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预湿与防冰技术在北美冬季道路养护中的应用
2019年05月16日    阅读量:1073    新闻来源:沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

北美冬季公路养护方法通常采用传统的策略,即雪后撒布除冰材料使冰雪与路面脱粘,再通过机械方式(如扫雪机)进行清除。每年冬季需要大量的固体或液体养护化学剂及磨料应用于道路,主要包括:氯化钠、氯化钙、氯化镁、醋酸钾、醋酸钙等。研究显示,化学剂和磨料的反复应用会对道路周围的植被、水质、车辆和基础设施等产生不良影响沥青网sinoasphalt.com。化学剂会对预应力钢筋混凝土、钢结构桥梁、车辆、路面等产生腐蚀损害,而磨料一般产生的环境影响更大。醋酸盐属于非氯化物,不腐蚀金属,但会明显减弱乳化沥青的强度。


传统的防冰融雪措施对路面和环境产生不利影响,使道路养护部门探索出了一种主动型防冰策略,即基于可靠的道路天气信息系统(Road Weather Information System,简称RWIS)和准确的天气预报信息,根据不同情形采取雪前撒布液体防冰剂或预湿固体化学剂的防冰措施。路面经预湿剂或防冰剂处理后产生的积雪,由于化学剂含量低,大大地降低了对周围环境的损害。本文综合了近年来北美道路养护部门防冰策略的最新实践信息,对比了液体防冰剂和预湿处理的固体化学剂在防冰融雪方面的优缺点。介绍了美国最新的防冰策略实施方案及其应用实践情况。基于此,总结出了防冰策略的实践经验,这将有利于冬季道路养护机构全面地了解新技术,实施符合自身条件的冬季防冰策略。


防冰策略的发展


美国交通运输部门为确保冬季道路的安全畅通,往往要综合考虑旅客安全、服务水平、经济成本、基础设施和环境、设备以及天气等因素的影响,从而在适当的时间和地点撒布合适且适量的防冰材料。在过去的十年里,美国冬季道路养护人员就开始使用防冰技术,即防冰化学剂(包括经预湿处理的固体化学剂和液体化学剂),通常液体化学剂更为常用。1987年美国在“战略公路研究计划(Strategy Highway Research Program,简称SHRP)”中推出了主动型的防冰战略,该计划已经取得了防冰技术、道路天气信息系统(RWIS)等五个方面的研究成果,并在30个州进行了相关的试验、研究和实施。从各州的实施经验来看,该项冰雪控制计划,尤其是道路天气信息系统(RWIS)技术与防冰战略的实施,不仅节约了大量成本,提高了冬季道路安全性和畅通性,而且降低了化学剂对道路、桥梁结构和车辆的腐蚀,从而减轻了其对环境产生的负面影响。


近年来,国外冬季道路养护领域取得了一系列较新的研究成果:综合可靠的道路天气信息系统(RWIS)给各道路养护机构提供了重要的天气信息和实时的路面状况信息;精确的防冰设备的应用大大提高了撒布均匀度和准确性;新型环保的有机融雪防冰材料显著降低了对环境的不良影响。相关的室内试验和现场测试发现,主动型防冰策略综合了道路天气信息系统(RWIS)以及新材料、新设备的应用,效益显著。


主动型防冰策略的方法介绍


防冰和预湿技术均属于积极主动的冰雪控制策略。这种技术主要是根据天气预测结果,雪前向道路撒布液体化学剂或经预湿处理的固体化学剂,雪后进行机械除雪。专业设备和准确详细天气预报的应用可大大减小液体化学剂的使用。下面就两种防冰雪方法进行分析。


液体化学剂防冰。液体化学剂防冰措施是在暴风雪之前,将少量的液体化学剂撒布到路面和桥面防止表面结冰。在撒布液体化学剂的过程中,液体或固体化学物质在液体中溶解,然后被直接喷洒到路面。通常在冬季道路液体养护剂中含有一种或多种化学物质(如氯化钠、氯化钠、氯化钙或氯化镁)的水溶液。该方法已被证明可有效防止桥面和路面的冻结。


液体化学剂具有显著的优点主要包括:①与路面的附着性能好(提高摩擦性能),减少撞车事故;②与移除路面上已有冰层相比,可减少化学品的施用量;③防冰效果可持续几天,尤其是在预防桥面结冰时;④暴风雪后清理更容易;⑤可以在正常工作时间内实施,降低加班费用;⑥可以在桥梁和交叉口固定液喷雾系统:⑦比固体防冰剂价格更低;⑧很多情况下防冰剂降低了路面打滑的影响,从而避免了使用磨料。


液体化学剂的缺点。主要体现在:①在冻雨、薄冰或积雪条件下不能施用;②防冰的路面温度需高于-6.7;③需专业的液体储存设备、泵和设备来撒布化学剂;④施防冰系统成本包括设备、天气预报服务及培训。


此外,当液体化学剂撒布后,道路上的冰雪将随着路面温度超过凝固点而逐渐融化。融化后产生的水将会导致溶液稀释,使溶液浓度降低从而使其凝固点上升。随着融化稀释的进行,最终溶液失效,而且降雪、降雨或冻雨天气也将使溶液稀释,液体化学剂在冰雪风暴中的稀释速度比固体盐快,由于浓度不足将会导致其发生冻结。因此,为防止液体防冰剂发生冻结失效,需要:①根据道路温度和降雪量调整最初的施用量;②通过跟踪路面温度、融化等变化过程记录稀释过程;③如果路面的溶液浓度在路面清理前可减少至冻结浓度范围内,将发生冻结,需要再次撒布不同的液体防冰剂。


预湿盐防冰。冬季道路防冰养护中另一种方法称为预湿,对固体盐进行预湿处理通常有两种方法。一种是在磨料或固体盐撒布前,将其在储料库或撒布设备中进行预融化,另一种是用液体除冰剂进行溶解。这种做法减少了化学剂对道路的破坏,从20世纪60年代后期开始使用。化学剂只有溶解后,才能产生融雪功能,而颗粒状固体化学剂撒布到路面上后需借助过往车辆的多次碾压后才能融化,融雪效果非常慢,且其在溶解过程中需从地面吸收大量的热量,导致路面温度迅速下降而易开裂,从而影响路面寿命。


预湿盐的优点,主要有:①预湿撒布将固体化学剂置于撒料机中提前熔化(或用液体除冰剂进行预湿),从而使化学剂在溶解过程中主要从设备和大气中吸收热量,减少了对路面的破坏;②预湿盐融雪快速、冰雪渗透力强;③达到同样或更佳的融雪效果,预湿盐要比干盐(即固体化学剂)施用量减少20%。此外,磨料经预湿后撒布在路面上,预湿磨料快速在路面冻结并形成砂纸型表面,在低温条件下磨料的使用量可减少50%。蒙大拿州西部交通学院的Katie OKeefeXian ming Shi通过调查分析显示:养护机构普遍认为预湿策略可显著提高材料持久性,增强固体化学剂或磨料的使用性能并减少材料用量,延长路面寿命,同时加快冰雪融化过程。


预湿盐的局限性。虽然在冰雪抗争中,预湿是一种适用于高风区的有效技术,但保证道路安全的最好方式是在冬季风暴事件前积极实施防冰技术。很多情况下,防冰避免了磨料的使用,因为它消除了路面的打滑。


对比与评价。在冬季暴风雪来临之前,根据不同的实际情形采用不同的防冰材料,实施有效的防冰策略。预湿盐能快速的发挥作用,经预湿盐处理和液体防冰盐处理的路面融雪效果差异如图1所示,发现在低温条件下,液体防冰盐融雪效果更好,且防冰避免了磨料的使用。


防冰材料类似于除冰材料。与传统的冰雪控制方法相比,有效实施防冰策略可大大减少材料用量,从而降低维护成本以及对土壤、空气的污染和对植被、车辆等的腐蚀破坏,经济和环境效益巨大。同时通过提高路面摩擦,改善了路面条件和防滑性能,从而减小了事故发生率,社会效益巨大。另外,防冰策略可提高北美道路管理机构在冬季恶劣的天气条件下的路面管理水平,并可降低冬季道路的养护成本及公路系统的脆弱性,如华盛顿州北方中部地区的防冰策略的实施提高了同一成本下的道路服务水平。


防冰策略的实施方案


防冰策略是一种在暴风雪、霜冻等恶劣天气条件下,使用化学剂防止路面结冰的主动型策略。通过道路天气信息系统(RWIS)和天气预报的信息确定防冰的操作时间以及如何合理利用化学剂,是进行有效防冰融雪的关键。根据综合的预测信息,在暴风雪来临之前撒布合适的防冰材料可显著减少除雪时间和化学剂使用量。以下就如何合理有效实施防冰策略进行介绍。


防冰措施。①雪前撒布液体防冰剂。降雪前,每个车道每英里范围内液体化学剂施用量为2550加仑,这相当于每车道英里施用60120磅干盐。液体化学剂的实际施用量将取决于化学剂种类、空气和路面温度以及暴风雪条件。雪后根据不同地区、不同气温、雪量的大小等因素,选择适宜的机械设备(如推雪铲、抛雪机、扫雪机等)进行机械除雪。②预湿撒布。为保证撒布到路面上的化学剂快速有效地发挥作用,普遍采用预湿撒布的方法,即化学剂在撒布到路面之前,撒布设备已将化学剂预湿,然后撒布到路面上。对于液体预湿的方法,通常每吨盐需用812加仑的液体除冰剂进行预湿。可在储存设备中进行预湿,装载在撒料卡车上进行道路喷洒。


撒布方式。具体的防冰作业时间需通过分析一系列的数据来确定,主要包括道路天气信息系统(RWIS)采集的信息及国家与地方的天气预报信息。RWIS除采集露点、湿度、大气温度和风速风向外,还通过传感器采集路面温度和路面化学剂施用量的数据来监测路面状态。根据采集的数据可准确预测出路面结冰时间,从而确定防冰的时间及材料的选择与使用量。


为实现精确地撒布液体或预湿化学剂,必须使用高精度的撒布设备。国外发达国家均使用精确的撒料机撒布防冰材料,不仅撒布均匀且能够有效地控制施用量,有专门的机构检定设备的撒布计量精确度,严禁人工或使用低精度的撒布设备进行撒布作业。而我国部分地区采用人工抛撒,不仅抛撒不均匀,而且撒布量过大,既造成浪费,又增加了损害。


结语


防冰策略是一种积极主动的防冰融雪技术,主要是通过雪前撒布液体防冰剂或预湿固体化学剂。液体防冰剂和预湿固体化学剂各有利弊,应根据不同的路面条件和天气状况合理选择。实施防冰策略显著减少了防冰材料的使用量,从而节约了成本且减小了对周围环境的破坏,同时提高了路面摩擦性能,减少了事故发生率,提供了一个安全畅通的道路环境。防冰作业所需的时间、防冰材料的选择及其施用量需综合道路天气信息系统(RWIS)与国家及地方天气预报系统等信息而定。


随着我国公路的迅速发展,冬季道路防冰融雪、防冻防滑任重道远。除冰首先应立足于防冰,建议采用科学的道路天气信息系统,建立一套适合我国国情的防冰策略。


标签:道路建设
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