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环境与车辆荷载耦合下预埋式主动融冰雪沥青混合料性能探究

一、绪论

1.1研究背景与意义

在冬季，道路积雪结冰是一个普遍存在且危害严重的问题。当道路被积雪和冰层覆盖时，路面的摩擦系数会大幅降低。正常干燥路面的摩擦系数通常在0.6-0.8之间，而积雪结冰路面的摩擦系数可能降至0.2以下。这使得车辆的制动距离显著延长，正常情况下以60km/h行驶的汽车在干燥路面上的制动距离约为20-30米，在积雪结冰路面上则可能延长至80-120米甚至更远，极易导致刹车失灵或制动不及时，大大增加了碰撞事故的发生概率。车辆的操控性也会变差，在转弯、爬坡等情况下，车轮容易打滑，进而引发侧滑、甩尾等危险状况，严重威胁行车安全。据统计，在冬季恶劣天气条件下，因路面冰雪导致的交通事故发生率比正常天气高出数倍，造成了大量的人员伤亡和财产损失。

道路积雪还会降低能见度，干扰驾驶员对道路轮廓、交通标志和其他车辆的辨别，增加驾驶难度和事故风险。同时，积雪堆积会增加车辆行驶阻力，降低道路通行效率，影响交通设施正常运行，如路灯杆、交通信号灯杆等可能因积雪积压而倾斜、倒塌，扰乱交通秩序。此外，车辆在积雪覆盖的道路上行驶，由于轮胎与积雪的摩擦以及车辆的震动，会使路面受到额外的磨损，这种磨损不仅会使路面变得粗糙不平，影响行车舒适性，还会加速路面材料的老化和损坏，缩短道路的使用寿命。长期积累下来，可能导致路面出现坑洼、裂缝等病害，增加道路维修成本。当积雪融化后，水分会渗入路面结构层，如果路面存在裂缝或其他缺陷，水分会在路面结构内部积聚，在冬季低温环境下，水结冰后体积膨胀，会对路面结构产生巨大的压力，导致路面结构层出现裂缝、松散、剥落等破坏现象。这种冻融循环作用会逐渐削弱道路的承载能力，严重时可能使道路结构失去稳定性，需要进行大规模的修复甚至重建。

为了解决道路积雪结冰问题，传统的除雪方式主要包括人工除雪、机械除雪和撒布融雪剂等。人工除雪效率极低，一个成年人每小时大约能清理5-8平方米的积雪路面，面对大面积的道路积雪，需要耗费大量的人力和时间，且劳动强度大，难以满足快速除雪的需求。机械除雪虽然效率相对较高，一台中型除雪车每小时可清理约1000-1500平方米的路面，但对一些狭窄街道、人行道等区域难以有效作业，并且操作不当还可能对路面造成损伤。撒布融雪剂是较为常用的方法，然而，融雪剂中的化学成分，尤其是氯盐类融雪剂，会对道路结构、车辆以及环境造成严重危害。例如，氯盐会腐蚀道路中的钢筋，降低道路结构的耐久性；对车辆的金属部件也会产生腐蚀作用，缩短车辆使用寿命；融雪剂随雪水流入土壤和水体，会导致土壤盐碱化，影响植物生长，污染地表水和地下水，破坏生态平衡。

预埋式主动融冰雪沥青混合料作为一种新型的道路材料，为解决冬季道路积雪结冰问题提供了新的思路和方法。它通过在沥青混合料中预埋主动融冰雪材料，利用材料自身的物理或化学作用，在低温环境下主动释放热量或降低冰点，实现路面的融雪化冰，有效避免了传统除雪方式的诸多弊端。研究预埋式主动融冰雪沥青混合料的性能，对于提高冬季道路的安全性、保障交通畅通、减少交通事故的发生具有重要的现实意义；同时，也有助于推动道路材料技术的创新和发展，降低道路养护成本，具有显著的经济和社会效益。

1.2国内外研究现状

国外对预埋式主动融冰雪路面的研究开展较早，在材料研发和技术应用方面取得了一定成果。美国、日本、加拿大等国家在这一领域处于领先地位。美国一些州的高速公路采用了导电沥青混凝土作为主动融冰雪路面材料，通过在沥青混合料中添加碳纤维、钢纤维等导电相材料，使路面具备导电性能，在通电后能够产生热量融化冰雪。相关研究表明，这种路面在-10℃的环境温度下，通电1-2小时后，路面冰雪可基本融化，有效保障了道路的通行安全。日本则在蓄盐融雪路面技术方面较为成熟，将盐化物融入沥青混合料中，当路面温度下降时，盐化物逐渐析出，与雪水形成盐溶液，降低路面冰点，实现融雪效果。在北海道地区的实际应用中，该技术使冬季道路积雪结冰现象明显减少，交通事故发生率降低了约30%。加拿大主要侧重于热力融雪技术的研究，利用地热、太阳能等清洁能源为路面融雪提供热量，研发了土壤源热管融雪路面和太阳能融雪路面等。其中，土壤源热管融雪路面在魁北克省的部分道路进行了试点应用，通过地下热管将土壤中的热量传递到路面，在冬季能够维持路面温度在0℃以上，保持道路的畅通。

国内对预埋式主动融冰雪沥青混合料的研究起步相对较晚，但近年来发展迅速。许多科研机构和高校纷纷开展相关研究，在材料性能、配合比设计、路用性能等方面取得了一系列成果。在主动融冰雪材料方面，研发了多种新型材料，如相变材料、复合盐化物等。相变材料能够在温度变化时发生相态转变，吸收或释放热量，从而