主动除冰雪技术

2013-07-211主动融冰化雪路面的技术构想与实践中国工程科技论坛——城市可持续发展研讨会2012.12.12报告人：谭忆秋单位：哈尔滨工业大学背景道路，城市基础设施重要组成部分城市景观的底界面物流的重要载体社会的服务功能任务：提供快捷、安全的交通背景大部分地区(占国土面积的85%）位于中、高纬度和高海拔环境温度低且降雪影响区域大，冬季路面滑溜持续时间长冻融作用频繁路面积雪结冰是普遍存在的现象冻融日数统计表（次）20002003200520102011城市北京991108810494哈尔滨6364456252沈阳5666716081阿拉尔141128112108103南京3853674866云南（高原）6562625666背景湖北安徽江西湿度大道路凝冰冻融循环次数多南方·冰雪背景路面结冰严重影响高效、快捷、安全的交通冰雪路面影响车辆行驶性能：附着系数降低51%~74%行驶速度降低30%制动时间提高27%道路积雪结冰导致的重大交通事故占冬季交通事故总量的35%运输安全运输效率通行能力人民生活哈尔滨市重大交通事故分布背景特殊路段是冰雪天气下的事故多发点长大纵坡隧道入口道路交叉口2013-07-212传统除冰雪技术造成路面损坏严重现状背景传统除冰雪特点：操作简便破坏性强传统除冰雪技术融雪剂除冰机械除冰人工除冰抑制冻结铺装高低费用高低人工方法机械方法融雪剂除冰雪冬季路面管理水平——摘自PIAC会议报告（北海道2001）传统除冰雪技术造成路面损坏严重现状背景对环境影响交通基础设施锈蚀剥落融雪剂除冰路面坑槽/剥落反结冰，加剧滑溜传统除冰雪技术造成路面损坏严重背景机械除冰人工除冰防滑措施（带钉轮胎、防滑链）路面面对冰雪无能为力，只有被动承受低成本、环保型融雪剂的研发除冰雪技术应用条件和方法尚不规范多种除雪方法优化组合配置尚不完善研究背景冰雪路面的冻融作用加速路面破坏,影响道路的耐久性024681012141618ABCDEFGHIRI(m/km)路段凝冰前凝冰后86889092949698100102ABCDEFGHPCI路段凝冰前凝冰后松散麻面坑槽拥抱松散背景图像处理工业CT组成及扫描原理凝冰损伤影响因素—空隙分布状态冰雪路面的冻融作用加速路面破坏,影响道路的耐久性凝冰损伤影响因素—空隙分布状态AC-13-10mmAC-16-10mmSMA-13-10mmAC-13-50mmAC-16-50mmSMA-13-50mm27121722273237424752576267727782879297102051015202530354045试件高度(mm)空隙率(%)AC-13AC-16SMA-13空隙率沿厚度方向分布图距表面20mm内空隙大且连通抗冻融能力差冰雪与路表粘结紧密冰雪路面的冻融作用加速路面破坏,影响道路的耐久性2013-07-213R²=0.6725R²=0.769300.20.40.60.811.21.41.61.84.06.08.010.012.014.016.0质量损失（g/cm2）VV（%）轮迹带轮迹带中线性(轮迹带)线性(轮迹带中)上面层冻融损伤很隐蔽，冰雪路面的冻融作用加速路面破坏,影响道路的耐久性0.90.920.940.960.9816570758085909510001020304050相对动弹模量劈裂强度比（%）冻融次数劈裂强度比相对动弹模量传统除冰雪方法对环境影响大、交通设施损坏严重挑战：通过路表功能主动改善冰雪与路面附着状态14路面积冰影响交通安全与快捷冻融作用路面使用性能急剧下降2008年南方雪灾瘫痪了大半个中国、凝冰致使20多个省的公路受到损伤，道路的社会服务功能受到挑战，直接经济损失达1000多亿人民币，严重影响了人民生活、生产，造成了不良的社会影响。——《2008年中国南方雪灾受灾情况调查报告》路面本身没有抑制路面结冰能力研究目标围绕冰雪-路面附着界面与冰冻损伤防护方面的关键科学与技术问题，开展理论研究与技术创新橡胶颗粒沥青混凝土路面——解决冰雪-路面界面粘结紧密造成抗滑不足问题憎水型低冰点沥青混凝土路面——解决冰雪-路面界面粘结与冰冻损伤防护手段匮乏的问题橡胶颗粒路面Part1工作机理材料设计融雪化冰性能评价推广应用橡胶颗粒路面橡胶颗粒橡胶颗粒路面将废旧的橡胶轮胎破碎成具有一定形状和粒径的颗粒，并代替部分集料，掺于沥青混合料中铺筑的路面。橡胶颗粒路面1工作机理橡胶颗粒混合料弹性变形能力增强橡胶颗粒掺入，造成路表的结冰状况不均匀，冰的整体强度降低橡胶颗粒与集料的刚度相差较大，橡胶颗粒变形能力强橡胶颗粒冰膜GCR冰膜冰膜碎裂2013-07-214橡胶颗粒路面橡胶颗粒路面冰层在橡胶颗粒位置处出现明显应力集中现象1工作机理应力集中随着橡胶颗粒含量增加，混合料弹性变形能力增大0500100015002000250005%10%20%橡胶颗粒含量模量值（MPa）橡胶颗粒含量橡胶颗粒离散单元分析结果（DEM)橡胶颗粒路面2材料设计星点设计—效应面法除冰能力抗高温车辙抗低温开裂抗疲劳性能抗水损害……多目标优化问题组成材料配比范围橡胶颗粒比率星点设计-效应面法橡胶颗粒路面3性能评价橡胶颗粒路表降低了冰雪-路面界面的粘结橡胶颗粒混凝土普通路面除冰能力防雪压实橡胶颗粒混凝土普通路面橡胶颗粒路面除冰雪能力有一定的适用范围，温度不低于-12℃，冰层厚度小于9mm普通沥青路面主动融雪路面主动融雪路面普通沥青路面路面露出率/%6223摩擦系数5932融雪路面普通路面冰雪路面露出率达到62%，摩擦系数提高84%，有效提高冰雪路面的行车安全性22橡胶颗粒路面4应用案例橡胶颗粒路面技术在乌鲁木齐-五家渠一级公路中的应用橡胶颗粒路面GCRAP普通路面车辆行驶过后，路面上的雪未粘结，呈松散状态。车辆行驶过后，雪紧紧地粘结在路表面。橡胶颗粒路面技术在乌鲁木齐-五家渠一级公路中的应用4应用案例橡胶颗粒路面橡胶颗粒路表并未结冰4应用案例2013-07-215橡胶颗粒路面橡胶颗粒路面表面的积雪并未与路面粘结撒融雪剂的普通路面已结了一层薄冰，而且还有反光4应用案例橡胶颗粒路面橡胶颗粒路面：结冰不均匀，颗粒周围冰膜较薄，行车荷载作用下极易破碎普通路面：表面冰膜厚度均匀，行车荷载作用下不易破碎4应用案例憎水型低冰点沥青路面Part2材料开发融雪性能评价防护性能评价推广应用憎水型低冰点沥青路面低冰点填料低温—冻胀破坏憎水型胶结料防止水分渗入降低冰冻破坏AgNO3低冰点填料氯离子析出，降低冰-路表粘附性憎水型低冰点沥青路面以低表面能憎水材料对沥青进行改性，以多孔填料吸附粉状氯化物，再进行憎水处理得到低冰点填料代替矿粉，掺于沥青混合料中铺筑的路面。制备了低冰点填料——替代混合料中矿粉1材料开发最佳粉-胶比的确定憎水型卤化物与沥青的交互作用fcmB/)1tan/(tan沥青与集料交互作用的动态粘弹参数0.20.40.60.811.20.10.20.30.40.50.60.7粉胶体积比K.Ziegel-BB+1B+2B+3B+4最佳粉胶比Bmax低冰点填料掺量VS冰点粉胶比有效降低沥青混合料的冰点憎水型低冰点沥青路面1材料开发憎水型低冰点沥青路面躺滴法测量仪器tari-101B蒸馏水接触角（°）1d7d80%20%98.595.570%30%989460%40%95.993.5表面能（YGGF方程）接触角制备了憎水型改性沥青胶结料γs＜14mL/m2，蒸馏水接触角＞90°—低表面能憎水胶结料2013-07-216憎水型低冰点沥青路面2融雪性能评价低冰点添加剂有效地解决了路面与冰层粘结的问题冰与混合料粘结状态评价方法掺量100%掺量70%掺量50%掺量30%普通沥青混凝土憎水型低冰点沥青路面2融雪性能评价氯离子检测加AgNO3前加AgNO3后憎水型低冰点试件普通试件普通试件憎水型低冰点试件3防护性能评价憎水型低冰点沥青路面•改变表面润湿状态水珠憎水型防护材料试件普通试件憎水型沥青路面有效防止水分入渗至路表大空隙结构内部工程特点单位蓄盐路面普通路面雪面积m21.64.0无雪面积2.40.14总面积4.04.2无雪率%60.83.3a)普通路面b)蓄盐路面“五纵七横”中第一条纵向线大温差地区：-40℃~+70℃降雪量大：59.6mm日冻融频繁：83天/年应用效果关键问题低温冰雪-路表面的粘结力冻融损伤防护冰雪路面露出率提高了57.5%，通车3年，未出现冻融破坏4推广案例憎水型低冰点沥青路面憎水型低冰点沥青路面技术在大庆-广州高速公路中的应用憎水型低冰点沥青路面4推广应用普通路面憎水型低冰点沥青路面竣工1年后竣工3年后基于能量转化的融雪方法基于能量转化的道路融雪技术能量转化2013-07-217研究内容一、基于能量转化的道路融雪试验系统的研发与修建二、道路融雪系统温-湿耦合融雪模型的建立四、道路融雪系统的仿真分析五、多地区多融雪目标基于能量转化的道路融雪系统单位面积设计热负荷的研究三、道路融雪系统温-湿耦合融雪模型的验证基于能量转化的融雪方法1.实验系统工作原理工作原理图系统由太阳能-土壤源热能热泵系统（热泵机组、太阳能集热器、地埋U型管换热器、循环水泵、中间板式换热器、蓄热水箱等）和道路内埋换热管系统（道路实体和在其中铺设的管材）两部分组成。一、基于能量转化的道路融雪试验系统的开发设计原则“多能量来源”：采用太阳能-土壤源集成系统作为融雪系统的能量来源。“多运行工况”：变频热泵机组，变化埋管深度及埋管间距实现多运行工况。基于能量转化的融雪方法2.力学分析18.5×9.65300194025002500空间几何模型整体有限元网格局部子模型分析不同深度和间距条件下，荷载与温度耦合对路面和埋管的受力状态的影响基于能量转化的融雪方法①、埋设深度（a）升温1h（b）升温30h距路表8cm升温1h和30h时最大主应力分布图0.250.300.350.400.450.500.550.60468101214热管埋深（cm）路面最大主拉应力（MPa)温度范围-20℃~30℃温度范围-25℃~50℃温度范围-25℃~40℃0.150.200.250.300.350.400.45468101214热管埋深（cm）热管最大主拉应力（MPa）温度范围-20℃~30℃温度范围-25℃~50℃温度范围-25℃~40℃升温1h时路面最大主应力随热管埋深变化图升温1h时热管最大主应力随热管埋深变化图车辆荷载场与温度场叠加产生的最大拉应力均比较小，远小于其极限破坏强度。对于设有热管的路面而言，在热管埋置深度6cm以上时，受力能够满足要求。基于能量转化的融雪方法②、埋管间距最大主应力分布最小主应力分布管间距4cm管间距4cm管间距6cm管间距6cm管间距8cm管间距8cm最小主应力分布，间距为4cm时相邻管应力叠加，8cm时叠加效应小。考虑到施工过程的密实度，管间距应控制在6cm以上；基于能量转化的融雪方法2013-07-2183.基于能量转化的道路融雪系统的建设（1）基于能量转化的道路融雪试验系统设计参数道路融雪试验台机组参数参数设计值热源太阳能+土壤源取热井数量3取热井深度55m~60m取热井管径32mm太阳能取热面积24m2热泵机组设计功率12kW热泵机组频率调节范围50%~100%热泵机组最高出水温度50℃循环介质35%乙二醇水溶液基于能量转化的融雪方法参数设计值桥面1桥面2桥面3管材PERT管循环介质35%乙二醇水溶液桥面类型C30水泥混凝土(15cmC30现浇水泥混凝土+40cmC30预制水泥混凝土板)试验台尺寸(长/宽/厚)2m*1.25m*0.55m管线排布方式蛇形排布管径20mm管间距160mm160mm120mm埋管深度120mm70mm70mm道路融雪试验台桥面设计参数道路融雪试验台路面设计参数参数设计值路面1路面2路面3管材PERT管循环介质35%乙二醇水溶液路面类型半刚性基层沥青路面(5cmAC20+7cmAC20+7cmAC20+40cm半刚性基