道路除冰防治技术综述

2021-09-15陈千寻秦浩黄晚清曹明明

四川建筑 2021年4期

陈千寻秦浩黄晚清曹明明

【摘要】公路的交通安全是保障经济腾飞勃发的必要条件，在四川境内，入冬后随着气温的降低多条山区高速公路路面常出现结冰，影响原路面的抗滑性能，降低道路的通行能力，带来严重安全隐患。文章简要介绍了国内外现有的路面除冰防雪技术，分析了每种技术的作用机理和适用范围，探讨了针对四川省特殊地理气候环境的道路抗凝冰技术的发展方向，为后续研究提供有价值的参考指导。

【关键词】除冰雪技术; 道路工程; 融冰化雪机理

【中国分类号】U418.3+26【文献标志码】B

我国地域辽阔，南北气候差异大，入冬后，北方降雪量大，路面积雪凝冰严重;南方冻雨多，路面湿滑、暗冰丛生。四川省地跨青藏高原、云贵高原、四川盆地等几大地貌单元，地形条件复杂多样，高速公路运行环境不尽相同。临到冬季，降雪或冻雨等低温天气致使水汽在四川山区高速公路表面形成冰膜，降低过往车辆轮胎和路面间的摩擦系数，使得车辆打滑发生恶性交通事故。当积雪过厚覆盖路面行车标志时，会使驾驶员难以判定行车路线，恶劣的行车环境会给驾驶员带来负面的心理影响，使得低温环境下交通事故比正常情况大幅增加。

为了保障低温天气道路行车安全，国内外交通部门及研究者做了大量研究工作并取得了一定成果。主要分为两大类：路面被动除冰和路面主动除冰（图1）。

1 路面被动除冰技术

1.1 撒融冰剂除冰

撒融冰剂主要是指在路面抛洒盐化物等化学物品，原料易得、价格低廉，能有效降低冰点，并且能使得车辆行经段轮胎碾压的路面更不易结冰。但是使用氯化盐类融冰剂融化后产生的氯化盐液体会对路面、桥梁、绿化带、土壤及周边环境等造成较大的影响，对钢筋产生严重的腐蝕作用，大幅降低沥青材料与砂石料的粘合性使得沥青混凝土路面上面层脱落。2003年北京就曾因为使用融冰剂使得大量树木死亡，草地受害，直接经济损失千余万元。传统融冰剂弊端良多，近几年人们开始推出以有机物为主的环保型融冰剂，但其价格较高，高昂的使用成本也限制了它的推广。

1.2 人工或机械除冰

人工清除路面冰雪是最为传统的方法，利用人力铲除路面凝冰积雪，清除效果好，但是效率十分低下、人力消耗大，并且在工作时需要限制车辆行驶，只适用于一些重要路段。

机械除冰是目前使用比较普遍的清雪除冰措施，利用机械装置对路面冰雪直接作用达到清除作用。我国各个地区地形气候环境条件对应除冰雪机械的需求不同，对于如桥梁、匝道、山地区域大型除雪机械的运行和操作具有局限性，且现有的器械仍存在品种不全、功能单一、生产量小、技术低下等问题，限制了它的使用受面。

1.3 自动喷淋防冰雪技术

自动喷淋系统可以划分为三大组成模块，即：路面信息系统、喷淋系统、控制系统。路面信息系统监测路面情况及天气状况，控制系统进行监测数据分析，在低温天气来临前控制喷淋系统喷洒溶解有一定比例的盐化物溶液，降低冰点达到防冰融雪的目的。自动喷淋系统可以全天候自动工作，也可以远程遥控操作，在非冰雪天还可以结合城市供水系统进行绿化灌溉、夏季路面降温、配合消防灭火等。这种技术在欧美国家已经发展了30余年，2013年湖南省在两架高速特大桥上安装了自主改良版的自动防冰雪系统，有良好的应用效果。但是，自动喷淋系统前期投入大，设计、安装复杂，维修难度较大，运行成本高。

2 路面主动抗凝冰技术

路面主动抗凝冰技术不需要其它人工辅助，在路面建设或养护维修时改变路面结构或构造材料成分以达到低温条件下自主抗凝冰目的。它主要分为三类：物理类抗凝冰路面、化学类抗凝冰路面和能量转化类抗凝冰路面。

2.1 物理类抗凝冰

物理类抗凝冰技术主要是利用路面的特殊构造的力学性能实现抗结冰目的，适合没有大量积雪，路面冰层薄的地区，主要有粗糙路面和自应力弹性路面两类。

2.1.1 粗糙路面

粗糙型抗凝冰路面是通过加大路面的构造深度，使融化后的冰水快速从较大的表面和粗大的集料间隙排走，让路面上融冰水不能滞留在表面形成水膜，有效维持了路面的抗滑能力，同时还具有降低路面噪声的优点。2008年长安大学的韩森教授在内蒙古铺设了粗糙路面试验段，获得了良好的除冰效果。粗糙路面孔隙率的大小不会影响路用性能，同时弥补了暗冰对路面构造深度的影响，有效工作时限长，但是对于积雪严重的地区作用不大，比较适用于降雪量少、低温潮湿地区。

2.1.2 自应力弹性路面

自应力弹性路面是通过在路面铺装集料中掺入一定的弹性材料，利用其局部变形能力较强的特性提升路面的弹性变形能力，改变了路面与轮胎的接触状态，使路面在车载作用下产生较大的应力超过凝冰层的应变极限，达到让路面覆冰破碎融化的目的。弹性材料通常采用废弃的橡胶轮胎加工破碎成一定粒径和形状的颗粒，将一定量的橡胶颗粒以骨料的形式掺入沥青混合料中，并用特定的拌合方式制成。这种路面铺装概念在20世纪60年代由瑞典道路研究所提出，后来日本以其为参考铺筑了多条掺入橡胶颗粒的试验路段在北海道和本州，证实了这种措施能够提升路面抗滑性。接着又有学者发现掺入橡胶颗粒的粒径和掺量比例会直接影响沥青混合料的强度和耐久性，大量的学者相继展开了对自应力弹性路面除冰性能、路用性能、以及成型工艺上的研究（图2）。

自应力弹性路面在制作和使用上极具绿色环保意义，且造价及后期维护成本都相对较低。但是它只适用于薄冰覆盖的路面，当冰层厚度较大时，车载作用产生的应力达不到冰层的应变极限，就不能实现碎冰的目的。此外，这种技术目前仍处于探索研究阶段，对于其早期破坏严重、耐久性分析以及混合料的弹性模量与除冰能力的具体关系等问题都还有待解决。

2.2 化学类抗凝冰

由抗凝冰原理及对冰的黏附力影响的不同，可将化学类抗凝冰技术分为缓释型抗凝冰沥青混凝土铺装技术和疏水性涂层技术。

2.2.1 缓释型抗凝冰沥青混凝土

缓释型抗凝冰材料主要采用两种方式制备，一种是包覆型，借鉴农药、化肥包膜技术，采用有机或无极材料对盐化物进行包覆处理制备而成，Mafilon（MFL）就是其中代表。MFL是由日本学者在20世纪70年代对欧洲的首个防冻添加剂Verglimit（V-260）引进优化制成，制作工艺上就是将氯化钠采取特殊的加工方式包裹于火山岩中，由于MFL粒级与矿粉接近，可以代替部分矿粉掺入沥青混合料中。另一种是纤维型，即掺有盐化物的吸水性纤维，在路面抗凝冰上比较常使用的是聚酯纤维，它具有廉价、耐高温、分散性和结合性好的特点，作为添加剂注入沥青混合料空隙中还能增加沥青混合料的水稳定性。虽然制备方式不同，但是作用原理二者是一样的，都是在渗透与毛细作用下缓慢析出抗凝冰剂，降低路面冰点，达到路面主动抗凝冰目的。

缓释型抗凝冰材料在路面抗凝冰使用上卓有成效，并且作为外掺剂都不会破坏原路面结构，但是也存在一些弊端。虽然包裹或吸附材料都是绿色环保的，但是真正发挥融冰作用的仍是氯盐，在作用时其释放的氯离子量和浓度是不可控的，会对周边环境及路基结构造成负面影响。其次，在添加方式、配合比设计、路用性能、除冰长效性等研究上仍缺乏综合性定论。

2.2.2 疏水型涂层

疏水型抗凝冰涂层在航空航天和电力通信领域应用较为广泛，在道路抗凝冰应用上目前还处于探索阶段。它的设计灵感来源于荷叶表面的自清洁特性，人们以此为鉴研制成了具有憎水性微观结构的表面涂层材料，使水滴与涂层间的接触角大于150°，减少了接触面积，使得雨水在接触涂层时能快速滚落，延缓了冰晶在涂层上的形成时间。作为一种新型功能材料，具有良好的疏水、疏冰效果，在道路除冰应用上有较大的研究价值（图3）。

疏水型抗凝冰涂层具有施工方便、绿色环保的优点，但是在路面工程实际应用上仍存在许多问题。首先是它的投入成本较高，在制作及施工工艺上如何提升疏水、疏冰效果的同时降低综合成本，直接影响到其未来的推广使用;其次，作为一种牺牲型涂层，它在公路应用上的耐久性及长期适应性如何也是工程技术人员十分关心的问题。

2.3 能量转化类抗凝冰

2.3.1 循环流体加热法

循环流体加热是在路面结构下铺设水平管网，通过给管网供给热能加热路面，管内液体通常为丙三醇或乙二醇溶液等冰点较低的有机醇溶液。管网热源主要分为地热和非地热两类。地热源利用竖直管从地下热水、地热蒸汽或浅层土壤中汲取热能传送到路面水平管网上对地面进行加热。1948年美国俄勒冈州就率先利用地热井水作为热源论证了地热融雪技术的可行性。非地热源则是利用城市供水余热、煤气加热等来自地热外的热能加热循环管网中的流体。1994年美国在内加拉斯州铺筑了用天然气锅炉加热流体的融雪路面试验段，发现了较好的除冰雪效果，为之后热管加热除冰路面提供了参考。

接着，有学者提出了综合利用地热和非地热进行管网流体循環加热，即太阳能、地表热能与地热能联合运用形成热量环路加热路面，也称作道路集热蓄能热流体循环系统。它利用水平埋管将夏季强烈的太阳能辐射产生的热量收集蓄存地下，等到冬季通过地下垂直埋管提取土壤蓄集的热能加热流体，再用循环水泵将热流体送入路面加热管网为路面加热，达到融冰化学的目的。迄今为止，日本的Gaia（全自动路面集热蓄能循环热流体冰雪系统）系统以成功有效地运行了十余个低温季节。在2009年徐慧宁等在黑龙江大庆市修筑了太阳能-地热源热能耦合路面融雪试验路段，论证了这种融冰除雪技术在我国严寒地区运用的可行性（图4）。

流体循环加热法可再生能源利用率较高、温室气体排放少，系统运行时仅水泵需要消耗电能，在节能环保上具有突出优势，在欧洲、日本运用较多。但是，在管网的埋设过程中挖掘钻探量大，人力物力消耗多、投资大，后期对于管道的密封和防腐维修保护工作艰难。

2.3.2 电加热

电加热法即利用电力加热路面达到融冰化雪的目的，根据发热原件的不同主要分为电热丝法、导电混凝土法、磁能加热法等。

电热丝法是将电热膜、发热电缆等设备埋置在路面之下，将电能转化为热能融化路表冰雪。1961年美国学者首次采用了电缆加热路面，他们将电缆埋置于路表2 cm下，结果发现虽然融冰效果良好，但是大量电缆在车载作用下被拔出。此后，有诸多学者提出了多种方式铺设电缆，经过研究发现电缆移位情况有所好转，除冰能力也有保证，但是路面整体力学性能及长期使用性都还有待进一步验证。电热丝法除冰效果好、控制方便、不产生有害物质，在北美一些国家应用较多。但是，需要铺设在路面结构下，对于已建成的公路必须要挖开路面才能安装，并且安装后在车载作用下容易损坏，有效使用期不定，维护又十分困难，前期投入大，后期持续效益相对较低。

导电混凝土是在普通沥青混凝土中掺入一定量的钢渣、石墨、碳纤维等导电材料，使原来的绝缘路面转化为导体，再通过对路面通电提升温度融化冰雪。这种技术在20世纪30年代就已经被提出，20世纪60年代开始引起关注，之后许多技术人员对其展开了探索研究。首先他们便意识到钢屑等金属导体易被腐蚀，影响导电混凝土融冰性能，但很快人们又找到了非金属的碳质材料应用其中，发现其具有优良的导电性，但是导电混凝土的长期稳定性、路用性能、混合料配合比设计等都还需要进一步研究。

磁能加热即利用磁感应产生的涡流对铺设的钢筋等导体材料进行加热，实现路面融冰化学目的。具体来说，就是将一定参数的感应线圈缠绕在导体上，给线圈通入高频交变电流产生高频交变磁场，不断改变导体周边的磁通量，在导体的圆周方向产生感应电流，也就是涡流，涡流越强产生的热量就越大。陕西省交通建设集团在榆绥高速的一段桥梁路面铺设了磁能融雪装置进行试验，证明了磁能加热融雪装置的有效性和环保性，但相应的在道路投资上有所增加。总的来说，磁能加热技术具有加热效率高、电能消耗小、环保等优点。但是，电磁加热装置要铺设在混凝土面层下，不适用于已建成的道路，并且在安装后检查维修不易，建设投资较大。

2.3.3 热管加热

热管加热利用管内工作物质的相变循环将地热能传到路面融冰化学。通常分为三个工作段即蒸发段、绝热段和冷凝段，管内液体在地下蒸发段吸收土壤蓄积的热量，发生汽化并通过中间的绝热段流向位于路面面层内部的冷凝段，如此循环往复，不断将热量从蒸发段传递到冷凝段。20世纪60年代，美国学者率先提出了热管加热法，并铺筑试验路面验证了此种方法的可行性。接着美国怀俄明州将其应用于一条大纵坡道路中，用工程实践证明了热管加热法的有效性。基于此，越来越多的学者展开了热管工质、热源、施工结构等热管传热特性影响方面的研究（图5）。

热管加热法仅利用浅层地热资源就能实现路面融冰化雪，十分绿色环保。但是它对管材密闭性和耐腐蚀性要求高，在建成之后如果发生渗漏，维修将极其艰难，并且热管加热法更适用于未建设完成的道路，适应面受限。

2.3.4 微波除冰

微波除冰最开始是用在飞机机翼除冰上，也属于机械除冰。基本原理是使用波长为0.1 mm～1 m，频率为0.3～300 GHz的电磁波，利用路面冰层不吸收微波而道路材料要吸收，并通过吸收微波提升溫度，使路面与冰层间的粘结界面化开。一般而言，路面微波除冰机组包含发电机组、微波发生装置、碎冰装置、收集装置4部分。发电机组提供整个机组运行能量，微波发生装置加热路面，碎冰装置破碎分离的冰层，收集装置将碎冰去除。早在1987年美国就开展过微波路面除冰工作，并设计了初始微波除冰车，但由于效率低下，被迫中止。后来有学者提出在沥青混合料中掺入一定磁铁石来提高加热效率，试验效果显著，这种措施也成为了微波除冰中的关键之一（图6）。

微波加热的速度很快、加热效率高、加热均匀、即时控制性好，无废水、废气、废物、辐射遗留物产生，环境友好，安全无害。但是，也是由于微波的强劲穿透力，使得它加热深度大，严重减弱了除冰效率，制约了推广。目前，有一些研究机构提出可以在传统沥青路面中加入电磁材料，提升路面吸收微波效率，降低机组工作能耗。但是，路面微波除冰技术涉及多个学科，路面除冰是最终目的，路面加热是手段，机组结构与性能是基础。因此，微波吸收路面和微波除冰机组的统筹开发是十分必要且关键的。

3 结束语

低温天气路面的积雪结冰对行车安全有很大的负面影响，目前国内外采用的或是正处于研究阶段的除冰技术各有优劣。新技术固然更具有自动化、环保、高效的优势，但相应的也存在各种技术上困难，和施工条件的局限。并且大多除冰技术都是基于未建成的道路，要对已建成的道路施工则代价太大。未来对于路面除冰技术的发展会朝着主动智能、高效长久、绿色经济的需求继续前进，同时也要针对已建成的道路除冰进行研究，扩大应用范围。

四川省现阶段高速公路覆盖全域，跨域范围气候特征变化较大，要保证低温天气下公路交通的安全运营，必须坚持因地制宜、综合运用的原则。结合区域气候、地形特征及经济条件等情况，合理地选择高效、优质、低投入的道路融冰除雪技术去发展和推广。这样才有利于交通安全的提高，有助于社会的经济发展，有益于提升人民生活的幸福感，促进城市建设。

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