抗凝冰路面在廣西高速公路的應用研究

鄒曉明，陳君煒

(廣西交通投資集團柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545000)

0 引言

隨著廣西經濟的快速發展和高速公路的不斷延伸，距離“縣縣通高速”的目標越來越近，桂北地區的人民群眾也享受到了高速公路帶來的快捷舒適。但地處桂北高寒地區的高速公路，冬季低溫容易出現道路結冰的情況，極易造成局部道路癱瘓甚至引發交通事故，具有較大的安全隱患。關于路面冰雪處治的相關研究成果眾多[1-6]，但多是針對冰雪較多地區，而對于桂北地區路面結冰處治的研究相對較少，直接應用其他地區研究成果則缺乏針對性。針對桂北地區路面結冰的特征，尋求更經濟有效的處治方式是需要深度研究的內容。為此，本文以三江至柳州高速公路(以下簡稱三柳高速公路)自2017年通車以來出現的道路結冰情況為切入點，總結了抗冰保暢的一些做法與經驗，并研究使用了主動型抗凝冰技術，為桂北地區高速公路抗冰保暢方案提供新思路。

1 易結冰地點及其成因分析

與北方的干冷、大雪不同，桂北地區冬季具有溫度低、濕度大、降雪量小等特點，時常伴隨著凍雨出現。較容易發生路面結冰的地點如下。

1.1 橋面及涵面

與路基段相比，橋涵結構物下部處于架空狀態，沒有地熱的支撐，整體處于低溫之中。橋面表層的空氣水分容易凝結，特別是跨江橋、臨水橋涵，彌漫的水汽加大了結冰的可能。

1.2 互通匝道、服務區進出口

互通匝道及服務區出入口等區域，具有車流量小、車行速度緩慢等特點，初期凝結的冰面未得到車輪的連續碾壓，容易集結加厚。

1.3 跨線橋下路段

跨線橋下的路段處于橋底的陰影之中，日照較少，溫度相對較低，加之橋上的冰水滴落在路面表層，更容易形成結冰。

2 常規抗冰保暢措施

2.1 融雪劑(鹽)

根據融雪成分和原理不同，融雪劑分為有機融雪劑和無機融雪劑。前者主要成分為醋酸鉀，其融雪效果顯著，比較環保，但是經濟成本高；后者主要成分為氯鹽，通過降低冰點實現融雪效果，其融雪效果相對前者稍差，且容易對路面和周邊植物造成不良影響，但是成本較低，應用更為廣泛。

2.2 機械

通過工程機械物理除冰雪。對于結冰和雪層較厚的情況，一般采用機械鏟除；對于雪層較薄，且未凍凝的情況，可以采用機械吹雪處治。

2.3 人工

利用人工和小型工具鏟除冰雪。人工作業雖然靈活和徹底，但是效率低下、安全風險大、成本也高，一般只適合局部、小范圍區域除雪。

2.4 不同除冰雪方式的優劣分析

以上三種常規方式在最佳的實施時機、用量控制、工作順序等方面，有著各自的不同要求，大多情況需要交警、路政等部門的聯動配合，且均需在冰雪路面形成之后才能實施，屬于被動型措施，見下頁表1。

表1 不同除冰雪方式的優劣分析表

3 新型主動抗冰凝路面的試應用

本項目采用的是不同于上述方式的一種新型材料和技術——新型抗凝冰路面，即在瀝青路面上面層施工時，于混合料中添加一種抗凝冰材料，當冬季氣溫降低時，在路表面與冰雪之間起到隔離作用，可以抑制路面積雪結冰或在結冰時易于鏟除，可實現“小雪融化，大雪易除”的效果，是一種主動型的措施。本項目在三柳高速公路選取一段長為200 m的橋面進行試驗。

3.1 抗凝冰材料的構型及作用機理

抗凝冰材料主要由憎水性材料和抗凝冰成分(無機鹵化物或有機多元醇基化物)組成，微觀上具有核-殼膠囊結構，發揮抗凝冰作用的成分被外部結構所包裹，以降低其釋放速度，提高使用的時間。其中，抗凝冰成分能夠降低冰點；憎水材料主要發揮界面隔離作用，能夠在路面表層形成一個隔離性界面，阻擋水分浸入，同時降低冰與路的粘結性。在這種情況下，路面將很難結冰，且可以融化表層雪，由于抗凝冰路面抗凝冰與憎水的特性，水不會在路表二次結冰，路面上的冰雪極易被清除。見圖1。

圖1 抗凝冰材料的作用原理簡圖

3.2 抗凝冰材料使用方法

3.2.1 配合比設計

在瀝青路面的上面層混合料如常見的AC類、SMA類中，礦粉可直接全部或者部分由抗凝冰材料替代，無須另外進行配合比設計。

由于抗凝冰材料的顆粒級配與礦粉近似，所以添加時以置換礦粉的形式添加。熱拌AC類和SMA類抗凝冰瀝青混合料中抗凝冰材料用量不宜小于礦料總質量的4%。為兼顧抗凝冰瀝青混合料路用性能與使用壽命，推薦添加用量為礦料總質量的4%～6%。例如，AC類瀝青混合料可置換100%的礦粉，其用量約占總礦料質量的5%；SMA類瀝青混合料則可置換50%的礦粉，其用量也約占總礦料質量的5%。抗凝冰材料的使用數量，要根據生產配合比和材料情況進行現場驗證。

為研究添加抗凝冰材料后的瀝青混合料是否滿足規范的各項要求，采用馬歇爾試驗進行驗證。結果如表2所示。

表2 抗凝冰路面混合料馬歇爾試驗結果表

從表2可知，添加了抗凝冰材料后，對原瀝青混合料設計配合比參數的影響可以忽略不計，且都處于規范的技術要求區間。

對抗凝冰試件融雪性能進行模擬試驗，將原路面混合料試件和抗凝冰混合料試件同時放置到-10 ℃的環境中，表面分別撒上碎冰粉末，經過3 h的觀測，發現抗凝冰試件表面的碎冰粉末在逐漸融化，而原路面混合料試件的碎冰無任何變化。見圖2。

圖2 融雪性能模擬試驗結果示例圖(左側為原路面試件，右側為抗凝冰試件)

3.2.2 抗凝冰路面的施工技術要點

拌和時應嚴格按照驗證后的配合比添加材料，并應配備獨立的添加倉，以實現抗凝冰劑的準確計量，保證材料的質量穩定。抗凝冰AC類混合料，拌和時間較傳統瀝青混合料的拌和時間適當延長3～5 s，每盤生產周期≥45 s。拌和要均勻一致，具體要求與常規混合料拌和要求基本一致。

運輸、攤鋪、碾壓等方面，無特別要求，參照原施工方案執行。鋪筑好的路面在正式開放交通前，應嚴格控制相關鋪筑路段的交通流量，做好保護，保持整潔，不得造成污染。

3.3 施工后的各項檢測指標(表3～5)

表3 抗凝冰路面試驗段平整度檢測結果表

表4 抗凝冰路面試驗段路面性能指標表

表5 抗凝冰路面的路面性能指標表

經檢測，試驗段的各項指標均滿足規范及原設計要求。添加抗凝冰材料后的瀝青混合料能保證原路面結構的各項指標保持不變，對路面的路用性能無明顯影響。

3.4 經濟性分析

以三柳高速公路厚度為1.8 cm的瀝青抗凝冰路面為例，需要在原有瀝青路面造價的基礎上，增加約40元/m2。單從經濟效益而言，其造價并沒有優勢，但是從社會效益分析，在“生命至上，安全第一”的大環境下，能實現“小雪融化，大雪易除”的效果，就能更大程度地保證司乘人員的行車安全，也是對人民群眾美好出行需求的積極響應。同時，在降低運營管理風險、保障作業人員人身安全及減輕對橋涵路面的損壞方面，都有著不可估量的價值。此外，該材料在前期一次性投入后，其持續抗凝冰期在7年以上，綜合成本并不高。

4 結語

使用主動型抗凝冰材料的路面對比未使用的路面，其主動融雪效果明顯，且主動型抗凝冰材料的添加未對瀝青混合料配合比設計及路面性能產生明顯影響。該技術的應用為廣西在高速公路抗冰保暢措施方面提供了的新思路、新方法，也累積了一些經驗數據，具體的抗凝冰效果有待時間的檢驗及進一步的跟蹤觀測。在瀝青路面大修或者新建高速公路時，易結冰路段的橋面可以考慮采用抗凝冰路面的方案。