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技术文章
 
 

防冰沥青混合料工程技术应用研究

2016-3-4 点击次数：[798]
 
    中图分类号: U414 文献标识码: B   随着国民经济的快速发展，我国的交通建设业向着现代化的方向飞速前进。交通运输是我国国民经济的命脉。然而，路面状况的好坏是影响着交通运输的重要因数。我国北方冬季气候严寒，气温低于零度以下，遇降雪天气时往往就会造成路面积雪和结冰，使路面湿滑坚硬，从而大大增加了道路交通堵塞和发生交通事故的概率。在这些路段例如坡道，转弯，交叉路口等路面积雪结冰影响会更加严重，从而带来了极大地安全隐患。因此，道路融雪化冰问题早已成为人们关注的焦点。在我国公路与城市道路建设飞速发展、交通车辆急剧增加的时期，研究道路的防雪与除雪，就显得十分重要。
    防冰沥青混合料是将防冰添加剂按一定比例添加到沥青混合料中而形成的新型沥青混合料，这种新型沥青混合料应用在路面的上面层，在不影响沥青混合料的各项指标的前提下，可有效抑制路面在－ 20 ～0℃温度下道路表面的结冰，消除道路与凝冰的粘结，极易清除道路冰雪。目前，关于防冰沥青混合料防冰性能的研究尚不完善，工程技术应用方面研究较少，笔者通过研究防冰添加剂的主要成分及作用机理分析了防冰沥青混合料的防冰效果，通过铺筑试验路来研究防冰沥青混合料的生产拌和、施工过程控制等关键技术，并对试验路进行长期观测，验证防冰沥青混合料的防冰效果。
    1· 防冰添加剂的主要成分及作用机理
    1. 1 防冰添加剂主要成分及基本性能
    此种防冰添加剂是一种由氯化钙与斥水性油脂混合反应，经化学工艺处理而得到的环保型道路和桥面的防结冰材料，其各项物理指标见表1。
                 
    1. 2 作用机理
    防冰添加剂添加到沥青混合料中用于沥青路面上面层，利用路面的空隙和毛细管原理，当大气的环境温度、湿度与路表层和路面层深度发生差异，路面受到压缩、振动、磨损等各项因素时，防冰添加剂从不同的深度被极其缓慢的抽提迁移到道路面层释放出来，与路面的冰雪发生类似盐化学的作用，从而防止或延缓路面结冰，具体作用原理为防冰添加剂溶于水后，水中离子浓度上升，使水的液相蒸气压下降，但冰的固态蒸气压不变，为达到冰水混合物固液蒸气压相等的状态，冰便溶化。
    在距路表面约5 ～ 10mm 处，防冰添加剂是作为溶液存在于道路的孔间和毛细管里，这些以液态存在的防冰添加剂从空隙间渗漏出来或退回到这些空隙间，较深层面的防冰添加剂是以稳定的固体状态存在，由于路面的磨损，新的防冰添加剂颗粒不断地释放出来。
    2· 掺配工艺
    采用常规的拌和方式拌制基质沥青混合料，矿料加热温度控制在140 ～ 160℃，改性沥青加热温度150 ～ 160 ℃，湿拌时间控制在30s 左右，并控制离析，利用间歇式半机械半人工添加方式添加防冰添加剂，加入常温的防冰添加剂后使每一批混合料的搅拌时间不小于5s，但应不超过10s，建议设定为7 ～ 8s。防冰沥青混合料的出料温度为150 ～ 160℃，拌和的混合料应均匀，无花白、无粗细料分离和结块现象。
    3· 防冰沥青混合料在108 国道中的应用
    3. 1 工程背景
    108 国道( 南村至石门营段) 改建工程起点为门头沟区南村， 终点为门头沟区小园; 路线全长6. 787km，技术标准为一级公路，设计车速为60km/h;整体式路基全宽23m，分离式路基全宽11. 25m; 合同工期为2007 年9 月20 日进入实施阶段，于2012年12 月完工。主路( 匝道) 面层结构见表2。
                  
    为提高沥青混凝土路面的防冰效果，增强道路的安全性，建设单位提出使用防冰沥青混合料用于表面层的方案。本次铺筑防冰沥青混凝土路面的桩号为AK16 + 375. 701 ～ AK16 + 691. 364，全长300 余米。
    3. 2 原材料检测
    3. 2. 1 沥青结合料
    本项混合料生产配合比设计采用的沥青是北京路桥路兴物资中心大兴沥青厂生产的SBS 成品改性沥青( I － C) ，对沥青各项指标进行测试，结果见表3。
               
    从表3 可以看出，沥青的各项指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》( JTG F40—2004) 中的技术要求，可以用于沥青混合料设计和生产。
    3. 2. 2 粗集料
    为了充分发挥沥青混合料中粗集料的作用，粗集料必须使用坚韧、粗糙、有棱角的优质石料。本次试验采用的粗集料是门头沟中门寺产的辉绿岩，张家口产的玄武岩，对各规格粗集料性能检验结果见表4。
               
     由表4 可以看出，粗集料的各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》( JTG F40 － 2004) 的要求，可以在工程中使用。
    3. 2. 3 细集料
    沥青路面采用的细集料应系干净、坚硬、坚韧、坚固的并略带有棱角的颗粒，无粘土或混有泥土、粉土或其它有害物质的松散颗粒材料。本次试验中采用的细集料为门头沟产的机制砂，对细集料性能试验结果见表5。
               
    由表5 中可见，机制砂的技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40 － 2004 的技术要求，可以在工程中使用。
    3. 2. 4 填料
    用于工程的石灰石粉作为填料应是干燥、松散而且无泥土、杂质和成团。本次试验采用的矿粉为门头沟沥青厂生产的石灰石粉，其技术指标见表6。
                  
    由表6 中可见，矿粉的各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》( JTG F40—2004) 的技术要求，可以在工程中使用。
    3. 2. 5 温拌添加剂
    本次配合比设计采用温拌技术，添加温拌添加剂，掺加比例为添加剂∶ 沥青= 5∶ 95。
    3. 2. 6 防冰添加剂
    防冰添加剂用量为沥青混合料质量的5. 5%。
    3. 3 配合比设计
    为确保沥青混合料的高温抗车辙能力，同时兼顾低温抗裂性能的需要，根据在以往工程中取得的成功经验及本工程的特点，在进行矿料组成设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量，减少0. 6mm以下部分细粉的用量，使中等粒径集料偏多，形成较为平坦的S 型级配曲线，并取中等或偏高水平的设计空隙率。此外根据防冰添加剂的要求，沥青混合料的空隙率应控制在2% ～ 3%。因此，为了兼顾路用性能和空隙率的要求，适当调整合成级配。首先对各级矿料进行了筛分，采用人机对话的方式，并考虑防冰添加剂的材料特性、粒径大小、掺加用量以及掺加方法，确定AC － 16 混合料的级配曲线。待级配曲线确定后，通过马歇尔试验确定最佳沥青用量，再根据确定的目标配合比调整各冷料仓的供料参数，供生产配合比调试，具体数据如表7、表8 所示。
               
    从表9 中数据可见，AC － 16C 防冰沥青混合料各项指标均符合技术要求，说明所设计的沥青混合料是合理的，可以在实际工程中应用。
    3. 4 防冰沥青混合料的施工要求
    防冰沥青混合料的施工一般遵循现行的施工方法进行，但防冰沥青混合料有其独特的材料特点，防冰沥青混合料的生产、运输储存和路面施工有一些与基质沥青不同的要求，只有正确使用才能达到预期的防冰效果。
    3. 4. 1 防冰沥青混合料的生产
    ( 1) 保存。防冰添加剂必须保存在于燥的地方。为避免其吸收潮气，在防冰添加剂混入配料前，袋子不应开口。可将其存入圆筒储料仓中使用。
    ( 2) 过筛。为除去偶见的结块，应将防冰添加剂颗粒从袋子中倒出后通过20mm 的筛孔将其筛除。这些结块是在材料离开工厂后，由于保存不当或包装带损坏而引起的。结块会很硬，在搅拌机中不易搅拌开。如果不用筛子清除结块，其会在路面上形成坑槽。
    ( 3) 添加。设备添加方式: 如果拌和设备上配有可供防冰添加剂使用的下料仓，须将防冰添加剂以松散的状态放置在料仓中，添加时防冰添加剂必须连续地以加入到强制式搅拌缸中。应尽量避免使用螺旋输送系统传送，因为这种方法会导致的防冰添加剂颗粒大量破碎。如果不得不使用螺旋输送系统，螺杆长度不应长于2m，且仅用于橫向输送。在任何情况下，”防冰添加剂均不能通过加热干燥滚筒。
    人工添加方式: 在拌和设备没有可供防冰添加剂使用的下料仓的情况下，通常只能采用人工投料的方式来完成防冰添加剂的添加。为了便于现场人员操作，需要准备一个与拌和仓门高度一致的水平平台，或采用滑坡式装料斗将每次拌和所需要的防冰添加剂材料推送到拌和仓内。
    ( 4) 搅拌。在防冰添加剂使用量大的情况下，搅拌机必须安装合适的防冰添加剂的添加装置，加入防冰添加剂后使每一批混合料的搅拌时间不小于5s( 为确保其在混合料中均匀分布) 但应不超过10s( 为避免颗粒破碎) ，建议设定为7 ～ 8s。
    ( 5) 防冰添加剂的添加时间。先拌和含沥青的基本配料，然后再添加防冰添加剂，添加时间不超过4s。
    ( 6) 最终拌和时间。总的拌和时间与常规混合料的拌和时间没有太大变化。但是，必须保证有足够的拌和时间，使得所有的防冰添加剂颗粒都能均匀裹覆上沥青，也就是说，在混合料中看不见白色的颗粒。
    ( 7) 混合料在储仓中的保存。通常，拌制好的混合料保存在筒仓中不会出现什么问题。但是如果混合料中加入特殊添加剂，如炉渣填料或含水敏感材料，筒仓可能会发生堵塞现象。为了消除疑虑，可在储仓中进行试验或直接将混合料卸于卡车上。
    3. 4. 2 防冰添加剂路面的摊铺与压实
    ( 1) 基本原则。含防冰添加剂材料的路面摊铺与压实相对容易一些，摊铺质量对路面的特性有着十分重要的影响。
    ( 2) 铺筑路表面要求。铺筑表面必须干燥、清洁、满足通常要求的平整度、无裂缝和不透水，在极端情况下需铣刨出一个新层面。如在桥面上需仔细检查每层铺装层，尤其是排水系统。为了使下承层获得适当的结合力，必须洒布300 ～ 500g /m2 的阳离子乳液或者粘贴150 ～ 200g /m2的防水粘结材料．
    ( 3) 天气。不得在下雨天进行摊铺作业，施工时空气温度不应低于10℃。
    ( 4) 摊铺温度。摊铺温度取决于所使用沥青类型，可与常规混合料温度保持一致。
    ( 5) 压实要求。为了防止水分渗入未压实的路表面，在第一次压路机碾压时不得喷水。在使用钢轮压路机碾压时，可采用植物油涂抹钢轮。
    3. 5 防冰沥青混合料的施工过程质量控制
    对于防冰沥青面层混合料，现场的压实效果应采用空隙率和压实度双向控制。理想的空隙率为3% ～4%。由于在高空隙率的情况下，水分可能渗入路面，导致防冰沥青路面损坏，所以在任何情况下、任何地点，空隙率都不得包括超过6%。空隙率计算所需的最大理论密度以实测为准，测试按照“沥青路面混合料最大相对密度试验( 真空法) ( T0711 － 2011) ”进行。沥青混合料压实度的实验，以实测芯样为准。宜使用标定后的核子密度仪与钻芯测量结合进行跟踪观测。为保证结果的准确性，核子密度仪测试时可以采取铺沙法进行测试。
    3. 6 防冰效果调研
    跟踪调查表明在经历北京2012 年底的大雪后，由于雪量大，环境温度低，降雪后经过车辆碾压普通沥青混合料路面被冰雪覆盖，很难将冰雪铲除，而经过车辆碾压的防冰沥青混合料表面基本没有冰雪，没有车辆碾压的路面结冰也很容易被铲除。
    4 ·结语
    通过108 国道防冰沥青路面的施工，总结出以下经验:
    ( 1) 防冰添加剂对混合料的空隙率有严格要求，防冰沥青混合料的空隙率需控制在2% ～ 3% 之间，因此在工程应用上需适当调整合成级配。
    ( 2) 防冰沥青混合料的各项路用性能均满足规范要求，表明防冰沥青混合料具有较好的路用性能。
    ( 3) 防冰沥青混合料的生产工艺与普通沥青混合料相比，只需增加防冰添加剂的进料口，其他条件相同，生产工艺较简单。
    ( 4) 防冰沥青混合料的摊铺和压实有特殊要求，为防止水的浸入，防冰添加剂路面不能在雨天摊铺，在第一次压路机碾压时不得喷水，在使用钢轮压路机碾压时，可采用植物油涂抹钢轮。
    ( 5) 防冰沥青路面需严格控制空隙率，空隙率控制在3% ～ 4%之间。
    ( 6) 跟踪调查表明，防冰沥青路面具有良好的防冰效果。
    综上所述，使用防冰添加剂铺筑的沥青路面，在满足规范要求的路用性能的基础上，具有良好的防冰效果。防冰沥青路面可完全替代撒盐融雪的被动养护措施，是一种表现较好的主动防冰技术，其生产工艺较简单方便，适用现有的沥青面层摊铺的机械化施工工艺，可应用于高等级道路和对防冰性能有特殊要求的路面。
 
 
 
 
 
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