抗凝冰涂層自動(dòng)噴灑設(shè)備裝置及其作業(yè)方法

楊延輝,朱寶林

[1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052; 2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院,北京 100029;3.交科院檢測(cè)技術(shù)（北京）有限公司,北京 101300]

0 引言

2008 年初，我國經(jīng)歷了很嚴(yán)重的雨雪冰凍災(zāi)害。此次災(zāi)害籠罩了我國絕大部分區(qū)域。另外，在春節(jié)期間，它在一定程度上增加了自然災(zāi)害的負(fù)面影響。在突發(fā)事件中，我國的公路等交通設(shè)施遭受了嚴(yán)重破壞，民眾基本生命保障也遭受了不同程度的損害。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該次雨雪冰凍災(zāi)害共導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失1 516.5 億元，并導(dǎo)致129 人遇難，4 人失蹤。廣東、貴州、湖南、江西等十九省市直接損失573 億多元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國很多地方的冬天都會(huì)出現(xiàn)積雪。上述地方的路面會(huì)因?yàn)橄卵┖蛢鲇甑奶烊粴夂蛞蛩囟鴥鼋Y(jié)，導(dǎo)致路面摩擦系數(shù)和附著力下降；車輛制動(dòng)和行駛困難，導(dǎo)致打滑、制動(dòng)距離延長，甚至制動(dòng)失靈和方向喪失，容易導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故。根據(jù)國外相關(guān)研究，車輛在冰雪路面上行駛導(dǎo)致交通事故的概率是正常天氣條件下的兩倍，70%的事故可能造成人員傷亡。

1 研究目的與意義

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國公路建設(shè)里程不斷增加，道路等級(jí)不斷提高。瀝青路面具有優(yōu)異的路用性能和舒適的駕駛性能，在國內(nèi)外高等級(jí)公路上得到廣泛應(yīng)用。截至2021 年底，我國公路通車總里程達(dá)5 280 000 km，其中高速公路近170 000 km，居世界第一位。我國高等級(jí)公路中90%以上是瀝青路面。然而，隨著現(xiàn)代公路運(yùn)輸系統(tǒng)所追求的速度、效率和安全概念的提出，道路駕駛安全越來越受到重視。冬季，我國山區(qū)公路路面易結(jié)冰。路面結(jié)冰后，路面的附著力大大降低，導(dǎo)致汽車打滑、剎車失靈、迷失方向，容易引發(fā)交通事故，嚴(yán)重影響道路交通安全。計(jì)劃通過結(jié)冰路面的分布以及結(jié)冰形成環(huán)境的測(cè)試和分析來調(diào)查路面結(jié)冰問題。

冬天的凝冰路面是發(fā)生交通事故最頻繁也最危險(xiǎn)的地點(diǎn)之一，在結(jié)冰路面撒布融雪化冰劑是解除冰雪危害的常用手段，但在高海拔地區(qū)一旦路面產(chǎn)生結(jié)冰，道路通行受阻，融雪劑的撒布極為困難，且成本很高[1]。因此，尋求一種方便、快捷、高效的整套道路抗凝冰材料和設(shè)備顯得尤其重要。該次研究針對(duì)路面凝冰問題，擬通過對(duì)凍結(jié)路面的分布情況進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)凍結(jié)路面形成環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)分析，為防凍路面的研究提供了理論依據(jù)。通過研制防凍瀝青混合料改性劑，形成了瀝青路面防凍控制體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)冰路面高危路段的改造，為結(jié)冰多發(fā)地區(qū)新建道路的設(shè)計(jì)和施工提供了技術(shù)指導(dǎo)，且該次著重研發(fā)了疏水抗凝冰涂層自動(dòng)化噴灑的創(chuàng)新型設(shè)備裝置，該裝置及作業(yè)方法能夠非常方便、高效、均勻地在凝冰路段進(jìn)行自動(dòng)化噴灑，相應(yīng)地輔助監(jiān)測(cè)和調(diào)控設(shè)施也可以對(duì)噴灑狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)，該裝置具有省時(shí)省力、噴灑性能良好、可大范圍應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)[2]。

2 道路除冰雪技術(shù)研究現(xiàn)狀

多年來，各國道路運(yùn)輸部門對(duì)路面冰雪問題進(jìn)行了廣泛的研究，探索了消除路面冰雪的各種方法。這些方法可以分為被動(dòng)和主動(dòng)兩類。被動(dòng)清除路面冰雪的方法主要有攤鋪融雪劑、人工和機(jī)械清除方法、攤鋪砂礫料和熱融雪方法。主動(dòng)融雪技術(shù)是路面融冰除雪的一種特殊功能。這類技術(shù)主要包括熱力融冰雪技術(shù)、抑制凍結(jié)鋪裝類技術(shù)、添加降低冰點(diǎn)類物質(zhì)的抗凝冰技術(shù)、抗凝冰涂層技術(shù)等[3]。

2.1 人工除雪

所謂的“人工除雪”，就是指通過一些簡(jiǎn)易的工具，比如鏟子、掃帚等，來清理道路上的積雪。目前，我國城市積雪治理工作主要集中在高速公路和國家及省干線上，存在著效率低、效果差、工作人員工作量大等問題。此外，目前的人工除雪工作已無法滿足現(xiàn)代化都市建設(shè)的需要，尤其是最近幾年，由于車流量的增大，大量的汽車在道路上行駛，使得道路上的積雪更加密集[4-5]。如此一來，除雪就變得更加困難。單純依靠人工清除積雪，短期之內(nèi)難以使高速公路及國家、省干線的交通恢復(fù)正常。所以，盡管手工除雪具有機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，但也是最費(fèi)力的一種方式，效率低、成本高、安全性差，必然會(huì)被其他的除雪方式所替代。

2.2 人工撒布融雪劑除冰雪

在國內(nèi)和世界范圍內(nèi)，撒布融雪劑是一種廣泛應(yīng)用于道路表面除霜的方法。這種方法主要是在道路表面噴灑一些液體和固體物質(zhì)，從而使道路表面的積雪融化[6]。根據(jù)化學(xué)組成的不同，可以劃分為氯鹽型、非氯鹽型以及混合型；根據(jù)性能不同還可以劃分為傳統(tǒng)的融雪劑和環(huán)保型的融雪劑。環(huán)保型屬于對(duì)環(huán)境比較友好的類型，主要為非氯鹽型的。

2.3 機(jī)械除雪

由于機(jī)械設(shè)備的更新?lián)Q代，機(jī)械除雪的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，已經(jīng)逐步替代了傳統(tǒng)的人工除雪。這是一種利用機(jī)械直接清理積雪，消除其帶來威脅的技術(shù)，在許多國家得到大量應(yīng)用。它的應(yīng)用方式主要有機(jī)械吹雪和機(jī)械鏟除積雪兩種，適應(yīng)不同級(jí)別的積雪類型。機(jī)械吹雪適用于展開的薄路雪，通常只適用于機(jī)場(chǎng)等易于管理的較小區(qū)域的除雪；機(jī)械鏟雪適用于大量結(jié)冰前的大規(guī)模清理作業(yè)。

一種多功能噴射除雪車，利用渦流噴射系統(tǒng)產(chǎn)生高速、高溫、高流量的除雪氣流，可以將路面上的雪一次吹干凈，路面也可以根據(jù)需要進(jìn)行干燥。常用的鏟雪機(jī)械可分為刮雪式、刷雪式、螺旋式采雪式、旋切沖擊旋切式、鏟切沖擊式。

2.4 抗凝冰涂層噴灑技術(shù)

將抗凝冰劑裝入噴灑裝置內(nèi)，噴灑于易凝冰路段或已經(jīng)開始結(jié)冰的路段，在路面形成致密的一層涂層，起到主動(dòng)抗凝冰除雪的目的，此技術(shù)依靠半自動(dòng)和全自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的特點(diǎn)，提高了路面凝冰的主動(dòng)融冰雪效率，節(jié)省了大量的人力物力損耗，保障了道路通行者的生命和財(cái)產(chǎn)安全[7]。

3 試驗(yàn)方法

該自動(dòng)化噴灑裝置由攪拌儲(chǔ)存罐、發(fā)電機(jī)、攪拌電機(jī)、攪拌池、隔膜泵、高壓機(jī)、噴灑管、三通閥、多孔噴頭等組成。該裝置設(shè)備通過攪拌和高壓輸送到隔離泵進(jìn)行道路抗凝冰涂層的噴灑工作，隔離泵可以起到防泄漏的作用，具體流程如下：將各儀器連通，打開開關(guān)并接通電源，使用專用裝置將制備好的疏水抗凝冰涂層加入攪拌儲(chǔ)存罐，等待后續(xù)的使用。啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)帶動(dòng)攪拌電機(jī)將涂層材料輸送至連通好的攪拌池中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?；?jīng)充分?jǐn)嚢柚?，流入隔膜泵，隔膜泵通過高壓機(jī)高壓后再次流入隔膜泵，然后液體涂層材料經(jīng)噴灑管、三通閥和強(qiáng)力噴灑頭噴灑于路面；噴灑過程全程采用四個(gè)方向的噴灑模式，保證噴灑的覆蓋度，增強(qiáng)涂層的效果，噴灑時(shí)設(shè)備安裝在半掛車或者履帶車上面，噴灑過程無需人工操作，簡(jiǎn)單方便，安全高效。

抗凝冰涂層自動(dòng)化噴灑設(shè)備在原有半自動(dòng)噴灑車的基礎(chǔ)上對(duì)噴灑設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新性研究和試驗(yàn)。噴灑材料的實(shí)際性能指標(biāo)如表1 所示：

表1 抗凝冰涂層實(shí)際性能表

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了讓緩釋型抗凝冰改性劑在瀝青路面抗凝冰涂層中產(chǎn)生更好效果，該研究將通過混合料中摻加不同摻量的緩釋型抗凝冰改性劑，對(duì)瀝青路面涂層的抗凝冰效果進(jìn)行驗(yàn)證，以確定緩釋型抗凝冰改性劑的最佳摻量[8]。在對(duì)不同氯化物降低不同冰點(diǎn)的研究基礎(chǔ)上，采用直接冰凍測(cè)試以及摩擦系數(shù)測(cè)試值，確定抗凝冰改性劑最佳摻量。向膠黏劑中添加不同摻量的抗凝冰改性劑，其比例為2%、10%、20%，分別對(duì)瀝青路面涂層進(jìn)行試驗(yàn)。此次試驗(yàn)分為抗凝冰試驗(yàn)、普通噴頭和強(qiáng)力霧化噴灑頭性能試驗(yàn)、半自動(dòng)噴灑和全自動(dòng)噴灑性能測(cè)試試驗(yàn)，分別對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行效益評(píng)價(jià)分析。

4.1 抗凝冰試驗(yàn)

為了更明確抗凝冰效果，將制備好的馬歇爾試件，用橡膠將上面層封住，防止水分流失，將制備的瀝青路面抗凝冰涂層在環(huán)境箱中進(jìn)行重復(fù)冰凍試驗(yàn)，最多做了12 次循環(huán)，由于摻量超過20%的抗凝冰涂層材料在現(xiàn)有技術(shù)下已無法成型，因此認(rèn)為摻量過高已經(jīng)不適宜制備涂層，只能將未摻加涂層的試件和摻量為2%、10%、20%四組進(jìn)行抗凝冰試驗(yàn)[9]。未采用涂層的試件，冰層附著緊密，無法分離；涂抹了摻量2%的抗凝冰涂層試件在經(jīng)過冰凍重復(fù)試驗(yàn)后，冰層剝離逐漸困難，剝離量減少；而摻量10%、20%的抗凝冰涂層抗凝冰效果明顯，試件表面冰層在-20 ℃內(nèi)，能夠輕易剝離。

綜上所述，抗凝冰測(cè)試表明，改性劑摻量2%~20%之間均可以滿足不同氣溫條件下的抗凝冰要求。抗滑性能擦拭表明，抗凝冰涂層不會(huì)對(duì)原路面抗滑性能造成影響，因此通過驗(yàn)證，摻量低的抗凝冰涂層無法滿足路面抗滑系數(shù)的要求，因此認(rèn)為摻量過低不能滿足抗凝冰的要求，而2%~20%摻量的抗滑系數(shù)在規(guī)范要求范圍之內(nèi)，滿足路面抗凝冰需求。

4.2 普通噴頭和強(qiáng)力霧化噴灑頭性能試驗(yàn)

強(qiáng)力霧化噴頭是對(duì)普通噴頭的一個(gè)升級(jí)改造，是將普通單個(gè)噴頭升級(jí)為利用三通閥連接的組合噴頭。除此之外，對(duì)整個(gè)設(shè)備裝置的最后且是極其重要的一環(huán)，噴頭的噴出量和噴灑面積直接影響噴灑的效果，因此，對(duì)噴頭進(jìn)行一個(gè)內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的改造升級(jí)，內(nèi)置一個(gè)強(qiáng)力泵，能夠保證抗凝冰劑材料的噴出速度和面積，外部設(shè)計(jì)成致密的多孔結(jié)構(gòu)，保證了其霧化噴灑效果。

經(jīng)同一試驗(yàn)路不同路段試驗(yàn)結(jié)果及后續(xù)檢測(cè)結(jié)果可知，在相同時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)力霧化噴灑頭比普通噴頭的噴灑效果更佳，且作用面積和寬度更大更寬。除此之外，強(qiáng)力噴灑頭噴灑量也幾乎和普通噴頭使用量平齊，說明在同一條件下，強(qiáng)力霧化噴灑頭噴灑效果更好，噴灑更為均勻。整個(gè)噴灑系統(tǒng)由于噴頭結(jié)構(gòu)的改造升級(jí)，提高了噴灑效率的同時(shí)，還節(jié)省了噴灑量，減少了未作用于實(shí)際易凝冰路面的抗凝冰劑的浪費(fèi)，降低了成本，提高了除冰率，更大化地保證了道路通行的通暢和安全性。

4.3 半自動(dòng)噴灑和全自動(dòng)噴灑性能試驗(yàn)

經(jīng)過對(duì)融冰度、所耗時(shí)間、人力、物力、費(fèi)用等方面的量化分析可知，在抗凝冰效率和效果上，自動(dòng)化噴灑設(shè)備效果更好，實(shí)施應(yīng)用起來更加省時(shí)省力，因此全自動(dòng)噴灑設(shè)備具有優(yōu)良的道路使用性能和廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。各項(xiàng)抗凝冰方法效果指標(biāo)如表2 所示：

表2 各項(xiàng)抗凝冰方法效果指標(biāo)對(duì)比表

從實(shí)際融冰率和耗費(fèi)的人力物力對(duì)比表中可以看到：

融冰度：機(jī)械除冰<人工灑布融雪除冰劑<半自動(dòng)噴灑<全自動(dòng)噴灑；

耗費(fèi)人力/物力：機(jī)械除冰>人工灑布融雪除冰劑>半自動(dòng)噴灑>全自動(dòng)噴灑。由此可知，噴灑設(shè)備裝置作業(yè)具有更高的噴灑效率和融冰度，更低的人力物力消耗。

5 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該文所介紹的抗凝冰涂層自動(dòng)噴灑設(shè)備裝置及作業(yè)方法，通過試驗(yàn)該設(shè)備自動(dòng)噴灑對(duì)不同厚度冰層的實(shí)際作用效果，從而對(duì)該設(shè)備的噴灑效率進(jìn)行一個(gè)評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在-50 ℃以上具有較為穩(wěn)定的融冰化雪能力，且溫度越高，抗凝冰效果越顯著。主要結(jié)論如下：

（1）噴灑效果直接影響抗凝冰劑和抗凝冰涂層的融冰化雪效果和持續(xù)作用時(shí)間。

（2）抗凝冰劑摻量以及現(xiàn)場(chǎng)噴灑的環(huán)境（溫度、濕度、風(fēng)力風(fēng)向等）都會(huì)影響噴灑效率和均勻性。

（3）機(jī)械除冰、半自動(dòng)噴灑、全自動(dòng)噴灑的除冰雪效果和人力物力耗費(fèi)各不相同，應(yīng)綜合考慮各個(gè)因素之間的相互關(guān)系，以追求高效、快速除冰的同時(shí)，盡可能地降低除冰的人力物力成本。