融雪除冰沥青公路设计技巧

作者：吴学伟 单位：中交第二公路勘察设计研究院有限公司

在冬季，道路积雪、结冰会对交通运输构成安全隐患。据统计，15％左右的交通事故与道路积雪有关，公路积雪已经成为交通的“白色杀手”。在桥面、隧道出入口及长纵坡路面此类问题尤为严重。采用常规的机械除雪或撒盐融雪均会带来一定的负面影响。因此，选择高效、环保的融雪除冰方式及时融化路面积雪已成为亟待解决的课题。美国SuperiorGraphite公司在采用导电沥青路面进行道路融雪除冰方面做了一些有益的尝试，在此基础上，文中提出以石墨及炭纤维制备融雪除冰导电沥青路面的设计思路。

1导电沥青路面融雪除冰机理

1．1导电沥青路面材料的导电机理导电沥青路面材料是在沥青材料中加入导电性极好的导电相材料，改善沥青材料的电学性能，使其由绝缘体转变为半导体或导体而具有某些特殊用途。BaoshanHuang、DDLChung以及武汉理工大学丁庆军教授分别使用导电相材料如：石墨、炭黑、炭纤维、铝粉以及短切钢丝等，进行了导电沥青材料的应用研究。在掺少量导电相材料时，沥青混合料保持高电阻率。继续增加掺量，当体系中的掺量达到一个临界值时，体系的电阻率突然下降，变化幅度显著。此后，即使导电填料的继续增加，电阻率变化趋平缓，即渗流效应。由此可将导电相材料对沥青混凝土导电性能的影响分成绝缘区、过渡区以及通路区3个阶段。以高碳鳞片石墨为例，其掺量的大小对导电SMA（沥青玛蹄脂碎石，stonemasticasphalt）的导电性影响规律如表1所示，其电学变化规律（图略）。

1．2导电沥青路面融雪除冰原理在导电路面通电加热过程中，热量不断由路面下部向上传输，随着时间的推移，路面温度不断上升，热量由路表传递给冰雪层，由于环境温度较低，路面还与空气存在对流换热以及辐射换热的情况。冰雪吸收热量后温度逐渐升高，当温度达到0℃时，冰雪开始融化。在冰雪融化的过程中，温度保持0℃不变，直到全部融化成水。以一次户外露天融雪实验为例，导电试件在冰雪天气下放置一夜（12h），实验时环境温度为－2～－10℃，风力2～3级，降雪等级为中雪，输入电压为35V。户外融雪情况如图2所示，图2（a）为通电前试件状态；图2（b）为通电20min后试件状态；图2（c）为通电30min后试件状态。通电10min后，冰雪首先在与试件表面接触处开始融化。利用导电混凝土的电热效应能否达到除冰化雪要求，关键在于电混凝土通电后在一定时间内产生的热量是否能够满足除冰化雪需要，这就与导电路面通电后发热功率的大小有关。在一定的电压下，导电路面材料的电阻率越小，导电路面通电后发热功率越大，融雪除冰效果也就越好。

2导电沥青路面材料设计

2．1导电相材料优选导电相材料的优劣是导电路面能否获得较小的电阻率的关键，石墨、炭纤维均是优良的导电相材料，可用于改善沥青路面的导电性能。利用石墨的经济性，炭纤维高电导率及长径比的优势，将此两种导电材料复合掺入到沥青混合料中，即可使沥青路面电阻率降低到10Ω•m以下，以满足融雪除冰的要求。

2．2导电沥青混合料的制备目前，沥青路面常见的沥青混合料类型有：开级配抗滑磨耗层（OGFC）、沥青混凝土（AC）以及沥青玛蹄脂碎石（SMA），OGFC型沥青混凝土的突出特点是孔隙率大，一般为15％～20％（体积分数，下同；AC，SMA的孔隙率均只有4％左右），大孔隙率会导致掺入导电材料后，其导电网络难以形成，且导电相材料的掺入会导致沥青混凝土部分力学性能下降，但因SMA型沥青混凝土较AC型沥青混凝土具有更高的力学性能，从而保证了沥青混凝土在掺入石墨后，其各项力学指标均能保持在较高水平。因此，选择以SMA为基体材料，掺入石墨取代部分矿粉，炭纤维取代部分纤维，制备导电SMA路面材料。

2．3导电沥青混合料电学性能复掺导电相材料时，石墨为主要导电相材料，炭纤维为辅助导电相材料。根据图1在导电性能突降区域的两侧选取10％和20％石墨掺量的导电SMA作为研究对象，改变炭纤维掺量来考察复掺导电SMA的电学性能。具体测试结果（表略）。通过调整不同导电相材料掺量的方式，可有效降低沥青路面电阻率至10Ω•m以下，以满足融雪除冰要求。为了解此类导电路面电学性能随外界因素的变化情况。文章分别考察了导电SMA电阻率随时间、输入电压的变化情况。研究发现：由于石墨、炭纤维均是非常稳定的导电相材料，长期监测发现，以此类导电材料制备的导电沥青路面电阻率不会随着时间的推移而变化，具有良好的时间稳定性。当导电沥青路面电阻率控制在10Ω•m以下后，其电阻率值并不会随输入电压的改变而变化，试件基本符合欧姆定律。

2．4导电沥青混合料路用性能在导电路面应用于实际工程之前，必须对导电沥青混合料进行路用性能方面的测试，研究发现其路用性能具备以下特点：1）石墨的掺入会需要更多的沥青，在最佳油石比的情况下，导电沥青混合料各项体积指标均能满足规范要求，但其马歇尔稳定度会有所下降，这主要是石墨的作用引起的。2）导电相材料的掺入不会对沥青混合料的水稳性能产生负面影响，不论是浸水马歇尔稳定度还是冻融劈裂强度比均在90％以上。3）导电相材料的掺入不会影响其高温抗车辙能力，导电SMA混合料的高温动稳定度均在8000次／mm以上，抗车辙性能优异。而单轴贯入试验则证明：导电沥青混合料高温抗剪切性能良好，超过1MPa。石墨的掺入会对导电沥青混合料的粘聚力以及内摩擦角产生一定影响。4）石墨的掺入使得导电SMA混合料的低温抗裂性能得到一定的改善，这对于导电路面在冬季低温环境中的使用非常有利。这说明导电沥青混合料路用性能较常规沥青混合料在某些方面还具有一定的优势，在实际工程应用中是满足要求的。

3除冰抗滑路面结构设计

考虑到导电沥青混合料特殊的功能性，在实际工程中可能用于某些特殊路段，如长纵坡路段、互通立交桥面及隧道出入口等。此种路段对路面抗剪切性能要求更高，根据有限元分析结果，提高中面层沥青混合料弹性模量可有效降低层间剪切力，文章针对某些特殊路段提出相应路面结构设计思路。在各种推荐路面结构中，粘层采用高粘度改性沥青也能起到一定的抗剪切作用，这对导电路面的耐久性是有益的。

4结论

a．石墨与炭纤维复合形成的导电网络可降低SMA混合料的电阻率，提高其电热转换效率，以满足路面融雪除冰要求，优异的路用性能为其在实际工程中的应用提供了有力依据。在不同路段下，可采用相应路面结构以提高路面的耐久性。b．在如何提高导电路面融雪除冰效率方面，可在隔热层的材料及结构方面进行进一步的探索。c．导电沥青混合料不仅可用于路面的融雪除冰，还可利用其电学性能用于路面自诊断、桥梁监测以及电子屏蔽等方面。目前国内在这些方面的研究还处于初步阶段。