，剥离量减少；而掺量10%、20%的抗凝冰涂层抗凝冰效果明显，试件表面冰层在-20 ℃内，能够轻易剥离。

综上所述，抗凝冰测试表明，改性剂掺量2%~20%之间均可以满足不同气温条件下的抗凝冰要求。抗滑性能擦拭表明，抗凝冰涂层不会对原路面抗滑性能造成影响，因此通过验证，掺量低的抗凝冰涂层无法满足路面抗滑系数的要求，因此认为掺量过低不能满足抗凝冰的要求，而2%~20%掺量的抗滑系数在规范要求范围之内，满足路面抗凝冰需求。

4.2 普通喷头和强力雾化喷洒头性能试验

强力雾化喷头是对普通喷头的一个升级改造，是将普通单个喷头升级为利用三通阀连接的组合喷头。除此之外，对整个设备装置的最后且是极其重要的一环，喷头的喷出量和喷洒面积直接影响喷洒的效果，因此，对喷头进行一个内外部结构的改造升级，内置一个强力泵，能够保证抗凝冰剂材料的喷出速度和面积，外部设计成致密的多孔结构，保证了其雾化喷洒效果。

经同一试验路不同路段试验结果及后续检测结果可知，在相同时间内，强力雾化喷洒头比普通喷头的喷洒效果更佳，且作用面积和宽度更大更宽。除此之外，强力喷洒头喷洒量也几乎和普通喷头使用量平齐，说明在同一条件下，强力雾化喷洒头喷洒效果更好，喷洒更为均匀。整个喷洒系统由于喷头结构的改造升级，提高了喷洒效率的同时，还节省了喷洒量，减少了未作用于实际易凝冰路面的抗凝冰剂的浪费，降低了成本，提高了除冰率，更大化地保证了道路通行的通畅和安全性。