路面凝冰技术PPT幻灯片ppt课件

抗凝冰沥青混合料应用技术交通运输部科学研究院交通运输部科学研究院2015年年4月月1 抗凝冰沥青混合料应用技术交通运输部科学研究院1 1.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21.研发背景2.主要研究成果3.应用实例4.抗凝冰材料的研发背景3 抗凝冰材料的研发背景3 2008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 2008年我国出现五十年一遇的雨雪冰冻灾害。这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。交通事故率（百万车交通事故率（百万车/公里）公里）0 00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.6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5 项目背景 初冬或残冬季节，气温冷暖交替，路面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20092013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20122014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20132016吉林交通厅项目高寒地区沥青路面抗薄冰处治技术研究20122015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20122014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20132014抗凝冰路面技术依托科研项目汇总表6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主要研究成果7 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。冻雨形成机理冻雨形成机理9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 建建立立了了气气象象环境境模模拟实验室室，制制造造风、雨雨、雾、高高温温、低低温温等等环境境条条件件仿仿真真模模拟产生生路路面面凝凝冰冰的的温温度度、湿湿度度、风速速与与日日照照等等要要素素，对路路面面凝冰机理及凝冰形成气象条件凝冰机理及凝冰形成气象条件进行研究。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Bayes判别理论将Bayes判别理论作为预测气象要素与凝冰相关性的理论依据。基本思想是假定对所研究的对象（总体）在抽样前已有一定的认识，常用先验分布来描述这种认识，然后给予抽取的样本再对先验认识作修正，得到后验分布，而各种统计推断均基于后验分布进行。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10 建立了气象环境模拟实验室，制造风、雨、雾、高11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-1002800966351948湿度75%1518856564417风速010m/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-1001530123680.7183湿度75%风速010m/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-100，相对湿度大于75%，风速010m/s，风向比较固定。11气象要素范围预测产生凝冰次数其中实际凝冰次数预报准确率 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：抗凝冰改性剂研发方案一 在毛细管压力研究内容二：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。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时间时间x=600s编号编号含量含量%浓度浓度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各样品同一时刻氯离子含量及浓度对比时间时间含含量量80070060050040030020010000.200.250.300.350.400.450.500.550.60样品溶解速率品溶解速率对比曲比曲线1#2#3#4#5#6#无缓释剂时间时间浓浓度度100080060040020000.0070.0080.0090.0100.0110.0120.0130.0140.0150.016样品品浓度度变化化对比曲比曲线1#2#3#4#p2#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。p6#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。p5#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。p5#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。时间x=600s编号含量%浓度mol/L1#0.42790.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利用冻融劈裂试验确定掺量定掺量2%2%、4%4%、6%6%三个掺量三个掺量绘制曲线图绘制曲线图由图，由图，5%5%时为最佳掺时为最佳掺量量自融冰改性自融冰改性剂掺剂掺量（量（%）冻冻融融劈劈裂裂强强度度比比（%）01234567882.0084.0086.0088.0090.0092.0094.0096.0098.00100.00不同不同掺量的量的冻融劈裂融劈裂强度比度比 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1 融雪抗凝冰效果试验试验方法研究内容三：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）浸泡天数浸泡天数氯氯离离子子浓浓度度1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192000.050.10.150.20.250.30.35氯离子离子浓度度变化化监测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 -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。冲淋次数冲淋次数氯氯离离子子浓浓度度1098765432100.00080.00090.0010.00110.00120.00130.00140.00150.0016不同温度不同温度氯离子离子浓度度变化化对比比-10051525351.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。研究内容三：抗凝冰功能性研究2 抗凝冰耐久性试验 -温度-1005152535自融冰改性剂流失总量mol/L0.0135910.0094010.0103150.010788 0.009761 0.009683自融冰改性剂流失质量g/L0.4824810.3337360.3661830.382974 0.346516 0.343747冲淋72L水后流失的自融冰改性剂质量g34.738624.0289626.3651427.57413 24.94912 24.74975自融冰改性剂残余量g516.5114527.221524.8849523.6759 526.3009 526.5003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1420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。夏季不流失夏季不流失冬季自融冰冬季自融冰温度-1005152535自融冰改性剂流失总量m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b 多组分颗粒c 多组分颗粒测定测定形状指数形状指数与堆积密度与堆积密度标定参数标定参数参数验证参数验证粒径(mm)ABCDE252020302515102016201015152016102030152530105202030252052.52010152020集料粒径集料粒径质量百分含量（）量百分含量（）编号试验值计算值A0.5760.580B0.5670.562C0.5660.561D0.5620.560E0.5720.577集料堆集料堆积密度密度参数参数标定定试验值与与计算算值粒径(mm)12345252020182525182016202523251216103025171520105252220252852.5510151022验证参数级配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参数验证试验值与与计算算值d 公式中颗粒形状修正测定标定参数参数验证粒径(mm)ABCDE25202030筛孔筛孔尺寸尺寸mm矿料矿料设计设计级配级配规定级配规定级配101551035 03 矿粉矿粉级配级配中值中值级配级配下限下限级配级配上限上限16100.0 100 100 100100.010010010010013.284.2 100.0 100 100100.095.395901009.518.8 98.5 100.0 100100.075.276.568854.750.4 7.2 91.4 100.0 100.047.15338682.360.3 1.1 1.7 80.2 100.031.43724501.180.3 1.0 1.4 48.0 100.019.726.515380.60.3 1.0 1.4 25.0 100.011.41910280.30.3 1.0 1.4 15.6 100.0813.57200.150.3 0.9 1.4 10.5 99.96.2105150.0750.3 0.9 1.4 8.3 99.65.4648配合配合比比30.0 24.0 8.0 36.0 2.0 100.02 本项目矿料级配确定抗凝冰混合料目标配合比矿料级配及合成曲线AC-13SBS改性沥青石灰岩集料原材均符合技术要求24筛孔尺寸矿料设计级配规定级配10155103503矿油石比（油石比（%）毛毛体体积积密密度度（g/cm3）R2=0.948344.44.85.25.666.42.3602.3702.3802.3902.4002.4102.4202.4302.440油石比（油石比（%）空空隙隙率率（%）R2=0.997644.44.85.25.666.42.03.04.05.06.07.0油石比（油石比（%）间间隙隙率率（%）R2=0.936144.44.85.25.666.414.014.214.414.614.815.015.215.4油石比（油石比（%）饱饱和和度度（%）R2=0.998244.44.85.25.666.450.055.060.065.070.075.080.0油石比（油石比（%）流流值值（mm）R2=0.935244.4 4.8 5.2 5.666.43.43.53.63.73.83.94.04.14.24.3目标配和比设计：最佳油石比为5.2%3 最佳油石比确定253 最佳油石比确定25路用性能试验结果汇总表研究内容四：路用能性研究4 路用性能测试试验项目目单位位实测值规定定值（不小于）（不小于）马歇歇尔稳定度（定度（30min）kN13.48.0浸水残留浸水残留稳定度（定度（48h）%88.485动稳定度（定度（0.7MPa）次次/mm52582800冻融劈裂融劈裂TSR%85.780低温弯曲低温弯曲35622500抗滑性抗滑性(高防滑型高防滑型)，BPN值-859570路用性能试验结果均满足规范要求26路用性能试验结果汇总表研究内容四：路用能性研究4 路用性能依托工程应用实例27 依托工程应用实例27路面凝冰危险性等级评价研究特殊路段或凝冰多发路段铺筑平衡造价道路设计环境因素路面性能安全车速考虑因素危险性等级评价划分详见表格试验段选定提供依据凝冰危险性等级划分以长大纵坡路段铺筑试验路为例，危险指数60，危险等级为5级，危险程度为严重危害，应主动采取抗凝冰处治措施。危害指数道路类型危害等级危害程度影响和建议60长大纵坡5严重危害持续低温凝冰，车辆行驶打滑，减少出行28 路面凝冰危险性等级评价研究平衡造价特殊路段或凝冰多发路u云南省昭通小凌子口段，海拔19201940米。u常年多雾，阴冷潮湿。u冬季有长达23月的结冰期，最低气温-6。u2014年11月铺筑，上面层AC-13依托工程-云南省G213线昭通至麻柳湾段路面工程1 工程概况p沥青：茂名90号石油沥青p集料：当地小箐沟石场及昭通明大矿业2#、3#、4#号石料p填料：水泥（当地无矿粉）p抗凝冰剂掺量：5%20cm水泥水泥稳定碎石定碎石5cmAC-203cm AC-13（抗凝冰（抗凝冰层）K1692+820K1694+000左半幅K1693+160K1694+320右半幅共计2340m路面结构铺筑里程原材料29云南省昭通小凌子口段，海拔 依托工程-云南省G213线项目指标生产最佳油石比（%）5.3空隙率（%）4.2稳定度（kN）13.4动稳定度（次/mm）1575冻融劈裂强度比（%）85.7残留稳定度（%）88.4弯拉应变（）35622 沥青混合料 技术指标0.075 0.15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 13.2 16筛孔尺寸（mm）技术指标均符合规范要求30项目指标生产最佳油石比（%）5.3空隙率（%）4.2稳定度（3 施工工艺拌和810sSBS改性沥青粗集料细集料湿拌2530s抗凝冰改性剂拌和515s后出料矿粉拌和楼干拌工艺及改性剂投放顺序313 施工工艺拌和810sSBS改性沥青粗集料细集料湿拌4 现场检测12345平均值试验路段路面温度3.43.73.63.53.33.5其它路段路面温度-1.2-2.6-1.1-2.0-2.3-1.8红外温测仪测路面温度123平均值试验段路面5m5.5m4.6m5m其它段路面8.7m9m9.2m9m刹车距离测试试验段试验段路面温度较高路面温度较高不易结冰不易结冰试验段试验段刹车距离更短刹车距离更短抗凝冰路面起到了降低路面冰点、提高抗滑性能的作用。（摩擦、构造深度、渗水均满足要求）。铺筑效果图324 现场检测12345平均值试验路段3.43.73.贵州六镇高速公路镇宁段铺筑33 贵州六镇高速公路镇宁段铺筑33内蒙古乌兰浩特试验路铺筑34 内蒙古乌兰浩特试验路铺筑34沈阳市政试验路铺筑2015年年3月月1日日 小雪小雪转晴晴-635 沈阳市政试验路铺筑2015年3月1日 小雪转晴北京应用门头沟G109 K7375073950处进行了试验路的铺筑融冰效果明显36 北京应用门头沟G109 K7375073950处进北京市昌平昌流路进行了试验路的铺筑普通路段试验路段37北京市昌平昌流路进行了试验路的铺筑普通路段试验路段372014年10月昌平区昌赤路铺筑382014年10月昌平区昌赤路铺筑38社会经济效益分析39 社会经济效益分析39与融雪剂相比，大幅节省冬季养护费用与融雪剂相比，大幅节省冬季养护费用性价比优势明显，价格低于国外同类产品性价比优势明显，价格低于国外同类产品降低交通事故率，减小财产损失降低交通事故率，减小财产损失避免凝冰封路，保障经济运输畅通避免凝冰封路，保障经济运输畅通经济效益分析40与融雪剂相比，大幅节省冬季养护费用性价比优势明显，价格低于国缓释性能解决了以往抗凝冰材料耐久性不佳的问题缓释性能解决了以往抗凝冰材料耐久性不佳的问题大幅提高了我国交通行业对抗冬季冰雪灾害的能力大幅提高了我国交通行业对抗冬季冰雪灾害的能力促进行业科技进步促进行业科技进步使用了抗腐蚀剂，改善了对路侧生态环境的不利影响使用了抗腐蚀剂，改善了对路侧生态环境的不利影响有利环境保护有利环境保护社会效益分析41促进行业科技进步缓释性能解决了以往抗凝冰材料耐久性不佳的问题交通运输部科学研究院朱宝林电话：13261240708田苗苗电话：13552932389联系方式42交通运输部科学研究院 联系方式42汇报结束谢谢！43汇 报 结 束43