抗凝冰涂層自動噴灑設備裝置及其作業方法

楊延輝,朱寶林

[1.新疆農業大學交通與物流工程學院,新疆 烏魯木齊 830052; 2.交通運輸部科學研究院,北京 100029;3.交科院檢測技術（北京）有限公司,北京 101300]

0 引言

2008 年初，我國經歷了很嚴重的雨雪冰凍災害。此次災害籠罩了我國絕大部分區域。另外，在春節期間，它在一定程度上增加了自然災害的負面影響。在突發事件中，我國的公路等交通設施遭受了嚴重破壞，民眾基本生命保障也遭受了不同程度的損害。據不完全統計，該次雨雪冰凍災害共導致直接經濟損失1 516.5 億元，并導致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。據統計，我國很多地方的冬天都會出現積雪。上述地方的路面會因為下雪和凍雨的天然氣候因素而凍結，導致路面摩擦系數和附著力下降；車輛制動和行駛困難，導致打滑、制動距離延長，甚至制動失靈和方向喪失，容易導致嚴重的交通事故。根據國外相關研究，車輛在冰雪路面上行駛導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

隨著國民經濟的快速發展，我國公路建設里程不斷增加，道路等級不斷提高。瀝青路面具有優異的路用性能和舒適的駕駛性能，在國內外高等級公路上得到廣泛應用。截至2021 年底，我國公路通車總里程達5 280 000 km，其中高速公路近170 000 km，居世界第一位。我國高等級公路中90%以上是瀝青路面。然而，隨著現代公路運輸系統所追求的速度、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，我國山區公路路面易結冰。路面結冰后，路面的附著力大大降低，導致汽車打滑、剎車失靈、迷失方向，容易引發交通事故，嚴重影響道路交通安全。計劃通過結冰路面的分布以及結冰形成環境的測試和分析來調查路面結冰問題。

冬天的凝冰路面是發生交通事故最頻繁也最危險的地點之一，在結冰路面撒布融雪化冰劑是解除冰雪危害的常用手段，但在高海拔地區一旦路面產生結冰，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備顯得尤其重要。該次研究針對路面凝冰問題，擬通過對凍結路面的分布情況進行調查，并對凍結路面形成環境進行試驗分析，為防凍路面的研究提供了理論依據。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，實現了對結冰路面高危路段的改造，為結冰多發地區新建道路的設計和施工提供了技術指導，且該次著重研發了疏水抗凝冰涂層自動化噴灑的創新型設備裝置，該裝置及作業方法能夠非常方便、高效、均勻地在凝冰路段進行自動化噴灑，相應地輔助監測和調控設施也可以對噴灑狀態進行實時監測與預報，該裝置具有省時省力、噴灑性能良好、可大范圍應用等優點[2]。

2 道路除冰雪技術研究現狀

多年來，各國道路運輸部門對路面冰雪問題進行了廣泛的研究，探索了消除路面冰雪的各種方法。這些方法可以分為被動和主動兩類。被動清除路面冰雪的方法主要有攤鋪融雪劑、人工和機械清除方法、攤鋪砂礫料和熱融雪方法。主動融雪技術是路面融冰除雪的一種特殊功能。這類技術主要包括熱力融冰雪技術、抑制凍結鋪裝類技術、添加降低冰點類物質的抗凝冰技術、抗凝冰涂層技術等[3]。

2.1 人工除雪

所謂的“人工除雪”，就是指通過一些簡易的工具，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代化都市建設的需要，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，短期之內難以使高速公路及國家、省干線的交通恢復正常。所以，盡管手工除雪具有機動靈活的優點，但也是最費力的一種方式，效率低、成本高、安全性差，必然會被其他的除雪方式所替代。

2.2 人工撒布融雪劑除冰雪

在國內和世界范圍內，撒布融雪劑是一種廣泛應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，從而使道路表面的積雪融化[6]。根據化學組成的不同，可以劃分為氯鹽型、非氯鹽型以及混合型；根據性能不同還可以劃分為傳統的融雪劑和環保型的融雪劑。環保型屬于對環境比較友好的類型，主要為非氯鹽型的。

2.3 機械除雪

由于機械設備的更新換代，機械除雪的應用領域也越來越廣泛，已經逐步替代了傳統的人工除雪。這是一種利用機械直接清理積雪，消除其帶來威脅的技術，在許多國家得到大量應用。它的應用方式主要有機械吹雪和機械鏟除積雪兩種，適應不同級別的積雪類型。機械吹雪適用于展開的薄路雪，通常只適用于機場等易于管理的較小區域的除雪；機械鏟雪適用于大量結冰前的大規模清理作業。

一種多功能噴射除雪車，利用渦流噴射系統產生高速、高溫、高流量的除雪氣流，可以將路面上的雪一次吹干凈，路面也可以根據需要進行干燥。常用的鏟雪機械可分為刮雪式、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

將抗凝冰劑裝入噴灑裝置內，噴灑于易凝冰路段或已經開始結冰的路段，在路面形成致密的一層涂層，起到主動抗凝冰除雪的目的，此技術依靠半自動和全自動噴灑系統的特點，提高了路面凝冰的主動融冰雪效率，節省了大量的人力物力損耗，保障了道路通行者的生命和財產安全[7]。

3 試驗方法

該自動化噴灑裝置由攪拌儲存罐、發電機、攪拌電機、攪拌池、隔膜泵、高壓機、噴灑管、三通閥、多孔噴頭等組成。該裝置設備通過攪拌和高壓輸送到隔離泵進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存罐，等待后續的使用。啟動發電機，發電機帶動攪拌電機將涂層材料輸送至連通好的攪拌池中進行充分攪拌；經充分攪拌之后，流入隔膜泵，隔膜泵通過高壓機高壓后再次流入隔膜泵，然后液體涂層材料經噴灑管、三通閥和強力噴灑頭噴灑于路面；噴灑過程全程采用四個方向的噴灑模式，保證噴灑的覆蓋度，增強涂層的效果，噴灑時設備安裝在半掛車或者履帶車上面，噴灑過程無需人工操作，簡單方便，安全高效。

抗凝冰涂層自動化噴灑設備在原有半自動噴灑車的基礎上對噴灑設備和自動控制系統進行了創新性研究和試驗。噴灑材料的實際性能指標如表1 所示：

表1 抗凝冰涂層實際性能表

4 試驗結果及分析

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，對瀝青路面涂層的抗凝冰效果進行驗證，以確定緩釋型抗凝冰改性劑的最佳摻量[8]。在對不同氯化物降低不同冰點的研究基礎上，采用直接冰凍測試以及摩擦系數測試值，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%，分別對瀝青路面涂層進行試驗。此次試驗分為抗凝冰試驗、普通噴頭和強力霧化噴灑頭性能試驗、半自動噴灑和全自動噴灑性能測試試驗，分別對其試驗結果進行效益評價分析。

4.1 抗凝冰試驗

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境箱中進行重復冰凍試驗，最多做了12 次循環，由于摻量超過20%的抗凝冰涂層材料在現有技術下已無法成型，因此認為摻量過高已經不適宜制備涂層，只能將未摻加涂層的試件和摻量為2%、10%、20%四組進行抗凝冰試驗[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過冰凍重復試驗后，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，能夠輕易剝離。

綜上所述，抗凝冰測試表明，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，抗凝冰涂層不會對原路面抗滑性能造成影響，因此通過驗證，摻量低的抗凝冰涂層無法滿足路面抗滑系數的要求，因此認為摻量過低不能滿足抗凝冰的要求，而2%~20%摻量的抗滑系數在規范要求范圍之內，滿足路面抗凝冰需求。

4.2 普通噴頭和強力霧化噴灑頭性能試驗

強力霧化噴頭是對普通噴頭的一個升級改造，是將普通單個噴頭升級為利用三通閥連接的組合噴頭。除此之外，對整個設備裝置的最后且是極其重要的一環，噴頭的噴出量和噴灑面積直接影響噴灑的效果，因此，對噴頭進行一個內外部結構的改造升級，內置一個強力泵，能夠保證抗凝冰劑材料的噴出速度和面積，外部設計成致密的多孔結構，保證了其霧化噴灑效果。

經同一試驗路不同路段試驗結果及后續檢測結果可知，在相同時間內，強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，強力霧化噴灑頭噴灑效果更好，噴灑更為均勻。整個噴灑系統由于噴頭結構的改造升級，提高了噴灑效率的同時，還節省了噴灑量，減少了未作用于實際易凝冰路面的抗凝冰劑的浪費，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 半自動噴灑和全自動噴灑性能試驗

經過對融冰度、所耗時間、人力、物力、費用等方面的量化分析可知，在抗凝冰效率和效果上，自動化噴灑設備效果更好，實施應用起來更加省時省力，因此全自動噴灑設備具有優良的道路使用性能和廣闊的市場應用前景。各項抗凝冰方法效果指標如表2 所示：

表2 各項抗凝冰方法效果指標對比表

從實際融冰率和耗費的人力物力對比表中可以看到：

融冰度：機械除冰<人工灑布融雪除冰劑<半自動噴灑<全自動噴灑；

耗費人力/物力：機械除冰>人工灑布融雪除冰劑>半自動噴灑>全自動噴灑。由此可知，噴灑設備裝置作業具有更高的噴灑效率和融冰度，更低的人力物力消耗。

5 結論

試驗結果表明：采用該文所介紹的抗凝冰涂層自動噴灑設備裝置及作業方法，通過試驗該設備自動噴灑對不同厚度冰層的實際作用效果，從而對該設備的噴灑效率進行一個評估，結果發現在-50 ℃以上具有較為穩定的融冰化雪能力，且溫度越高，抗凝冰效果越顯著。主要結論如下：

（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作用時間。

（2）抗凝冰劑摻量以及現場噴灑的環境（溫度、濕度、風力風向等）都會影響噴灑效率和均勻性。

（3）機械除冰、半自動噴灑、全自動噴灑的除冰雪效果和人力物力耗費各不相同，應綜合考慮各個因素之間的相互關系，以追求高效、快速除冰的同時，盡可能地降低除冰的人力物力成本。