桉木顆粒對瀝青路面凝冰及防滑效果的影響

張云龍,史婧菲,張巖昆,姬鄭國,文夢圓

(南京林業大學,江蘇 南京 210037)

0 引 言

在冬季,寒冷潮濕地區的瀝青路面上容易凝結出不易發現的薄冰層,極易引發交通事故,威脅交通安全[1]。摩擦力不足是造成行人和車輛在凝冰路面發生事故的主要原因[2]。冬季路面凝冰給老年人出行帶來了很大的不便和隱患。由于老年人視力和反應能力的下降,極易被暗冰滑倒,輪椅也易打滑傾覆,引發交通事故。隨著老年人身體機能的退化,一次跌倒就可能帶來不可逆轉的損傷。數據顯示跌倒是我國大于75歲老年人因傷致死的第一原因[3]。解決冬季道路結冰的問題將給老年人出行安全帶來更大保障。目前對于冬季道路除冰,主要有依靠人工進行機械清除、通過物理手段物理升溫融冰以及通過化學添加劑降低冰點等三類方法[4]。在常見的道路除冰措施中,為結冰路面布撒融冰鹽以其操作簡單、成本低、效果好等優勢被廣泛接受。但是由于融冰鹽的大量使用,瀝青路面遭受侵蝕,使用壽命降低,道路周邊動植物的生存環境也會遭到極大的破壞[5]。以南京林業大學大學生創新訓練計劃項目為基礎,旨在研究一種高效、經濟、環保的桉木顆粒防滑材料,以減少老年群體因路面暗冰所導致的交通事故。

1 研究現狀

目前,路面抗凝冰技術可以分為主動抗凝冰技術和被動抗凝冰技術兩類。傳統抗凝冰技術主要是在降雪后以人工、機械等方式及時撒布融雪劑或清掃進行除雪防冰,現階段應用廣泛的除冰雪技術中,還是主要采用人工、機械和融雪劑等被動除冰雪方式[6]。而主動抗凝冰技術是通過改變道路路面物理、化學特性或者鋪設相應加熱設備,在不需要人工干預的情況下,清除或者減緩道路積雪、結冰狀況,保障道路低溫狀態下抗滑性能的技術,主要包括物理類抗凝冰路面、化學類抗凝冰路面和能量轉化類抗凝冰路面[7]。

國內外許多學者在開創新型道路融冰技術上進行了廣泛的研究。陳旭[8]對以工業礦粉和工業醋酸合成的有機環保道路融雪除冰劑的主要成分醋酸鈣鎂鹽(CMA)進行研究發現,CMA型環保融雪除冰劑具有良好的融冰雪效果,且對周圍生態環境影響較小。WEI等[9]的研究表明,導電三元乙丙橡膠材料可以作為路面的活性除冰材料。蘇志俊等[10]研究了一種復合氯鹽型融雪劑,此融雪劑在降低冰點的同時其碳鋼腐蝕速率大幅優于相關標準要求。張發睿[11]研究了以三維石墨烯/水泥發熱體CMGA作為熱源的智能發熱路面結構。

融冰鹽的成分主要為氯鹽(氯化鈉、氯化鈣等),具有較好的吸濕性。主要作用原理是鹽水可降低路面冰雪的冰點,從而抑制道路表面雨雪結冰。但融冰鹽的大量使用對道路及其周邊環境的危害是被廣泛關注和承認的,而目前大部分學者的研究集中于新的環保型融冰手段的研發方面,雖都取得了一些進展,但大多存在價格高昂或能源消耗大的種種問題[12]。相較而言,木顆粒具有可自然腐蝕、經濟環保、對路面磨損較小等優點。其中桉木顆粒更是具有經濟成本低,回收利用途徑多的優點。

研究旨在驗證木顆粒在冬季路面除冰防滑方面的適用性。通過凝冰、抗滑、融冰三個室內模擬試驗,對比原始瀝青凝冰路面狀態與布撒桉木顆粒條件下的瀝青凝冰路面的試驗數據,分析布撒桉木顆粒對潮濕地區冬季凝冰現象的作用效果,判斷桉木顆粒在冬季道路除冰防滑方面是否可行。

2 試驗方案

制備3塊標準瀝青混凝土試件(30 cm×30 cm)來模擬路面。通過粉碎機制備桉木顆粒,保證顆粒最大直徑不超過1 cm;顆粒過篩,剔除<1 mm 難以清理的粉末。

試驗通過GDW-50L型高低溫試驗箱模擬潮濕低溫環境(溫度-3 ℃,濕度80%)。每次試驗需在試件表面噴灑足夠凝結成1～2 mm厚冰面的水。

噴水量的計算方法為:試件表面積(30 cm×30 cm)乘以冰面厚度(考慮到水的流滲性,取較大值3 mm為計算參數)。每次試驗過程中,在一塊試件表面布撒桉木顆粒的質量均取30 g。

以下3個試驗過程連續操作。為減小隨機誤差試驗過程整體重復3次。

2.1 凝冰試驗

在一塊試件上均勻布撒桉木顆粒后(試件1),和另外兩塊試件一同放入高低溫試驗箱中一段時間。當試件表面溫度達到2 ℃左右時,在試件表面噴撒足夠量的水。仔細觀察試件表面的變化,記錄相同時間間隔內試件表面水的凝結情況。探究桉木顆粒對路面凝冰現象是否具有預防和延緩的作用。

2.2 抗滑試驗

將在高低溫試驗箱中凍結好的試件從試驗箱中取出。在其中一塊未布撒桉木顆粒、已凝冰的試件上(試件2)均勻布撒同等質量的桉木顆粒材料。用擺式摩擦系數儀,同時快速地測量3組試件的摩擦擺值(BPN值)。探究預先布撒桉木顆粒材料和凝冰形成后再布撒桉木顆粒材料對瀝青凝冰路面分別具有怎樣的抗滑效果。

2.3 融冰試驗

從試件離開高低溫試驗箱開始計時,分別記錄相同間隔時間段內,凝冰前布撒桉木顆粒(試件1)、凝冰后布撒桉木顆粒(試件2)以及不做處理(試件3)三種條件下,試件表面冰面的融化情況。探究布撒桉木顆粒對促進瀝青凝冰路面融化是否具有促進效果。

3 試件摩擦系數測定

分別測定3塊瀝青混凝土試件在常溫初始狀態下和低溫潮濕條件下的擺式摩擦系數儀擺值,用于后續試驗數據對照。測得結果如表1所示。

表1 瀝青混凝土試件摩擦系數

試驗結果表明,3塊瀝青混凝土試件的摩擦擺值相近,常溫條件下摩擦擺值在74左右,低溫條件下有所提高,在80左右,抗滑能力較好,滿足《公路養護技術規范》(JTG H10—2009)要求。相同試件條件下的試驗數據對比桉木顆粒材料在普通公路上的應用具有可參照性。

4 試驗數據及分析

4.1 凝冰試驗測試結果

從試件表面溫度達到2 ℃時開始計時,每次觀察的時間間隔設為1 min,記錄3次試驗過程中,3塊試件表面形成凝冰所用時間。試驗結果如表2所示。

表2 凝冰試驗測試結果

由試驗結果可以看出,試件1、試件2、試件3的凝冰平均時間分別為15.3、13、12.3 min。不做處理的試件2和試件3表面形成凝冰所用的時間較短,少于提前布撒50 g桉木顆粒的試件1凝冰所用時間。分析試件1,提前布撒的桉木顆粒因其疏松多孔而吸收了一定的表面水分,所以導致試件1表面形成有效冰層的時間較長。由試驗可知在氣溫達到零下之前,在瀝青路面上提前布撒桉木顆粒對緩解潮濕瀝青路面凝冰現象具有積極作用。

4.2 抗滑試驗測試結果

從高低溫試驗箱中取出試件后,需快速測量試件摩擦系數,減小因冰面融化而造成的誤差。試件1條件為凝冰前布撒桉木顆粒,試件2條件為凝冰后布撒桉木顆粒,試件3不做處理。記錄試驗結果如表3所示。

表3 抗滑試驗測試結果

由試驗結果可知,試件1、試件2、試件3的BPN平均值分別為80.47、32、33.07。未做處理的試件3表面形成了一層薄冰,在試驗中與擺式摩擦系數儀接觸的是試件表面的光滑冰層,故測定出的摩擦擺值較低。提前布撒木顆粒的試件1結冰后,摩擦擺值已經和不結冰時的瀝青試件相當,遠遠高于未做處理的試件3的摩擦擺值。分析其摩擦擺值增大的原因是提前布撒的桉木顆粒與水混合,在試件表面形成了一層桉木混合冰層,冰層表面凹凸不平且鑲嵌著桉木顆粒,所以試件摩擦擺值測定較大。結冰后鋪設桉木顆粒的試件2與不做處理的試件3的摩擦擺值差異不大,無法起到防滑效果。分析試件2摩擦擺值較低原因是由于桉木顆粒體積小質量輕,無法穩定附著在已經形成冰層的試件表面,所以無法提供有效的摩擦阻力。由試驗可知提前在瀝青路面布撒桉木顆粒可在路面結冰后可起到抗滑效果。

考慮到木顆粒在路面上容易被過往車輛形成的氣流吹飛。因此,應該考慮在容易產生凝冰現象的時間段內定時鋪設幾次木顆粒,確保抑制凝冰和路面防滑的效果。

4.3 融冰試驗測試結果

試件從高低溫試驗箱中取出時開始計時,每一分鐘為一個觀察間隔,以試件表面冰面完全融化為標準,試驗室當時室溫為14.5 ℃。記錄3次試驗中,3組試件的融冰時間如表4所示。

表4 融冰試驗測試結果

試驗結果顯示試件1、試件2、試件3的平均融冰時間分別為55.3、52、59 min。可看出不管是凝冰前還是凝冰后布撒桉木顆粒,試件表面冰面完全融化的時間都比未處理的試件要短,分析其原因為桉木顆粒吸收了部分融化水分,使更多冰層暴露在室溫下,促進了冰層的融化。由試驗可知桉木顆粒對瀝青路面凝冰的融化起到了促進作用,但效果不明顯。

5 結論及展望

通過凝冰、抗滑、融冰三組試驗,對照布撒桉木顆粒前后數據變化,可以得到以下結論。

(1)提前布撒桉木顆粒試件凝冰時間相較未處理試件增加了24%,在降溫前提前布撒木顆粒會對潮濕地區瀝青路面凝冰現象起到延緩和抑制作用。

(2)提前布撒桉木顆粒試件的擺值比未處理試件提高了143%,在路面還未結冰前布撒桉木顆粒,形成冰層后可起到防滑作用。結冰后鋪撒桉木顆粒的試件與未處理試件的擺值差異不大,在已經凍結的路面上鋪撒桉木顆粒起不到抗滑作用。

(3)凝冰后布撒桉木顆粒試件融冰時間比未處理試件減少了12%,桉木顆粒可以起到促進瀝青路面融冰的效果,但效果不佳。

當前試驗主要針對木顆粒材料在潮濕地區的路面凝冰現象過程中的應用模擬,還缺少實際情況下的應用效果試驗。未來還可以設木顆粒的種類、用量為變量,研究最經濟實用的木顆粒材料以及鋪撒用量,并聯系結冰預測模型,探究最好的鋪撒時機。同時可以考慮將木顆粒與化學融雪劑配合使用,驗證其在北方冰雪凍融路面的作用,設計研究木顆粒與化學融雪劑的最佳使用配合比,探究該方法廣泛用于融冰除雪的可能性,及其可能帶來的經濟效益。