未来道路路面使用玻璃材料可行性研究

黄七零

(广西交通技师学院,广西 南宁 530000)

1 引 言

出行是现代人必不可少的,传统的道路大多数是水泥混凝土和沥青混凝土,未来是否可以使用更加环保安全的材料来修建道路,是否可以使用玻璃材料来代替基层的水泥稳定碎石和沥青混凝土路面。例如我国张家界玻璃栈桥路面为玻璃材料,因此为我们使用玻璃材料来代替基层的水泥稳定碎石及沥青混凝土路面成为可能。

修建道路采用的钢化玻璃,又称强化玻璃、淬火玻璃,是指表面具有压应力的玻璃,是一种预应力玻璃,亦被称为安全玻璃。钢化玻璃,通常采用化学或物理的方法,在玻璃表面形成压应力,在内部形成张应力,玻璃承受外力时首先抵消表层应力,能够提高承载能力,并且增强了自身抗冲击性、抗风压性和寒暑性等性能。随着时代的进步和科学技术的发展,各个领域逐步开始广泛地应用玻璃制品,并对玻璃制品各方面的性能如:玻璃制品的轻质、高强、安全性等性能要求越来越高。因此,玻璃钢化技术应运而生并且得到迅速发展,从而使得我们用玻璃材料来代替基层的水泥稳定碎石及沥青混凝土路不是空想,是可以实现的。

2 传统施工材料与玻璃材料施工方法比较

钢化玻璃不需要拌和站拌和直接购买成品,不需要初平碾压,不用担心运输过程中运输车侧壁与运输物品粘合,拼接时间短,大大地缩短了工期。

3 玻璃材料修筑道路施工要点

3.1 配料

玻璃材料的主要原料有:石英砂、石灰石、长石、纯碱、硼酸等,按照设计好的配合比,将各种原料称量后在混料机内混合均匀。

3.2 熔制

首先将玻璃材料所需原料配好,然后经高温将其加热成无气泡、均匀的玻璃液。玻璃材料的熔制是复杂的物理和化学反应过程,需要在特定的器皿——熔窑内完成。目前,熔窑的主要类型分为两种:一种称为坩埚窑,将玻璃原材料盛装在坩埚内,再将坩埚放入坩埚窑内,并在坩埚外面加热。坩埚窑根据容量的大小可同时盛放1～20个坩埚。坩埚窑是间隙式生产的,采用坩埚窑生产的仅为光学玻璃和颜色玻璃。另一种称为池窑,将玻璃原材料盛装在窑池内熔制,在玻璃液面上部采用明火加热,玻璃材料的熔制温度在1 300～1 600 ℃,常用火焰加热,也用电流加热,称为电熔窑。池窑是连续生产的,小池窑仅为几米,大池窑可达400多米[1]。

3.3 成型

玻璃材料成型就是将熔制好的玻璃液处理转变成形,这需要在一定温度范围内才能进行,这是一个冷却过程。我们需要的阶梯式固体形态,进行刻槽,把钢化玻璃路面刻出小槽防止车辆在玻璃路面打滑,减少事故的发生,再进行拉毛涂层。由于玻璃透光性和反光性极强,导致路面下层温度过高,影响地球的生态环境,以及反光时影响驾驶员观看前方道路和车辆,从而会引发交通事故,所以要将钢化玻璃下层进行深色染料涂层,以及表面的拉毛。

3.4 退火

玻璃退火主要是指将成型后的玻璃材料置于退火窑中在某一温度范围内保温或缓慢降温一段时间,然后再慢慢冷却的热处理制程,主要目的是释放应力,使玻璃中产生的热应力减少或消除,不再产生超过允许范围的永久应力和暂时应力。这是因为玻璃在成形过程中,经受激烈的温度变化和形状变化,而这种变化在玻璃中留下的热应力会降低玻璃制品的热稳定性和材料强度。如果将玻璃制品直接快速冷却降温,那么在冷却过程中,或者在此后的存放、运输和使用过程中很可能发生玻璃自行破裂的现象——俗称玻璃的冷爆。因此,玻璃制品在成形后必须进行退火处理,以避免玻璃冷爆现象的发生[2]。

3.5 铺砌

将自己需要的玻璃路面的尺寸计算出来,并准备好相应的玻璃材料。将材料表面的油污洗净搽干、等待使用。玻璃路面的修建成阶梯式拼接从左到右,从前到后有序拼接,并且接缝处采用强力玻璃胶进行粘合,将强力玻璃胶装入玻璃胶枪,将需要的玻璃拼接成设计的形状,使用强力玻璃胶将所有接头的地方全部粘接上,涂玻璃胶的时候一边挤胶一边移动,保持稳定,使路面更加稳定,不易松动。

4 沥青混凝土材料与玻璃材料修筑路面的质量比较

(1)沥青在高温下容易变形形成车辙,而玻璃硬度较好。沥青面层高温稳定性差,在高温天气里,在车轮的反复碾压作用下,路面荷载应力超过沥青混合料稳定极限,使得路面流动变形不断积累造成了车辙和推移等沥青路面病害。而玻璃材料,特别是钢化玻璃,作为一种预应力玻璃、安全玻璃,已通过使用化学或物理的方法,在玻璃表面形成压应力,当承受外力时可最先抵消表层的应力,能够提高承载能力、改善玻璃强度。同等厚度的钢化玻璃与普通玻璃相比,抗冲击强度是5～10倍、抗弯强度是3～5倍,具有较高的安全性和稳定性,不容易发生变形。

(2)沥青在长时间的使用下容易产生裂缝,因为沥青分子分布较为扩散、不集中。但玻璃截然相反,玻璃在使用过程中不会产生裂缝,玻璃分子排列较为紧密、不容易分散。

(3)从对人的身体健康上来说,沥青具有毒性气味,对人的身体会造成一定的伤害和影响,而玻璃既环保又安全。使用安全是钢化玻璃第二个主要优点,其承载能力增大、改善了易碎性质,即使钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片,对人体的伤害极大地降低了。

表1 沥青混凝土与玻璃材料比较一览表

(4)从施工难度上来说,沥青施工难度大,工期长,需要劳动力较多,玻璃施工和安装都较简便,既能省时又能省力。

(5)从保护环境角度来说,沥青的产生需要大量的资源,需要大角度地开采资源,但玻璃可以减少资源的浪费,从而既节约了资源,又保护了环境。

(6)使用年限,钢化玻璃的耐急冷急热性质较之普通钢化玻璃有2～3倍的提高,一般可承受150 ℃以上的温差变化,具有良好的热稳定性,对防止热炸裂有明显的效果。如果钢化玻璃出现裂痕或者地基出现不均匀沉降,可以进行部分重建,而不用像沥青混凝土路面那样要大规模的修建,维护成本价低。

5 沥青混凝土和玻璃材料施工的优缺点

5.1 危害

沥青混凝土沥青提炼可能有高分子的碳氢化合物未经挥发出来,会产生大量的有害气体,这些物质或多或少对人体健康是有害的。沥青路面施工成型过程中由于高散发刺激性气味对近距离人体有有害,对环境也造成污染。而玻璃环保无刺激性气味、对人体无害。

5.2 温度

沥青混凝土高速公路在修建过程当中一定要注意温度的变化,温度太低沥青混合料温度散失较快,会导致摊铺、路面压实困难,道路孔隙率变大,渗水系数偏大,在通车后的高温雨季容易出现各种问题。如果修建的过程温度过高会导致沥青加速老化,因为在生产拌合过程中沥青在集料表面形成很薄的膜,在高温下轻质组分容易流失,导致沥青老化,使沥青的延伸度下降容易导致路面的寿命降低,在温度过高的情况下沥青会变软,在重型车辆的碾压下会导致混合集中料发生位移,导致车辙的出现,如果各个面层之间的粘接措施采取不当,在高温下,集料还会沿着行车方向进行位移,从而形成车辙推移病害。由于沥青材料的稳定性较差,当北方的冬季温度过低时,行车不当会导致沥青路面产生大面积裂缝,而当夏季温度过40 ℃高温时,沥青材料会变软,针入度变高,在高温环境下,沥青混凝士易软化变形,影响路面使用寿命。

与之相比,钢化玻璃具有良好的热稳定性,能承受的温差是普通玻璃的3倍,300 ℃以下的温度对玻璃化学稳定性和寿命不产生任何影响。玻璃的物理化学性质会随着温度的升高发生变化,在600 ℃左右开始发生软化,随着温度升高,玻璃内部产生析晶现象,逐渐从透明变向模糊[3]。在常温下,玻璃出现析晶变模糊的情况可能需要上万年,暂且可以忽略不计。

5.3 安装

预先分化出玻璃的位置,清理平整安装玻璃,安放好玻璃之后在玻璃缝隙中打入玻璃胶填充缝隙。

玻璃道路不需要分次施工,玻璃具有高透明性,透光率过高,在修建玻璃的过程中可以在路面下层添加黑色颜料,玻璃路面玻璃表面过于光滑,可以在玻璃上拉毛,起到防滑作用,在转角处设置凹槽,用来避免车速过快、防止发生意外。而且,玻璃的化学构成相对稳定,自然状态下的阳光雨雾通常不会对玻璃产生性能衰减等方面的影响,普通酸碱也不能对玻璃造成伤害。

5.4 寿命

沥青混凝土在非常规气温下使用受限,极寒或极热的气温限制沥青混凝土路面的使用。沥青混凝土温度过高会导致沥青加速老化、变软,降低寿命。此外,沥青混凝土路面需要定期维护和修补,维护成本较高。通常情况下影响玻璃寿命的情况只有两个:潮湿空气和高温。钢化玻璃油墨可以在玻璃钢化前印刷在玻璃基材上,然后随玻璃基材一起进入钢化隧道炉,不惧高温,随炉钢化一次完成,不仅抗刮耐磨,而且能经受风吹日晒雨淋都不会损坏或脱落,起到了一定的保护作用。

5.5 运输

沥青是石油的产物,近些年来我国对石油大量开采导致石油资源匮乏,如果继续开采石油会影响自然环境,而且提炼沥青时会对环境造成的污染。沥青在运输过程中会担心洒落,如果运输距离过远,沥青中的水分会蒸发,从而影响沥青的质量。提炼玻璃没有那么大的危害,但玻璃在运输的过程当中要注意保护玻璃的边角处,防止玻璃破碎,相对于沥青的运输过程,玻璃不怕远距离运输,只需要注意玻璃的四个角落,相对而言较易保存。一旦受到外力破坏时,玻璃的碎片呈现为碎小的蜂窝状的钝角颗粒,不容易对人体造成伤害。

5.6 强度

玻璃油墨可以在玻璃钢化前印刷在玻璃基材上,然后随玻璃基材一起进入钢化隧道炉,不惧高温,随炉钢化一次完成,不仅抗刮耐磨,而且能经受风吹日晒雨淋都不会损坏或脱落,起到了一定的保护作用,因此彻底解决了玻璃油墨在钢化玻璃上易脱落不耐刮等问题。同等厚度的钢化玻璃与普通玻璃相比,抗冲击强度是5～10倍、抗弯强度是3～5倍,具有较高的安全性和稳定性。

6 传统道路材料施工与玻璃材料施工造价对比分析

按照国家颁布的标准,高速公路道路宽为3.5～3.75 m,如果以车道宽为3.5 m,长度为1 km,基层为水泥稳定级配碎石厚度为40 cm,面层为沥青混凝土厚度为15 cm,双向四车道的高速公路为例,进行分析对比。

6.1 传统道路材料施工价格

(1)基层为水泥稳定级配碎石厚度为40 cm[4]

水泥稳定碎石施工综合价格约为90元/m2,3.5 m×1 000 m×4车道=14 000 m2,14 000 m2×90元/m2=1 260 000.00元。

(2)面层为沥青混凝土厚度15 cm[5]

沥青混凝土的综合价格为1 cm的厚度价格12元/m2,3.5 m×1 000 m×4(车道)=14 000 m2,14 000 m2×15 cm×12元/m2=2 520 000.00元。

(3)传统道路材料施工价格总计

1 260 000.00+2 520 000.00=3 780 000.00元

6.2 玻璃材料施工价格

按材料费占总造价的70%计算。

(1)玻璃价格:900元/t,密度为2.2 kg/m3,道路厚度55 cm即0.55 m。

3.5 m×1 000 m×4(车道)=14 000 m2,14 000 m2×0.55 m=7 700 m3。

7 700 m3×2.2 kg/m3×900元/t=15 246元。15246元/0.7=21 780.00元。

(2)钢化玻璃价格:1 400元/t,密度为2.2 kg/m3,道路厚度55 cm即0.55 m。

3.5 m×1 000 m×4车道=14 000 m2,14 000 m2×0.55 m=7 700 m3。

7 700 m3×2.2 kg/m3×1 400元/t=23 716元。23 716/0.7=33 880.00元。

根据计算数据可知,修建一条长度为1 000 m,宽为3.5 m的双向四车道使用钢化玻璃材料的造价成本远远低于沥青材料路面的造价。

综上所述,沥青混凝土路面的使用对环境的影响比玻璃路面较大,同时,沥青的提取和运输会对人的身体健康造成很大危害,但与玻璃相比较而言,玻璃更加环保,并且玻璃在提取和运输的过程中,对人体没有危害,同时安装方便,大大地减少了施工对人的身体造成的影响,既缩短了工期,也节省了人力物力。