抗冰路面的性能及其應用研究

李瑞

中國鐵路設計集團有限公司，中國·天津 300000

1 引言

在中國的北方地區，冬季的時候行車道路經常出現一個問題，那就是道路積雪結冰。供車輛行駛的路面一旦結冰，路面的抗滑能力就會受到很大的影響，這樣也會產生很大的交通安全隱患。

為了減緩路面結冰帶來的交通影響，目前有很多傳統的解決辦法，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，其缺點就是化學物質會對道路環境造成污染和破壞，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，在道路建設與養護的過程中，綠色無污染也應該是我們追求的目標。因此，這樣的方法也不應該是我們追求的，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，在冰雪條件發生的時候可以自主產生應對的機制[1]。

于是化學類主動抑制路面凍結技術開始應用于實際中，也就是在道路鋪設前，生產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。目前主要是根據鹽化物可以降低冰點的原理達到路面主動防冰的效果，投入應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單體、十二烷基苯磺酸鈉為表面活性劑、環己烷為反應介質、BPO為引發劑、二乙烯為交聯劑、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狀結構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狀結構包覆薄膜。由這些材料組合經過原位聚合而成的防冰鹽才能真正運用到實際環境中[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準。

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生影響，可以根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行性能試驗，發現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，需要關注的是加入防冰鹽后拌和而成的路面在應用中的性能如何，關于防冰效果的檢驗，可以分成室內和室外兩種來進行。

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，會發現未加入防冰鹽的試件已經全部結冰而加入防冰鹽的試件還沒結冰；或者在更加低溫的條件下使兩個試件都結冰之后，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行的規范，關于耐久性的檢驗，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吹日曬雨淋，然后在每個時間段檢驗試件內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成抗冰路面，在實地檢驗其的使用性能。在冰雪天氣對其進行考察，發現確實抗冰路面和傳統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，而傳統的路面已經很難通車，表明了抗冰路面在實際應用的時候具有很高的抗冰效用，可以投入實際嚴寒地區的道路使用。

4 應用

抗冰路面運用的歷史也算比較早，其他國家的應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，在當時極度惡劣的條件下，檢驗路段上的冰雪已經凍硬，通車困難，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用，對比路段也顯示了抗冰路段在這種極端環境下的優越性。

現在中國也有一些地方將抗冰路面應用到實際的例子。例如，湖北省十白高速公路地處十堰山區張家院大橋左右傍山且地處山谷風口位置，冬季受寒風影響橋面更易積雪結冰，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月鋪設了2km的防冰抗滑瀝青路面，使用效果相比鋪設之前，積雪結冰問題得到了非常大的改善[5]。

在實際應用的過程中，研究者要對路面的情況時時監控，對面層厚度、路面摩擦系數、壓實度等幾個指標要在固定的時間段內進行檢驗，保證抗冰路面性能符合道路行車安全的規定。

5 發展趨勢

目前對于防冰材料的研究，大多是側重于運用原位聚合法對鹽化物進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行拌和，最后形成的多功能路面。和我們之前提到的傳統除雪防冰的方法來說，它具有很多的優點：是根據除冰材料特性在氣溫濕度變化下發生的除冰效應，與人工除冰掃雪相比，作用產生的即時性更好，是從冰層內部發揮作用，區域大、效果更加明顯、減少了人力物力的使用。而且材料對環境也沒有破壞性，耐用性能也十分良好，現在越來越多的傳統道路開始向多功能道路轉變。在一些高寒地區，防冰路面已經投入使用，并且經過考察，和傳統路面相比，添加了防冰鹽的路面確實可以起到預計中的除冰效果，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，大部分是朝著高分子復合材料的方向展開研究的，因為復合材料的性能相比普通材料來說更加優越，更加全面，是未來抗冰材料的一個大研究方向。

6 結語

抗冰路面的確在各種檢驗的表現下都很出色，但是目前在中國還沒有真正得到廣泛的重視。主動防冰技術的成功實施也離不開道路環境監測，將濕度、溫度等與冰雪防治相關的參數納入道路交通檢測中，或者將道路冰雪監控系統與天氣預報系統相結合，能夠為主動防冰的系統設計提供很大的便利。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合實踐，如此有未來前景的一個方向應該得到認識和應用，未來的機遇很大，需要一步步摸索。