電熱融化法在瀝青路面冬季除雪融冰中的應用

鄭家麒

(長安大學公路學院，陜西西安 710000)

0 引言

隨著我國高等級公路的迅猛發(fā)展，公路通行范圍逐步擴大，公路運輸在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著越來越重要的地位。然而每年冬季寒冷時期，我國北方經(jīng)常出現(xiàn)大范圍降雪，南方也時有凍雨發(fā)生，由此造成的高速公路、機場道路的封鎖給交通的正常運行造成很大影響。因此，研究路面的初雪融冰技術具有重要的現(xiàn)實意義。

目前的初雪融冰方法包括機械除雪法、化學除雪法和加熱融化法。其中，機械除雪法效率較高，適合大面積作業(yè)，但清除不徹底，機械使用率低，經(jīng)濟效益低下;化學除雪法成本低，見效快，但用于融雪的試劑會使路面剝落破壞、鋼筋纖維銹蝕，縮短其使用壽命，并且化學試劑擴散至水體和土壤中易造成環(huán)境污染［1］;加熱融雪法效果好，無污染，且可以實時除雪，除雪過程不影響交通通行。電能是熱融法的一種主要能量來源。目前瀝青混凝土廣泛應用于高速公路路面、機場跑道和橋面鋪裝，因此研究電熱融化法在瀝青路面除雪融冰中的應用有著廣闊的發(fā)展前景。

1 電纜加熱法

電纜加熱法是一種以電能為能量來源、以電纜為加熱體的路面加熱技術。利用發(fā)熱電纜進行融雪化冰可以保證熱量，是一種安全、有效的融雪化冰手段［2］。發(fā)熱電纜在一些北歐國家已用于路面融雪除冰，但對工程應用中一些主要的問題(包括如何進行實際工程設計)沒有見到有關的標準和詳細報道［3］。國內(nèi)該項技術的應用研究剛剛起步。

北京工業(yè)大學的武海琴［3］對發(fā)熱電纜融雪除冰方法進行了系統(tǒng)的研究，包括融雪試驗研究、原理分析、功率設計、經(jīng)濟性分析等。結果表明，鋪裝功率為270W/m2時，可以滿足實時融雪要求且效果良好。北京工業(yè)大學的李炎鋒等［4］人對發(fā)熱電纜用于路面除雪化冰進行了試驗研究。按照公路材質和工藝制作發(fā)熱電纜融雪化冰實驗試件，先將底層和中層夯壓成型，再鋪設電纜，最后將表面層成型。試驗表明，在北京的氣象條件下，采用單位面積250W～350W的發(fā)熱電纜鋪裝功率可滿足一般情況下的融雪化冰要求。

在我國，電纜加熱法有初步的嘗試運用［5］。2007年哈爾濱文昌高架橋首次應用電纜加熱法除雪融冰。文昌高架橋由于地形因素，設計坡度較大，冬季冰雪天氣汽車爬坡困難。為此，工程建設人員在高架橋匝道上坡橋部分采用了從丹麥引進的電加熱人工溫控融雪技術，用32 000延長米的加熱電纜鋪設了面積為1 760 m2的電加熱人工溫控融雪路面。出現(xiàn)降雪時，管理人員打開融雪開關，使地下電纜通電升溫，融化橋面落雪。

2 導電路面法

通過在路面鋪裝材料中摻入導電相摻合料，使高絕緣性的路面鋪裝材料具備熱和電的感知及轉換能力，這種方法制得的路面稱為導電路面。當與外部電源連通后，導電路面由于電熱作用加熱升溫，當溫度達到0℃以上時路面冰雪便開始融化。導電瀝青路面有多方面的應用，除加熱融雪除冰以外，還有路面荷載檢測、路面溫度檢測、路面病害檢測等。

導電瀝青混凝土應用于路面融雪除冰的好處在于:路面加熱速率由加熱電功率和外界溫度決定，可通過調(diào)節(jié)導電功率使路面的溫度維持在適當?shù)姆秶鷥?nèi);與電纜加熱法、熱循環(huán)法不同的是，導電瀝青混凝土自身即為導電材料，整體性好，在車輛荷載、冷熱交替的情況下不會出現(xiàn)不同材料間相互脫離、電纜或熱流循環(huán)管損壞的情況;導電相摻料在制備瀝青混合料的過程中加入拌勻，施工相對容易簡便。

目前研究中用到的導電摻料有石墨、碳纖維、炭黑、鋼纖維、鋼屑等。這幾種導電摻料各具優(yōu)缺點:石墨導電性改善效果較好，但對于瀝青混合料有潤滑作用，會導致路用性能的下降;碳纖維可改善路用性能，但當摻量較多時，易纏繞成團，阻止電阻率的進一步降低;炭黑吸油性強，不宜大量使用;鋼纖維同樣具有給瀝青混合料“加筋”的作用，在瀝青混凝土中需要考慮防止銹蝕問題。武漢理工大學的丁慶軍等［6］人對導電瀝青路面進行了研究，發(fā)現(xiàn)摻入石墨可有效減小瀝青混合料的電阻率，并解釋了導電瀝青混合料的導電機理。長沙理工大學的馮新軍等［7］人對聚丙烯腈(PAN)基碳纖維導電瀝青混凝土的制備及性能進行了研究，根據(jù)電阻率確定了短切碳纖維的最佳長度，根據(jù)導電性能、路用性能確定碳纖維的最佳摻量。

矮寨特大橋的建設過程中提出［8］電發(fā)熱瀝青混凝土解決橋面融雪除冰問題的方案，設計了網(wǎng)格狀的預埋電極，室外試驗表明具有良好升溫、融雪效果，在通電20 min～40 min時融雪效果開始顯著，隨著通電時間的延長，融雪趨于徹底。

3 結語

1)采用電熱融雪法清除冬季道路積雪可以避免融雪劑所產(chǎn)生的環(huán)境污染、路面及橋梁鋼筋銹蝕等不利影響，并可以實現(xiàn)不封閉道路即時融雪，具有廣闊的應用前景。

2)電纜加熱法要求路面結構有一定變化，并且瀝青混合料與電纜的彈性模量、熱膨脹系數(shù)不同，應當注意避免這兩方面產(chǎn)生的不利影響。導電路面法具有整體性好的優(yōu)點，但導電摻料的加入對路面材料配合比產(chǎn)生影響，在實際應用中應注意保證混合料的路用性能。

3)不同于其他融雪除冰方法，電熱融雪法提高了路面的溫度。急劇降溫會導致瀝青路面產(chǎn)生裂縫，可以在溫度急劇降低的情況下，利用電熱法提高路面溫度，防止路面裂縫的產(chǎn)生。

4)目前所采用的導電摻料都存在一些不足之處:石墨有潤滑性，炭黑有吸油性，碳纖維易纏繞成團。這些不足限制了導電摻料在混凝土中的應用。新的導電摻料的研究可能會成為未來的一個研究方向。

5)由于路面結構、路面材料的變化，這兩種路面的施工過程應充分考慮到結構或材料的特點，保證導電路面的路面壓實度和導電性能、路用性能的穩(wěn)定性。

6)由于電熱融雪法需要將路面冰雪全部融化，并考慮到在寒冷的外界環(huán)境中熱量的散失，這種方法耗能較多，目前僅可考慮用于轉彎處、橋面、隧道洞口等關鍵路段。應當進一步研究提高電熱融雪法的能量利用率。

7)電熱融雪法需要在電極間施加電壓，加之融雪后路面出現(xiàn)融水，容易產(chǎn)生安全問題，應當充分考慮。尤其是在長期使用條件下，應當充分考慮通電的安全性。

8)融化松散積雪比融化壓實雪層耗能少，速度快，而且融化后的水可以迅速蒸發(fā)或排走。因此，在實際工程中可以采用實時融雪，根據(jù)降雪強度設定電功率，并根據(jù)天氣預報在降雪前給道路預熱。

［1］ 駱 虹，羅立斌，張 晶.融雪劑對環(huán)境的影響及對策［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2004，20(1):55-57.

［2］ RAFFERTY N R，BAEN P，BROWN D O.Considerations for application ofmineral insulated electrical resistance heating cable［C］//Proceedings of IEEE Industry Application Society the 52nd Annual Petroleum and Chemical Industry Conference，Denver，Colorado，USA，12-14 Sept.2005.Upper Saddle River，N.J:Prentice-Hall，2005:103-111.

［3］ 武海琴.發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰的技術研究［D］.北京:北京工業(yè)大學建筑工程學院，2005.

［4］ 李炎鋒，武海琴，王貫明，等.發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰的實驗研究［J］.北京工業(yè)大學學報，2006，32(3):52-54.

［5］ 楊 潔，李海濤，史鳳賢，等.電熱法除路面冰雪技術探討［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術，2009，5(5):11-12.

［6］ 丁慶軍，吳學偉，劉新權，等.摻石墨導電SMA的電學性能［J］.建筑材料學報，2009，12(1):22-23.

［7］ 馮新軍，查旭東，程 景.PAN基碳纖維導電瀝青混凝土的制備及性能［J］.中國公路學報，2012，25(2):15-17.

［8］ 張永健，袁玉卿，楊 玲.矮寨特大橋融雪防冰電發(fā)熱瀝青混凝土試驗研究［J］.中外公路，2011，31(6):29-32.