抗冰路面的性能及其應(yīng)用研究

李瑞

中國鐵路設(shè)計集團有限公司，中國·天津 300000

1 引言

在中國的北方地區(qū)，冬季的時候行車道路經(jīng)常出現(xiàn)一個問題，那就是道路積雪結(jié)冰。供車輛行駛的路面一旦結(jié)冰，路面的抗滑能力就會受到很大的影響，這樣也會產(chǎn)生很大的交通安全隱患。

為了減緩路面結(jié)冰帶來的交通影響，目前有很多傳統(tǒng)的解決辦法，最常見也最耗費人力物力的就是人工鏟雪除冰，像平時可以看見的掃雪車和掃雪工人，處理起這個問題十分麻煩。而且非常浪費時間和精力，效率還不是很高，可能大部分時候清理一整天也只能清理出一小部分的道路。但如果雨雪天氣持續(xù)的話，之前做的清掃工作就起不到任何作用，在未來，這種傳統(tǒng)的方法也將慢慢被淘汰。

另外一種緩解冰雪路面的方法即撒布融雪劑，此方法也只是暫時緩解交通，其缺點就是化學(xué)物質(zhì)會對道路環(huán)境造成污染和破壞，不符合目前所提倡的綠色交通理念，不僅僅是出行交通綠色，在道路建設(shè)與養(yǎng)護的過程中，綠色無污染也應(yīng)該是我們追求的目標(biāo)。因此，這樣的方法也不應(yīng)該是我們追求的，我們希望道路自身可以擁有抗冰除冰的功能，不需要人工的參與，在冰雪條件發(fā)生的時候可以自主產(chǎn)生應(yīng)對的機制[1]。

于是化學(xué)類主動抑制路面凍結(jié)技術(shù)開始應(yīng)用于實際中，也就是在道路鋪設(shè)前，生產(chǎn)瀝青混合料的時候拌和加入防冰鹽，拌和施工后形成可以防冰抗滑的路面。

2 防冰鹽防冰原理

下面討論運用防冰鹽使路面具有抗冰能力的方法。目前主要是根據(jù)鹽化物可以降低冰點的原理達(dá)到路面主動防冰的效果，投入應(yīng)用的大多是一種緩釋型防冰材料，它具有在一定條件下迅速激活的特性。冬季溫度低，空氣濕度較大的時候，防冰鹽在路面的孔隙壓力和車輛對表面層的磨耗作用下慢慢地析出，降低路面的冰點來防止和延緩路面結(jié)冰；而且在路面冰層比較薄的時候，防冰鹽可以在路面和冰層之前形成一個薄層，然后通過車輛的碾壓作用使冰層破壞以達(dá)到防冰的效果。將這種防冰材料加入瀝青混合料拌和，最后形成的路面也就將具有可以防冰抗冰的新型功能。

抗冰路面中起到防冰抗冰功能的有效成分就是防冰鹽，其在制備的過程中運用了原位聚合的方法。所謂的原位聚合，就是使納米粒子在單體中均勻分散并在一定的條件下聚合而成我們需要的功能性復(fù)合材料，為了得到緩釋型防冰材料，研究者采用原位聚合法對鹽化物進(jìn)行改性，在其表面生成一種疏水性、耐高溫的包覆材料丙烯酸酯類聚合物。具體就是用丙烯腈為反應(yīng)單體、十二烷基苯磺酸鈉為表面活性劑、環(huán)己烷為反應(yīng)介質(zhì)、BPO為引發(fā)劑、二乙烯為交聯(lián)劑、含氫硅油為改性劑、含氯鉑酸的異丙醇溶液為催化劑形成一種聚合體系，然后通過原位聚合法合成一種具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的耐高溫的高分子包覆材料，能在防冰有效成分表面形成一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包覆薄膜。由這些材料組合經(jīng)過原位聚合而成的防冰鹽才能真正運用到實際環(huán)境中[2]。

3 性能

為了檢驗抗冰路面在實際運用中的性能，研究者選擇了許多檢驗的標(biāo)準(zhǔn)。

第一，要研究加入了防冰鹽是否對瀝青混合料原來的性能產(chǎn)生影響，可以根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行性能試驗，發(fā)現(xiàn)加入了防冰鹽確實會對瀝青混合料的強度、抗松散能力和抗水損害能力會有一些影響。

第二，需要關(guān)注的是加入防冰鹽后拌和而成的路面在應(yīng)用中的性能如何，關(guān)于防冰效果的檢驗，可以分成室內(nèi)和室外兩種來進(jìn)行。

在實驗室里，研究者通過對比試驗，將加入了防冰鹽的試件和沒有加入防冰鹽的試件在模擬了北方冬季相似條件下-10℃的溫度里加入適量水冷凍2～4h，會發(fā)現(xiàn)未加入防冰鹽的試件已經(jīng)全部結(jié)冰而加入防冰鹽的試件還沒結(jié)冰；或者在更加低溫的條件下使兩個試件都結(jié)冰之后，置于室溫16℃條件下使其自然融化，研究者觀察得到加入防冰材料的試件表面冰層已經(jīng)完全融化，而未加入防冰材料的試件還有90%的冰層殘余，這都證實了添加的防冰材料真正可以起到防冰的效果[3]。

而對于室外的實驗，主要是為了探究材料的耐久性是否符合現(xiàn)行的規(guī)范，關(guān)于耐久性的檢驗，我們制備摻入防冰材料含量大約為5.5%的車轍試件，置于室外，在類似實際的自然條件下風(fēng)吹日曬雨淋，然后在每個時間段檢驗試件內(nèi)有效防冰材料的濃度，實驗表明，由原位聚合法得到的高分子復(fù)合材料防冰鹽大概可以保持6～7年，算是具有較良好的耐久性能，可持續(xù)的時間長。

除此之外，不僅僅是模擬實驗，許多國家在之前也將摻入防冰鹽的瀝青混合料鋪設(shè)成抗冰路面，在實地檢驗其的使用性能。在冰雪天氣對其進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)確實抗冰路面和傳統(tǒng)路面有非常大的不同，在相同的天氣條件下，抗冰路面的表面幾乎看不到冰雪沉積，而傳統(tǒng)的路面已經(jīng)很難通車，表明了抗冰路面在實際應(yīng)用的時候具有很高的抗冰效用，可以投入實際嚴(yán)寒地區(qū)的道路使用。

4 應(yīng)用

抗冰路面運用的歷史也算比較早，其他國家的應(yīng)用比中國還要早了幾年，比較著名的就是俄羅斯科羅姆那——卡希拉公路上就修建了具有防冰性能的瀝青混凝土路面[4]。翻閱資料可知，當(dāng)時此段路上晝夜交通量為3000輛，其中以重型車輛為主。與試驗路段一起還修建了檢驗路段，檢驗路段上除了沒有添加抗冰材料，所用的瀝青混合料都和試驗路段完全一致，在當(dāng)時極度惡劣的條件下，檢驗路段上的冰雪已經(jīng)凍硬，通車?yán)щy，而試驗路段上的積雪只需稍微翻動一下便可移除，這是抗冰路面比較早的應(yīng)用，對比路段也顯示了抗冰路段在這種極端環(huán)境下的優(yōu)越性。

現(xiàn)在中國也有一些地方將抗冰路面應(yīng)用到實際的例子。例如，湖北省十白高速公路地處十堰山區(qū)張家院大橋左右傍山且地處山谷風(fēng)口位置，冬季受寒風(fēng)影響橋面更易積雪結(jié)冰，自然條件惡劣，橋面防冰除冰難度更大。為解決張家院大橋冬季防冰抗滑問題，于2013年11月鋪設(shè)了2km的防冰抗滑瀝青路面，使用效果相比鋪設(shè)之前，積雪結(jié)冰問題得到了非常大的改善[5]。

在實際應(yīng)用的過程中，研究者要對路面的情況時時監(jiān)控，對面層厚度、路面摩擦系數(shù)、壓實度等幾個指標(biāo)要在固定的時間段內(nèi)進(jìn)行檢驗，保證抗冰路面性能符合道路行車安全的規(guī)定。

5 發(fā)展趨勢

目前對于防冰材料的研究，大多是側(cè)重于運用原位聚合法對鹽化物進(jìn)行改性得到的防冰鹽，這種在路面鋪裝之前就混入瀝青混合料進(jìn)行拌和，最后形成的多功能路面。和我們之前提到的傳統(tǒng)除雪防冰的方法來說，它具有很多的優(yōu)點：是根據(jù)除冰材料特性在氣溫濕度變化下發(fā)生的除冰效應(yīng)，與人工除冰掃雪相比，作用產(chǎn)生的即時性更好，是從冰層內(nèi)部發(fā)揮作用，區(qū)域大、效果更加明顯、減少了人力物力的使用。而且材料對環(huán)境也沒有破壞性，耐用性能也十分良好，現(xiàn)在越來越多的傳統(tǒng)道路開始向多功能道路轉(zhuǎn)變。在一些高寒地區(qū)，防冰路面已經(jīng)投入使用，并且經(jīng)過考察，和傳統(tǒng)路面相比，添加了防冰鹽的路面確實可以起到預(yù)計中的除冰效果，因此含有除冰功能的路面越越來越廣泛地投入使用[6]。

除了使用原位聚合法制備的防冰鹽，對于防冰材料的研究還在繼續(xù)，大部分是朝著高分子復(fù)合材料的方向展開研究的，因為復(fù)合材料的性能相比普通材料來說更加優(yōu)越，更加全面，是未來抗冰材料的一個大研究方向。

6 結(jié)語

抗冰路面的確在各種檢驗的表現(xiàn)下都很出色，但是目前在中國還沒有真正得到廣泛的重視。主動防冰技術(shù)的成功實施也離不開道路環(huán)境監(jiān)測，將濕度、溫度等與冰雪防治相關(guān)的參數(shù)納入道路交通檢測中，或者將道路冰雪監(jiān)控系統(tǒng)與天氣預(yù)報系統(tǒng)相結(jié)合，能夠為主動防冰的系統(tǒng)設(shè)計提供很大的便利。在這個問題上能更加大膽地突破，將目前還停留在研究觀察階段的成果結(jié)合實踐，如此有未來前景的一個方向應(yīng)該得到認(rèn)識和應(yīng)用，未來的機遇很大，需要一步步摸索。