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抗凝冰沥青混合料应用技术交通运输部科学研究院2015年4月11.研发背景2.主要研究成果3.应用实例4.经济社会效益分析主要内容2抗凝冰材料的研发背景32008年我国出现五十年一遇的雨雪冰冻灾害。这一突发性自然事件，造成我国现有的公路基础设施严重受损，削弱道路的通行能力，造成了交通中断和恶性交通事故发生。据不完全统计，在这次雨雪冰冻灾害中，造成直接经济损失1516.0亿元、129人死亡。贵州、湖南、江西等19个省份直接经济损失达573亿元。处治大面积路面凝冰灾害刻不容缓项目背景4项目背景初冬或残冬季节，气温冷暖交替，路面表面极易形成凝冰，严重影响车辆的操作稳定性和行驶安全性，引起交通事故。00.10.20.30.40.50.6冬季干燥路面冬季潮湿路面半融雪/冰路面疏松积雪路面结冰路面结霜路面压实积雪路面普通车辙路面黑冰车辙路面夏季干燥路面夏季潮湿路面交通事故率（百万车/公里）5项目类型项目名称时间西部科技项目高速公路早期凝冰预警及高危路段凝冰自动化处置技术研究2009～2013贵州交通厅项目贵州山区高速公路沥青路面自融冰技术研究2012~2014云南交通厅项目隧道口路面与桥面沥青混合料凝冻防治技术研究2013~2016吉林交通厅项目高寒地区沥青路面抗薄冰处治技术研究2012~2015内蒙交通厅项目寒冷地区高速公路蓄盐沥青路面自融冰技术研究2012~2014院基本业务项目高速公路抗凝冰沥青混合料应用技术研究2013~2014抗凝冰路面技术依托科研项目汇总表6主要研究成果7主要成果凝冰环境条件标准抗凝冰改性剂研发抗凝冰功能性研究路用能性研究12348研究内容一：凝冰环境条件标准凝冰形成原因北方：白天的雪水融化，夜晚成冰南方：冻雨雨滴从空中落下，近地面的气温很低，在电线杆、树木、植被及道路表面都会冻结上一层晶莹透亮的薄冰，气象上称为“冻雨”。形成机制：1）融化过程：大于0℃的暖空气层覆盖在冷空气上，雪花（冰晶）在下落过程中经过暖层溶解为液滴，然后在经过近地面冷层冷却、再冻结。2）过冷却暖雨过程：中层没有大于0℃暖层存在，过冷却云滴通过碰并过程增长，导致冻雨出现。0m1500m3000m温度轮廓0℃线雪雪雪温度轮廓0℃线雪雨夹雪雨温度轮廓0℃线雪冻雨雨温度轮廓0℃线雪雨0℃0℃0℃冷层较深0℃0℃0℃冷层较浅雨0℃0℃0℃0℃0℃0℃冻雨形成机理9建立了气象环境模拟实验室，制造风、雨、雾、高温、低温等环境条件仿真模拟产生路面凝冰的温度、湿度、风速与日照等要素，对路面凝冰机理及凝冰形成气象条件进行研究。多环境综合实验室-25℃试验环境远程操作控制平台研究内容一：凝冰环境条件标准对路面凝冰影响最大的因素主要有环境温度、湿度和风速3个参量。输入向量X=[x1，x2，x3]，其中xi分别为x1环境温度、x2环境湿度、x3环境风速3个变量的语言变量。用Bayes判别分析，其先验概率为q1、q2、q3（由经验给出）出；x1，x2，x3的维密度函数分别为f1（x）=-2.1919xT-7.118；f2（x）=-0.8449xH+77.616；f3（x）=-0.2888xW+9.487。根据即可得到其概率值。计算模型giiikkxfqxfqxkP1)()()/(1011气象要素名称范围预测产生凝冰次数其中实际凝冰次数预报准确率%误报率%漏报率%温度-10~02800966351948湿度75%1518856564417风速0~10m/s36001018282471风向定向30301007331971单气象因素预测凝冰准确性分析气象要素名称范围预测产生凝冰次数其中实际凝冰次数预报准确率%误报率%漏报率%温度-10~01530123680.7183湿度75%风速0~10m/s风向定向多气象因素预测凝冰准确性分析利用Bayes进行单、多气候因素相关性预测采用多气象要素预测凝冰的形成较为准确，准确率达80.7%凝冰形成的环境条件：气温介于-10℃～0℃，相对湿度大于75%，风速0～10m/s，风向比较固定。研究内容二：抗凝冰改性剂研发方案一在毛细管压力及车辆碾压作用下，沥青混合料内部抑制冻结作用的盐分逐渐析出，从而降低道路表面水的冰点，抑制道路表面积雪结冰。去冰机理盐化物有效降低路面冰点到-20℃，阻止路面结冰。有效减缓盐化物的释放，在路面使用年限内控制盐化物匀速释放，保障其使用耐久性。对道路周边的土壤、植被、水源不造成破坏。有效保护桥梁，防止出现钢筋腐蚀，适用于对环保要求较高的道路环境。有助于使改性剂颗粒承受较强压力，避免其在混合料拌和过程中被破坏。缓释剂抗腐蚀剂增强剂成分组成研究内容二：抗凝冰改性剂研发缓释性能研究第一种缓释剂第二种缓释剂编号掺量编号掺量1#10%4#10%2#20%5#20%3#30%6#30%投入水中计时，至完全溶解。用氯离子含量快速测定仪分析氯离子析出快慢及浓度。时间x=600s编号含量%浓度mol/L1#0.42790.01172#0.54190.01423#0.49100.01354#0.41940.01475#0.48860.03626#0.44650.0153各样品同一时刻氯离子含量及浓度对比0.200.250.300.350.400.450.500.550.600100200300400500600700800含量时间样品溶解速率对比曲线1#2#3#4#5#6#无缓释剂0.0070.0080.0090.0100.0110.0120.0130.0140.0150.01602004006008001000浓度时间样品浓度变化对比曲线1#2#3#4#2#样品在600秒时的氯离子含量最高，但溶解速率较快，不到800s，说明缓释剂效果不佳。6#样品的最终溶解时间最长，但水中氯离子含量及浓度较低，说明过长的缓释效果影响了除冰功能性的发挥。5#样品的最终溶解时间略低于6#样品，为1000秒。在同一时间（600秒时），其氯离子浓度最高。说明其缓释效果较好，盐化物氧含量丰富。5#样品是最终选定的样品，其盐化物与缓释剂的调配比例适中。试验结论缓释剂的掺加，有助于降低盐分子的析出速率，从而提高抗凝冰改性剂的耐久性。同时，氯离子含量未有明显降低，保证了抗凝冰改性剂的功能性。研究内容二：抗凝冰改性剂研发掺量确定利用冻融劈裂试验确定掺量2%、4%、6%三个掺量绘制曲线图由图，5%时为最佳掺量82.0087.0092.0097.00012345678冻融劈裂强度比（%）自融冰改性剂掺量（%）不同掺量的冻融劈裂强度比随凝冰材料的添加，冻融循环后的强度逐渐增大。这是因为凝冰材料的强度起到一定的作用，导致加入抗凝冰材料后的强度比未加时高。这种趋势直至掺量为5%时达到顶峰。研究内容三：抗凝冰功能性研究1融雪抗凝冰效果试验试验方法：模拟冬季中到大雪降雪量，在车辙试件上撒布积雪。结论经过数十次的抗凝冰融雪试验，除冰效果显著。研究内容三：抗凝冰功能性研究2抗凝冰耐久性试验--氯离子浓度含量变化监测试验方法：将抗凝冰马歇尔试件，在常温下全部泡入水中，24h/天，20天。每天测一次氯离子浓度，氯离子浓度不断析出，最终达到一个平稳峰值。（试件中残留的盐化物将通过车辆碾压析出）00.050.10.150.20.250.30.35135791113151719氯离子浓度浸泡天数氯离子浓度变化监测AB结论在浸泡条件下，不会再导致氯离子的持续流失。自融冰改性剂具有一定的耐久性。研究内容三：抗凝冰功能性研究2抗凝冰耐久性试验--动态水模拟实验试验方法：将抗凝冰车辙板试件浸泡于温度分别为-10℃，0℃，5℃，15℃，25℃，35℃的水中。按照试验段年平均降雨量分10次给车辙板喷水，每次测定水中的氯离子含量。0.00080.00090.0010.00110.00120.00130.00140.00150.0016012345678910氯离子浓度冲淋次数不同温度氯离子浓度变化对比-10℃0℃5℃15℃25℃35℃1.随着每次冲淋，溶液中氯离子含量逐渐增加，说明在路面淋雨状态下，氯离子含量会相应有部分流失。2.经过了一年降雨的集中冲淋后，车辙板中，仍然有自融冰改性剂的存在，说明年降雨量，并未使其全部被溶解，因此认为不会对冬季融冰造成决定性的影响。3.夏季高温天气，在淋雨的情况下未能造成自融冰改性剂的大量析出。温度-10℃0℃5℃15℃25℃35℃自融冰改性剂流失总量mol/L0.0135910.0094010.0103150.0107880.0097610.009683自融冰改性剂流失质量g/L0.4824810.3337360.3661830.3829740.3465160.343747冲淋72L水后流失的自融冰改性剂质量g34.738624.0289626.3651427.5741324.9491224.74975自融冰改性剂残余量g516.5114527.221524.8849523.6759526.3009526.5003残余量所占试件总重百分比%4.92%5.02%5.00%4.99%5.01%5.01%流失量所占试件总重百分比%0.33%0.23%0.25%0.26%0.24%0.24%持续年限14.921.820.119.220.920.9抗凝冰改性剂残余量分析及持续年限预测结论按照每年流失量计算，自融冰改性剂能持续释放14~20年不等，可认为自融冰改性剂具有一定的耐久性，能够满足路面使用年限的要求。夏季不流失冬季自融冰研究内容四：路用能性研究1基于堆积密度理论的配合比设计方法调整粒径分布从规范宽泛的级配内找到合适级配获得最佳骨架密实型结构提高抗车辙等路用性能浆体中分散的粉体颗粒表面包裹着一层沥青膜，将粉体颗粒及包裹它的沥青膜看作复合颗粒，从而把实际浆体中分散的颗粒体系转化成假想相互接触堆积的复合颗粒干粉体系。在此基础上用Stovall公式计算出复合颗粒的堆积密度，再通过一定的转化关系就可以最终得到沥青中集料颗粒的堆积密度。1-粉体颗粒2-沥青溶液3-假想沥青膜4-复合颗粒(a)实际浆体体系(b)假想干粉体系堆积密度示意图研究内容四：路用能性研究假设a基本思想b多组分颗粒理想堆积密度关系c多组分颗粒实际体系堆积密度关系测定形状指数与堆积密度标定参数参数验证粒径(mm)ABCDE25～20203025151020～16201015152016～10203015253010～520203025205～2.52010152020集料粒径质量百分含量（％）编号试验值计算值A0.5760.580B0.5670.562C0.5660.561D0.5620.560E0.5720.577集料堆积密度参数标定试验值与计算值粒径(mm)1234525～20201825251820～16202523251216～10302517152010～525222025285～2.5510151022验证参数级配试验值计算值10.54750.548320.55300.554230.55890.562240.55700.559050.56280.5642参数验证试验值与计算值d公式中颗粒形状修正筛孔尺寸mm矿料设计级配规定级配10~155～103～50～3矿粉级配中值级配下限级配上限16100.0100100100100.010010010010013.284.2100.0100100100.095.395901009.518.898.5100.0100100.075.276.568854.750.47.291.4100.0100.047.15338682.360.31.11.780.2100.031.43724501.180.31.01.448.0100.019.726.515380.60.31.01.425.0100.011.41910280.30.31.01.415.6100.0813.57200.150.30.91.410.599.96.2105150.0750.30.91.48.399.65.4648配合比30.024.08.036.