桉木颗粒对沥青路面凝冰及防滑效果的影响

张云龙,史婧菲,张岩昆,姬郑国,文梦圆

(南京林业大学,江苏 南京 210037)

0 引 言

在冬季,寒冷潮湿地区的沥青路面上容易凝结出不易发现的薄冰层,极易引发交通事故,威胁交通安全[1]。摩擦力不足是造成行人和车辆在凝冰路面发生事故的主要原因[2]。冬季路面凝冰给老年人出行带来了很大的不便和隐患。由于老年人视力和反应能力的下降,极易被暗冰滑倒,轮椅也易打滑倾覆,引发交通事故。随着老年人身体机能的退化,一次跌倒就可能带来不可逆转的损伤。数据显示跌倒是我国大于75岁老年人因伤致死的第一原因[3]。解决冬季道路结冰的问题将给老年人出行安全带来更大保障。目前对于冬季道路除冰,主要有依靠人工进行机械清除、通过物理手段物理升温融冰以及通过化学添加剂降低冰点等三类方法[4]。在常见的道路除冰措施中,为结冰路面布撒融冰盐以其操作简单、成本低、效果好等优势被广泛接受。但是由于融冰盐的大量使用,沥青路面遭受侵蚀,使用寿命降低,道路周边动植物的生存环境也会遭到极大的破坏[5]。以南京林业大学大学生创新训练计划项目为基础,旨在研究一种高效、经济、环保的桉木颗粒防滑材料,以减少老年群体因路面暗冰所导致的交通事故。

1 研究现状

目前,路面抗凝冰技术可以分为主动抗凝冰技术和被动抗凝冰技术两类。传统抗凝冰技术主要是在降雪后以人工、机械等方式及时撒布融雪剂或清扫进行除雪防冰,现阶段应用广泛的除冰雪技术中,还是主要采用人工、机械和融雪剂等被动除冰雪方式[6]。而主动抗凝冰技术是通过改变道路路面物理、化学特性或者铺设相应加热设备,在不需要人工干预的情况下,清除或者减缓道路积雪、结冰状况,保障道路低温状态下抗滑性能的技术,主要包括物理类抗凝冰路面、化学类抗凝冰路面和能量转化类抗凝冰路面[7]。

国内外许多学者在开创新型道路融冰技术上进行了广泛的研究。陈旭[8]对以工业矿粉和工业醋酸合成的有机环保道路融雪除冰剂的主要成分醋酸钙镁盐(CMA)进行研究发现,CMA型环保融雪除冰剂具有良好的融冰雪效果,且对周围生态环境影响较小。WEI等[9]的研究表明,导电三元乙丙橡胶材料可以作为路面的活性除冰材料。苏志俊等[10]研究了一种复合氯盐型融雪剂,此融雪剂在降低冰点的同时其碳钢腐蚀速率大幅优于相关标准要求。张发睿[11]研究了以三维石墨烯/水泥发热体CMGA作为热源的智能发热路面结构。

融冰盐的成分主要为氯盐(氯化钠、氯化钙等),具有较好的吸湿性。主要作用原理是盐水可降低路面冰雪的冰点,从而抑制道路表面雨雪结冰。但融冰盐的大量使用对道路及其周边环境的危害是被广泛关注和承认的,而目前大部分学者的研究集中于新的环保型融冰手段的研发方面,虽都取得了一些进展,但大多存在价格高昂或能源消耗大的种种问题[12]。相较而言,木颗粒具有可自然腐蚀、经济环保、对路面磨损较小等优点。其中桉木颗粒更是具有经济成本低,回收利用途径多的优点。

研究旨在验证木颗粒在冬季路面除冰防滑方面的适用性。通过凝冰、抗滑、融冰三个室内模拟试验,对比原始沥青凝冰路面状态与布撒桉木颗粒条件下的沥青凝冰路面的试验数据,分析布撒桉木颗粒对潮湿地区冬季凝冰现象的作用效果,判断桉木颗粒在冬季道路除冰防滑方面是否可行。

2 试验方案

制备3块标准沥青混凝土试件(30 cm×30 cm)来模拟路面。通过粉碎机制备桉木颗粒,保证颗粒最大直径不超过1 cm;颗粒过筛,剔除<1 mm 难以清理的粉末。

试验通过GDW-50L型高低温试验箱模拟潮湿低温环境(温度-3 ℃,湿度80%)。每次试验需在试件表面喷洒足够凝结成1～2 mm厚冰面的水。

喷水量的计算方法为:试件表面积(30 cm×30 cm)乘以冰面厚度(考虑到水的流渗性,取较大值3 mm为计算参数)。每次试验过程中,在一块试件表面布撒桉木颗粒的质量均取30 g。

以下3个试验过程连续操作。为减小随机误差试验过程整体重复3次。

2.1 凝冰试验

在一块试件上均匀布撒桉木颗粒后(试件1),和另外两块试件一同放入高低温试验箱中一段时间。当试件表面温度达到2 ℃左右时,在试件表面喷撒足够量的水。仔细观察试件表面的变化,记录相同时间间隔内试件表面水的凝结情况。探究桉木颗粒对路面凝冰现象是否具有预防和延缓的作用。

2.2 抗滑试验

将在高低温试验箱中冻结好的试件从试验箱中取出。在其中一块未布撒桉木颗粒、已凝冰的试件上(试件2)均匀布撒同等质量的桉木颗粒材料。用摆式摩擦系数仪,同时快速地测量3组试件的摩擦摆值(BPN值)。探究预先布撒桉木颗粒材料和凝冰形成后再布撒桉木颗粒材料对沥青凝冰路面分别具有怎样的抗滑效果。

2.3 融冰试验

从试件离开高低温试验箱开始计时,分别记录相同间隔时间段内,凝冰前布撒桉木颗粒(试件1)、凝冰后布撒桉木颗粒(试件2)以及不做处理(试件3)三种条件下,试件表面冰面的融化情况。探究布撒桉木颗粒对促进沥青凝冰路面融化是否具有促进效果。

3 试件摩擦系数测定

分别测定3块沥青混凝土试件在常温初始状态下和低温潮湿条件下的摆式摩擦系数仪摆值,用于后续试验数据对照。测得结果如表1所示。

表1 沥青混凝土试件摩擦系数

试验结果表明,3块沥青混凝土试件的摩擦摆值相近,常温条件下摩擦摆值在74左右,低温条件下有所提高,在80左右,抗滑能力较好,满足《公路养护技术规范》(JTG H10—2009)要求。相同试件条件下的试验数据对比桉木颗粒材料在普通公路上的应用具有可参照性。

4 试验数据及分析

4.1 凝冰试验测试结果

从试件表面温度达到2 ℃时开始计时,每次观察的时间间隔设为1 min,记录3次试验过程中,3块试件表面形成凝冰所用时间。试验结果如表2所示。

表2 凝冰试验测试结果

由试验结果可以看出,试件1、试件2、试件3的凝冰平均时间分别为15.3、13、12.3 min。不做处理的试件2和试件3表面形成凝冰所用的时间较短,少于提前布撒50 g桉木颗粒的试件1凝冰所用时间。分析试件1,提前布撒的桉木颗粒因其疏松多孔而吸收了一定的表面水分,所以导致试件1表面形成有效冰层的时间较长。由试验可知在气温达到零下之前,在沥青路面上提前布撒桉木颗粒对缓解潮湿沥青路面凝冰现象具有积极作用。

4.2 抗滑试验测试结果

从高低温试验箱中取出试件后,需快速测量试件摩擦系数,减小因冰面融化而造成的误差。试件1条件为凝冰前布撒桉木颗粒,试件2条件为凝冰后布撒桉木颗粒,试件3不做处理。记录试验结果如表3所示。

表3 抗滑试验测试结果

由试验结果可知,试件1、试件2、试件3的BPN平均值分别为80.47、32、33.07。未做处理的试件3表面形成了一层薄冰,在试验中与摆式摩擦系数仪接触的是试件表面的光滑冰层,故测定出的摩擦摆值较低。提前布撒木颗粒的试件1结冰后,摩擦摆值已经和不结冰时的沥青试件相当,远远高于未做处理的试件3的摩擦摆值。分析其摩擦摆值增大的原因是提前布撒的桉木颗粒与水混合,在试件表面形成了一层桉木混合冰层,冰层表面凹凸不平且镶嵌着桉木颗粒,所以试件摩擦摆值测定较大。结冰后铺设桉木颗粒的试件2与不做处理的试件3的摩擦摆值差异不大,无法起到防滑效果。分析试件2摩擦摆值较低原因是由于桉木颗粒体积小质量轻,无法稳定附着在已经形成冰层的试件表面,所以无法提供有效的摩擦阻力。由试验可知提前在沥青路面布撒桉木颗粒可在路面结冰后可起到抗滑效果。

考虑到木颗粒在路面上容易被过往车辆形成的气流吹飞。因此,应该考虑在容易产生凝冰现象的时间段内定时铺设几次木颗粒,确保抑制凝冰和路面防滑的效果。

4.3 融冰试验测试结果

试件从高低温试验箱中取出时开始计时,每一分钟为一个观察间隔,以试件表面冰面完全融化为标准,试验室当时室温为14.5 ℃。记录3次试验中,3组试件的融冰时间如表4所示。

表4 融冰试验测试结果

试验结果显示试件1、试件2、试件3的平均融冰时间分别为55.3、52、59 min。可看出不管是凝冰前还是凝冰后布撒桉木颗粒,试件表面冰面完全融化的时间都比未处理的试件要短,分析其原因为桉木颗粒吸收了部分融化水分,使更多冰层暴露在室温下,促进了冰层的融化。由试验可知桉木颗粒对沥青路面凝冰的融化起到了促进作用,但效果不明显。

5 结论及展望

通过凝冰、抗滑、融冰三组试验,对照布撒桉木颗粒前后数据变化,可以得到以下结论。

(1)提前布撒桉木颗粒试件凝冰时间相较未处理试件增加了24%,在降温前提前布撒木颗粒会对潮湿地区沥青路面凝冰现象起到延缓和抑制作用。

(2)提前布撒桉木颗粒试件的摆值比未处理试件提高了143%,在路面还未结冰前布撒桉木颗粒,形成冰层后可起到防滑作用。结冰后铺撒桉木颗粒的试件与未处理试件的摆值差异不大,在已经冻结的路面上铺撒桉木颗粒起不到抗滑作用。

(3)凝冰后布撒桉木颗粒试件融冰时间比未处理试件减少了12%,桉木颗粒可以起到促进沥青路面融冰的效果,但效果不佳。

当前试验主要针对木颗粒材料在潮湿地区的路面凝冰现象过程中的应用模拟,还缺少实际情况下的应用效果试验。未来还可以设木颗粒的种类、用量为变量,研究最经济实用的木颗粒材料以及铺撒用量,并联系结冰预测模型,探究最好的铺撒时机。同时可以考虑将木颗粒与化学融雪剂配合使用,验证其在北方冰雪冻融路面的作用,设计研究木颗粒与化学融雪剂的最佳使用配合比,探究该方法广泛用于融冰除雪的可能性,及其可能带来的经济效益。