單晴晴,于金鵬,屈 磊

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院,烏魯木齊 830000; 2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團公路科學(xué)技術(shù)有限公司,烏魯木齊 830000)

北方寒冷地區(qū)的道路建設(shè)面臨著嚴(yán)峻的環(huán)境及氣候條件,寒冷的氣候容易導(dǎo)致道路結(jié)冰,增加交通事故風(fēng)險。冰瀝青是一種新型道路材料,因其良好的抗凍性能及抗滑性能被廣泛應(yīng)用于公路建設(shè)中。但其在極寒環(huán)境下可能會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,影響道路的安全性能。超疏水抗凝冰瀝青路面是一種新型改進材料,通過改變材料結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)增加了疏水性能,有效減少結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生。本研究對超疏水抗凝冰瀝青路面性能進行分析,進一步了解其抗冰、抗滑性能,由此提出具體的改進措施。

1 超疏水抗凝冰瀝青路面材料與原理

1.1 特性與應(yīng)用

超疏水材料是一種具有極強疏水性能的材料,具有特殊的表面結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分,水滴在其表面可形成高度球形,從而減少水滴與表面的接觸。超疏水材料的主要特性包括以下幾個方面:①極強疏水性能。具有很高的接觸角,一般高于150°,甚至達(dá)170°以上,水滴在其表面上幾乎不會蔓延,而是以球形滾動,極難與材料表面發(fā)生接觸。②高度穩(wěn)定性。具有較好的穩(wěn)定性,可以在各種惡劣環(huán)境中長期保持疏水性能。③耐腐蝕性。對酸堿等化學(xué)物質(zhì)具有較好的耐腐蝕性,不易被破壞。④高溫耐受性。能夠在高溫環(huán)境下保持疏水性能。

超疏水材料的應(yīng)用:①自清潔材料?？捎行Х乐顾瓮Ａ粼诒砻嫔?減少灰塵、污垢等物質(zhì)的附著,實現(xiàn)自清潔效果,可應(yīng)用于建筑材料、汽車涂層中。②防水涂料。作為防水涂層的重要組成部分,有效抵御外界的水分滲透,防止墻體、屋頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)受潮。③醫(yī)療器械。用于醫(yī)療器械涂層,減少與生物體接觸,防止細(xì)菌等病原體侵入。④紡織品。用于紡織品加工,提高防水性能,使其具有更好的抗水滲透能力。⑤節(jié)約能耗。應(yīng)用于節(jié)能領(lǐng)域,如減少水耗設(shè)備及冷凝水生成等設(shè)備。

1.2 抗凝冰技術(shù)原理

抗凝冰技術(shù)是通過對冰的形成及維持機理進行研究,采取一系列措施及方法防止路面結(jié)冰。原理如下:①降低結(jié)冰溫度。通過添加抗凍劑或抑制劑等化學(xué)物質(zhì),令水分在較低溫度下才能形成冰,從而降低結(jié)冰溫度。②提高截污排水能力。通過改善路面排水系統(tǒng)提高路面截污及排水能力,減少路面積水,降低結(jié)冰的可能性。③提高路面摩擦系數(shù)。通過改良路面材料提高路面摩擦系數(shù),增加車輛與路面之間的摩擦力,減少滑行及打滑的可能性。④利用太陽能。通過太陽能的熱量提高路面溫度,減少結(jié)冰。使用太陽能發(fā)電系統(tǒng),將太陽能轉(zhuǎn)化為電能或熱能,用于路面加熱。⑤采用地下供熱系統(tǒng)。在路面下埋設(shè)供熱管網(wǎng),利用熱水或蒸汽加熱路面,提高路面溫度,減少結(jié)冰。

1.3 超疏水抗凝冰材料的特點

超疏水抗凝冰材料是將超疏水材料與抗凝冰技術(shù)相結(jié)合形成的一種創(chuàng)新材料,將其應(yīng)用于路面中可有效防止路面結(jié)冰,提高路面安全性及可靠性[1]。①提高路面排水能力。超疏水材料具有較好的自清潔性能,可有效防止水滴在路面上停留,減少積水及路面濕滑等問題,提高路面排水能力。②減少冰的附著和黏附。超疏水材料具有極強的疏水性能,降低了路面結(jié)冰風(fēng)險。③提高路面摩擦系數(shù)。通過調(diào)整材料表面結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)提高路面摩擦系數(shù),減少打滑。④節(jié)能環(huán)保。有效減少冰的形成并維持所需的能源,節(jié)約能源。⑤長期耐用性。具有較好的穩(wěn)定性及耐腐蝕性,能夠在長期使用中保持性能穩(wěn)定,延長路面使用壽命。

2 超疏水抗凝冰瀝青路面性能測試

2.1 摩擦系數(shù)測試

摩擦系數(shù)是相互接觸物體表面之間摩擦力的大小。車輛的牽引力與制動力是依靠路面與車輪之間的摩擦來實現(xiàn)的,故路面摩擦系數(shù)對行車安全具有重要的影響。摩擦系數(shù)直接影響著車輛剎車、轉(zhuǎn)向、起步等各種操作的抓地力。摩擦系數(shù)較高,車輛牽引力及制動力較大,能快速停穩(wěn)或啟動,從而減少事故發(fā)生。在雨天或雪天,路面濕滑,摩擦系數(shù)降低,車輛的抓地力減弱,容易因剎車制動距離延長而發(fā)生碰撞事故。故提高路面的抗滑性能,增加摩擦系數(shù),對行車安全至關(guān)重要。

在超疏水抗凝冰瀝青路面中,摩擦系數(shù)的測試對于評估路面性能十分關(guān)鍵。使用標(biāo)準(zhǔn)摩擦系數(shù)儀進行測試,將測試儀設(shè)定在特定速度及載荷下,將車輪置于被測試路面上,通過儀器記錄施加的力及產(chǎn)生的摩擦力計算二者的比值,即可得到路面摩擦系數(shù)。

超疏水抗凝冰瀝青路面的摩擦系數(shù)與普通瀝青路面相比有著明顯的差異。在正常干燥的條件下,兩者的摩擦系數(shù)相差不大。但在濕滑的條件下,超疏水抗凝冰瀝青路面的摩擦系數(shù)明顯高于普通瀝青路面,說明超疏水抗凝冰瀝青路面更為安全可靠。實驗測試了超疏水抗凝冰瀝青路面在不同車速下的摩擦系數(shù)。結(jié)果表明,隨著車速的增加,路面摩擦系數(shù)有所下降,但仍保持在一個較高水平。說明在超疏水抗凝冰瀝青路面上高速行駛?cè)钥杀３州^好的摩擦性能,具有較高的安全性。

超疏水抗凝冰瀝青路面在摩擦系數(shù)性能方面表現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢,可有效提升道路交通安全性,保障行駛穩(wěn)定性。

2.2 抗凝冰性能測試

冰雪會嚴(yán)重破壞對路面的力學(xué)性能,造成路面翹曲、裂縫,甚至是冰層與路面分離。提高路面抗凝冰性能可有效減少冰層形成,降低冰雪對路面的破壞及道路維護修復(fù)成本,延長路面使用壽命,提供安全、舒適的行車環(huán)境[3]。超疏水抗凝冰瀝青路面采用特殊的材料及工藝,能夠迅速排除路面水分并抑制冰層的生成。相較于傳統(tǒng)路面,具有更好的抗冰結(jié)性能,不易受到冰雪天氣的影響,減少了冰雪對道路的破壞,提高了道路使用壽命?？鼓阅苁窃u估路面性能的重要指標(biāo)之一,故測試超疏水抗凝冰瀝青路面的抗凝冰性能對于保障道路交通安全來說至關(guān)重要。采用凝冰盤測試方法來評估超疏水抗凝冰瀝青路面的抗凝冰性能,令凝冰盤與被測試路面接觸,在固定溫度及濕度條件下記錄冰盤與路面之間的結(jié)冰情況。通過觀察結(jié)冰發(fā)生時間及結(jié)冰程度評估路面抗凝冰性能,結(jié)果表明,超疏水抗凝冰瀝青路面具有較好的抗凝冰性能。相比于普通瀝青路面,在相同環(huán)境條件下結(jié)冰時間更晚,結(jié)冰程度更輕。這主要是因為其具有良好的疏水性能,接觸冰水時可迅速排除水分,減少結(jié)冰的可能性[2]。此外,研究測試了超疏水抗凝冰瀝青路面在不同溫度下的抗凝冰性能。結(jié)果顯示,無論是在低溫還是極低溫條件下,其都能夠保持較好的抗凝冰性能,說明該路面具有較強的耐寒性,能夠適應(yīng)各種惡劣的氣候條件。

超疏水抗凝冰瀝青路面在抗凝冰性能方面具有顯著的優(yōu)勢。通過降低結(jié)冰的可能性,有效提高了道路交通安全性,減少了交通事故發(fā)生率。

2.3 耐久性能測試

耐久性能是指路面在長期使用及惡劣環(huán)境下的抗損性能,包括路面強度、穩(wěn)定性、耐久性、抗磨性等指標(biāo)。路面壽命與道路經(jīng)濟效益密切相關(guān)。如果路面壽命較短,需要頻繁維修及更換,將會增加維護成本,對交通流暢性及行車安全造成影響。故需提高路面耐久性能,延長路面使用壽命,降低維護成本,提高經(jīng)濟效益。對于超疏水抗凝冰瀝青路面而言,耐久性能測試是評估其使用壽命及性能變化的關(guān)鍵。利用負(fù)荷滾筒試驗來評估其耐久性能,將一組滾筒設(shè)定在特定的負(fù)荷及速度下,滾動在被測試路面上,通過測量路面的壓實度、磨損程度及車轍深度等指標(biāo)評估路面耐久性能。實驗結(jié)果顯示,超疏水抗凝冰瀝青路面具有較好的耐久性能。與普通瀝青路面相比,其在長時間負(fù)荷滾筒試驗中磨損程度較小,車轍深度明顯減少,表明其具有較長的使用壽命,能夠在長期使用中保持穩(wěn)定的性能。實驗測試了超疏水抗凝冰瀝青路面在不同溫度下的耐久性能。結(jié)果顯示,在高溫和低溫條件下,該路面都能保持較好的耐久性能。因為它的組成材料具有良好的抗老化性能及耐候性,可以在各種極端溫度條件下保持穩(wěn)定。超疏水抗凝冰瀝青路面在耐久性能方面具有顯著優(yōu)勢,是一種理想材料,可保障駕駛舒適性及安全性。

3 發(fā)展前景

技術(shù)突破。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,超疏水抗凝冰瀝青路面的制備工藝及性能將不斷突破,會有更多的材料及技術(shù)應(yīng)用于實際工程中,以提高路面的抗凝冰性能。超疏水抗凝冰瀝青路面通過特殊的表面處理技術(shù)使路面具有良好的抗凝冰性能,能夠在寒冷天氣條件下保持路面暢通。近年來,隨著全球氣候變化,極端寒冷天氣頻發(fā),超疏水抗凝冰瀝青路面技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。未來,需進一步研究超疏水抗凝冰瀝青的路用性能,優(yōu)化材料配比,提高路面抗冰性能。不斷研究新型環(huán)保材料,使超疏水抗凝冰瀝青路面具有更低的能耗,通過優(yōu)化表面處理技術(shù),提高路面的超疏水性能,研究適用于不同氣候條件及交通環(huán)境的表面處理技術(shù),使其更具普適性。研究超疏水抗凝冰瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高路面抗冰性能及使用壽命。探討不同結(jié)構(gòu)對路面性能的影響,為實際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。深入研究超疏水抗凝冰瀝青路面的抗冰機理,為優(yōu)化抗冰性能提供理論支持。分析超疏水抗凝冰瀝青路面的抗冰性能與路面材料、結(jié)構(gòu)、表面處理技術(shù)等因素的關(guān)系。開發(fā)智能化監(jiān)測與控制系統(tǒng),實時監(jiān)測超疏水抗凝冰瀝青路面的運行狀態(tài),評估路面性能。通過智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)對路面的遠(yuǎn)程調(diào)控,提高路面抗冰性能。研究綠色施工技術(shù),降低超疏水抗凝冰瀝青路面施工對環(huán)境的影響,探討可持續(xù)發(fā)展策略,使其在滿足交通需求的同時兼顧環(huán)境保護。

應(yīng)用范圍擴大。超疏水抗凝冰瀝青路面不僅局限于寒冷地區(qū)及高海拔地區(qū),還將應(yīng)用于道路建設(shè)中,提高道路安全性及質(zhì)量。高速公路及城市道路在冬季面臨著嚴(yán)重的結(jié)冰問題,這將影響道路通行安全及行駛舒適性。超疏水抗凝冰瀝青路面可提高道路安全性及可靠性,降低交通事故發(fā)生率。提高橋梁及隧道的抗冰性能,保障行駛安全。提高機場跑道的安全性,確保航班正常運行。降低軌道交通線路的結(jié)冰風(fēng)險,提高列車運行的準(zhǔn)點率。山地與高原地區(qū)道路在冬季結(jié)冰現(xiàn)象更為嚴(yán)重,對道路通行造成極大影響。超疏水抗凝冰瀝青路面技術(shù)可有效改善道路條件,促進地方經(jīng)濟發(fā)展。

環(huán)保性能提升。通過不斷的研究,超疏水抗凝冰瀝青路面的環(huán)保性能將得到改善,降低瀝青對環(huán)境的影響。優(yōu)化材料配比,選用環(huán)保型瀝青及添加劑,降低瀝青路面有害物質(zhì)的排放。使用回收再利用材料,如廢舊輪胎、廢棄塑料等,提高材料循環(huán)利用率,減少環(huán)境污染。通過改善超疏水抗凝冰瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工技術(shù),提高路面熱穩(wěn)定性,降低瀝青路面因溫度變化而產(chǎn)生的能耗。采用節(jié)能型施工設(shè)備及技術(shù),降低施工中的能源消耗及碳排放。通過智能化監(jiān)測與控制系統(tǒng),實現(xiàn)對路面的遠(yuǎn)程調(diào)控,合理分配水資源,提高水資源利用率。采用具有良好隔音性能的超疏水抗凝冰瀝青路面材料,降低道路噪音,減輕交通噪音污染,提高居民生活品質(zhì)。在施工過程中注重生態(tài)保護,加強植被恢復(fù)及土壤治理,提高路域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及生物多樣性。充分考慮資源、能源、環(huán)境等多方面因素,實現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。

經(jīng)濟性提高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展及成熟,材料制備及施工工藝將得到優(yōu)化,從而降低成本,提高經(jīng)濟性。

超疏水抗凝冰瀝青路面具有出色的抗凝冰性能,維護成本低,但也存在一定的局限性。隨著技術(shù)的不斷突破及其應(yīng)用范圍的擴大,發(fā)展前景十分廣闊。

4 結(jié)束語

對超疏水抗凝冰瀝青路面性能進行分析,指出了其不足之處,提出了改進方向。隨著科技的不斷進步及研究的深入發(fā)展,超疏水抗凝冰瀝青路面的性能將不斷提升,以此保障道路交通安全。