我國道路主動冰雪防治技術(shù)發(fā)展趨勢分析

洪 娜，李孔清，王 嘉，王丹鳳

(湖南科技大學(xué) 土木學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

1 抗凝冰路面

1.1 物理類抗凝冰路面

物理類抗凝冰路面主要是利用特殊路面構(gòu)造的力學(xué)性能破壞冰層，適合于無大量積雪的潮濕路段，如云貴川湘的山區(qū)路段。粗糙路面和彈性路面是兩種常見的實現(xiàn)形式。

粗糙路面是通過提高路面粗糙度，加深路面構(gòu)造深度，彌補暗冰對路面的影響，加速融化后冰水的排走，保證足夠的路表抗滑能力。粗糙路面不僅能在冬季緩解路面結(jié)冰，在平時還具有降低路面噪聲、減少路面陽光輻射的優(yōu)點。2008年，長安大學(xué)韓森教授使用露石混凝土技術(shù)在內(nèi)蒙古鋪了近10 km的粗糙路面，防冰效果良好，經(jīng)車輪壓后表面冰層容易破壞。但這項技術(shù)的產(chǎn)生時間較短，施工工藝尚未形成標(biāo)準(zhǔn)。另外，路表灰塵易在路面結(jié)構(gòu)中積存，造成粗糙路面表面間隙堵塞，影響雪水的排除。

彈性路面是指在路面鋪裝瀝青材料中添加或置換一定量的彈性材料，利用彈性材料與凝冰的剛性差異、彈性材料與其他路面材料和凝冰的粘結(jié)性差異，在車輛經(jīng)過時，彈性材料周圍產(chǎn)生集中應(yīng)力，使路面冰雪破碎融化。也可在普通瀝青路面鋪裝完成后，將彈性材料鑲嵌在道路表面形成彈性路面。國內(nèi)外常用的彈性材料多是由廢舊輪胎加工而成的橡膠顆粒，這為橡膠材料的回收利用提供了新的處理途徑。2003年，我國西部課題《橡膠顆粒路面應(yīng)用技術(shù)的研究》立項，對橡膠顆粒性質(zhì)、混合料的配比及成型、除冰雪性能等展開研究，并在新疆鋪裝一段300 m的試驗路段，防冰效果良好。2009年滬蓉西高速鋪裝了雙幅6 km的橡膠混凝土路面，為橡膠瀝青材料的改性機理、生產(chǎn)、施工提供了新的技術(shù)指導(dǎo)。近來有學(xué)者對橡膠路面進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在路面混合材料中添加舊混凝土、防凍劑能提高彈性路面的防冰效果。研究了橡膠顆粒粒徑、外界溫度、結(jié)冰厚度和負(fù)載對防冰效果的影響，為工程實踐提供了理論支持。

1.2 化學(xué)類抗凝冰路面

化學(xué)類抗凝冰技術(shù)是指在路面混合料中加入某種具有抗凝冰性能的化學(xué)物質(zhì)，在雨雪天氣抗凝冰物質(zhì)溶出，降低路面冰點，達(dá)到路面防凍和覆冰剝落的效果。根據(jù)抗凝冰材料不同的施工方式，可將路面分為填充型抗凝冰路面和抗凝冰涂層路面。

填充型抗凝冰路面是指將抗凝冰材料摻入到路面結(jié)構(gòu)中，在雨雪天氣析出，起到抗凝冰作用。常見的填充型抗凝冰材料有：Verglimit、Mafilon和Icebane。另外，我國研究者借鑒藥丸生產(chǎn)過程中的“薄膜包衣技術(shù)”自主研究出一種新型抗凝冰材料Iceguard，并在室內(nèi)外對其進(jìn)行了檢測，滿足道路使用要求，融雪效果明顯。自主制備了兩種包覆材料，通過室內(nèi)外實驗證明其路用性能和融雪抑冰性能與國外產(chǎn)品相當(dāng)。根據(jù)填充型抗凝冰材料的融雪抑冰機理，結(jié)合對Mafilon的研究，研發(fā)了一種適合我國實際情況的復(fù)合鹽分填充類抗凝冰材料，為抗凝冰材料在國內(nèi)的推廣做出了貢獻(xiàn)。填充型抗凝冰路面在國內(nèi)外成功應(yīng)用實例豐富，路面的鋪裝技術(shù)已發(fā)展成熟，短期的抗凝冰效果良好，但關(guān)于此項技術(shù)的一些理論研究還不夠充分，我們應(yīng)加強填充型抗凝冰材料的防冰機理分析和抗凝冰有效成分的改善，降低其應(yīng)用成本，減小鹽分對路面的損壞，延長其使用壽命。

抗凝冰涂層技術(shù)是指將抗凝冰材料與乳化瀝青處理形成抗凝冰瀝青膠漿，在結(jié)冰期來臨之前以涂層的形式刷在路面，來年視磨損情況再次涂刷。以硅藻土/氯化鹽為原料，制備了一種新型鹽分填充材料，并將顆粒與瀝青材料混合形成抗凝冰瀝青膠漿復(fù)合材料，提高瀝青混合料的綜合性能的同時解決了路面結(jié)冰問題。抗凝冰涂層技術(shù)施工簡單靈活，成本低，不破壞路面原始結(jié)構(gòu)，具有很好的應(yīng)用前景。2010年重慶鵬方路面工程技術(shù)研究院噴灑抗凝冰涂料技術(shù)的成功研發(fā)，加速了我國抗凝冰路面的發(fā)展。另外，防冰涂料在風(fēng)力發(fā)電、戶外輸電設(shè)施、航空等領(lǐng)域均有研究和應(yīng)用，我們可以引用借鑒。

2 自動噴淋防冰雪技術(shù)

自動噴淋系統(tǒng)主要由路面信息系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個部分組成。路面信息系統(tǒng)監(jiān)測道路和氣象參數(shù)的變化，控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在冰雪降臨前，系統(tǒng)自動噴灑防冰劑，并對路面情況進(jìn)行及時監(jiān)控，調(diào)節(jié)防冰劑的噴灑量和噴灑時間，達(dá)到預(yù)防道路積雪結(jié)冰的目的。

自動噴淋防冰雪技術(shù)在歐美等國已發(fā)展了30多年，顯示出了良好的應(yīng)用效果，為我國這項技術(shù)的發(fā)展提供了許多經(jīng)驗。為引進(jìn)自動噴淋防冰雪技術(shù)，2013年，湖南兩架高速特大橋作為試點工程，安裝了自主研發(fā)的橋梁自動防冰雪系統(tǒng)。在冰雪天氣提前開啟系統(tǒng)的情況下，橋面未出現(xiàn)結(jié)冰，冰雪開始后開啟系統(tǒng)，系統(tǒng)除冰效果明顯。與傳統(tǒng)人工拋灑除冰劑相比，自動噴淋系統(tǒng)噴灑更均勻，能顯著減少除冰劑的用量，減少對路面結(jié)構(gòu)造成的腐蝕，降低道路的養(yǎng)護(hù)成本。但自動噴淋防冰雪系統(tǒng)的設(shè)計、安裝復(fù)雜，需定期對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，初期投資高。因此我們在建設(shè)自動噴淋系統(tǒng)時應(yīng)簡化安裝步驟和維護(hù)需求，完善自動化技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性，降低運行成本。

為提高噴淋系統(tǒng)的使用效率，在非除冰防冰季節(jié)也可以充分利用噴淋系統(tǒng)，與城市供水系統(tǒng)聯(lián)合，平時可做道路除塵、綠化灌溉，夏季進(jìn)行路面降溫，緊急情況下配合消防滅火。為提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能，除冰劑可以閉路循環(huán)使用，提高除冰劑的使用效率，降低其對道路環(huán)境的影響。

3 熱力融雪除(防)冰技術(shù)

熱力融雪除(防)冰技術(shù)是利用外界熱源加熱路面，使路面溫度高于0 ℃，從而減少路面積雪結(jié)冰時間。根據(jù)加熱源的不同，可以分為電纜加熱、地?zé)?、太陽能加熱等?/p>

3.1 發(fā)熱電纜融雪除(防)冰技術(shù)

發(fā)熱電纜融雪除(防)冰技術(shù)是指在路面下鋪裝發(fā)熱電纜或者電熱材料，以電力為能源，將電能轉(zhuǎn)換成熱能，加熱路面，預(yù)防道路積雪結(jié)冰或及時清除道路已有冰雪。

在歐美等緯度較高的國家，發(fā)熱電纜的生產(chǎn)、安裝和技術(shù)研究已相當(dāng)成熟，使用范圍也很廣泛，包括室外融雪化冰、地暖、管道伴熱系統(tǒng)等。美國1961年首次將這項技術(shù)應(yīng)用到道路融雪除(防)冰中，與自動控制系統(tǒng)相結(jié)合，取得了不錯的路面融冰雪效果。我國2006年首次在哈爾濱文昌大橋匝道部分引進(jìn)“電加熱溫控融雪技術(shù)”，電纜鋪設(shè)面積達(dá)1 700 m2。該項目采用的是傳統(tǒng)發(fā)熱電纜，系統(tǒng)能耗大，設(shè)備安裝要求高。碳纖維發(fā)熱線是比傳統(tǒng)發(fā)熱電纜的性能更加優(yōu)良的新型發(fā)熱材料，具有熱轉(zhuǎn)化效率高、對混凝土本體結(jié)構(gòu)影響小、價格便宜、使用壽命高等優(yōu)點，更加適合于道路融雪除(防)冰技術(shù)。烏阿高速福海漁場收費站、蘭海高速貴遵段采用碳纖維發(fā)熱電纜進(jìn)行路面融雪除(防)冰，取得了不錯的發(fā)熱效果，為我國碳纖維發(fā)熱電纜的鋪設(shè)提供了許多經(jīng)驗。

目前，我國關(guān)于發(fā)熱電纜的探索主要集中在室內(nèi)實驗和理論研究。通過實驗和有限元數(shù)值分析方法，對路表溫度分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的升溫規(guī)律進(jìn)行了研究，總結(jié)了發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)的熱工性質(zhì)和基本規(guī)律，為發(fā)熱電纜的鋪裝功率設(shè)計、施工和運行提供了必要的理論指導(dǎo)。根據(jù)熱傳導(dǎo)的計算方法，建立了道路發(fā)熱電纜除冰系統(tǒng)的傳熱模型，使用有限元分析軟件對其進(jìn)行數(shù)值求解，并根據(jù)實際情況模擬了道路表面的溫升情況，得到北京地區(qū)的發(fā)熱電纜鋪裝功率的使用范圍，為發(fā)熱電纜融雪除(防)冰技術(shù)提供實際指導(dǎo)。在室內(nèi)模擬自然環(huán)境條件下研究了影響發(fā)熱電纜融冰效果的因素，得出電纜鋪裝間距與融冰時間的規(guī)律。提出將路面發(fā)熱電纜融雪除(防)冰技術(shù)與路面凝冰預(yù)警技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)路面智能化融冰雪，為智能化道路冰雪防治類似工程提供參考和借鑒。

3.2 流體循環(huán)加熱法

流體循環(huán)加熱道路融雪除(防)冰技術(shù)是指將管道鋪裝在路面結(jié)構(gòu)中，熱流體經(jīng)過管道時釋放熱量，使路面溫度保持在一定范圍內(nèi)防止道路結(jié)冰或者融化道路冰雪。加熱源常有地?zé)?、溫泉水、太陽能、天然氣、城市余熱等?/p>

流體循環(huán)加熱技術(shù)在國際上以北歐、日本和美國等國為代表。美國在1948年在俄勒岡州應(yīng)用這項技術(shù)，之后弗吉尼亞交通部采用丙烷為熱源，加熱丙烯乙二醇和水混合液，結(jié)合熱管為一座長約35 m，寬約13 m的橋梁供熱，熱管的工質(zhì)為氟利昂。1995年，日本建立了首例全自動路面集熱蓄能熱流體融雪化冰試驗系統(tǒng)，研究地下蓄能和道路融雪的時變規(guī)律和太陽能利用問題。到2005年日本已安裝超過25套地?zé)崃黧w循環(huán)加熱融雪除(防)冰系統(tǒng)。瑞士在8#公路以太陽能為熱源進(jìn)行了流體循環(huán)加熱融冰雪試驗，該項目將夏季橋面因太陽輻射產(chǎn)生的熱量收集并儲存在地下蓄熱池，冬季利用儲存的熱量加熱橋面防止結(jié)冰。

國外大量的實踐和研究指出，流體循環(huán)加熱道路融雪除(防)冰是一項極具發(fā)展前景的技術(shù)，可以因地制宜的利用可再生資源，或者和樓宇空調(diào)、城市供熱相結(jié)合，節(jié)能功效明顯，便于實現(xiàn)自動化處理。我國關(guān)于這方面的研究還處于起步階段，由于成本較高，尚未實際推廣，但在理論研究上取得了一些不錯的研究成果，這對我國流體循環(huán)加熱道路防融冰技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。目前我國對流體循環(huán)加熱道路融雪化冰技術(shù)研究主要包括：道路表面溫度的變化規(guī)律、不同埋管方式對路面溫度分布特性的影響、融化雪水對路面溫度場的影響、系統(tǒng)加熱負(fù)荷的探討。

3.3 導(dǎo)電混凝土技術(shù)

導(dǎo)電混凝土技術(shù)是指在路面材料中加入導(dǎo)電物質(zhì)，提高混凝土的導(dǎo)電性能，在通過電流時，利用其熱效應(yīng)加熱道路，達(dá)到預(yù)防或融化冰雪目的。常用的導(dǎo)電物質(zhì)有：石墨、碳纖維、鋼纖維、炭黑等。

由于導(dǎo)電混凝土既具有導(dǎo)電性，又具有混凝土的性能，在許多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。研究者對現(xiàn)有的道路融雪防冰技術(shù)進(jìn)行了綜合對比調(diào)查，指出導(dǎo)電混凝土道路融雪除冰在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上都很有效，并對鋼屑、鋼纖維、石墨等不同種類的導(dǎo)電混凝土展開了研究，將導(dǎo)電混凝土技術(shù)首次應(yīng)用到實際路面除冰工程中，即美國Roca Spur橋。Roca Spur橋于2003年開通，之后對其導(dǎo)電混凝土層進(jìn)行了5年的監(jiān)測，數(shù)據(jù)顯示橋梁導(dǎo)電層的電阻率變化小，電阻穩(wěn)定。

我國于20世紀(jì)80年代開始開展對導(dǎo)電混凝土的研究，經(jīng)過30來年的發(fā)展，導(dǎo)電混凝土的配置技術(shù)已發(fā)展得相對成熟，并初步應(yīng)用于電站、地板采暖等實際工程中，但導(dǎo)電混凝土道路融雪除(防)冰仍處于理論研究和室內(nèi)實驗階段。實驗和實際工程發(fā)現(xiàn)，多相復(fù)合導(dǎo)電混凝土的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和耐久性比單相導(dǎo)電混凝土的性能更加優(yōu)越。在導(dǎo)電混凝土技術(shù)在工程實際推廣中，也發(fā)現(xiàn)一些問題，如：混凝土導(dǎo)電性能的影響因素以及導(dǎo)電性在實際環(huán)境中的變化規(guī)律、導(dǎo)電過程中電子遷移對鋼筋混凝土耐久性的影響等。因此，我們應(yīng)加強導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)理論性研究，為該技術(shù)的長久發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與建議

冬季道路養(yǎng)護(hù)是交通運輸?shù)囊粋€重點問題，我國道路冰雪防治技術(shù)還處于不斷探索過程中。融雪劑和機械除冰雪是我國道路冰雪防護(hù)的主要方法，道路主動冰雪防治技術(shù)應(yīng)用尚少，處于實驗研究階段。傳統(tǒng)融雪劑的大量使用對道路結(jié)構(gòu)和環(huán)境造成了很大的壓力，環(huán)保型融雪劑的研發(fā)和推廣是一個必然趨勢，有關(guān)部門應(yīng)建立健全融雪劑的使用規(guī)范，為融雪劑的合理使用提供指導(dǎo)?？鼓访妗⒅悄車娏芊辣到y(tǒng)和熱力融雪除(防)冰這類環(huán)保型、高成本的主動冰雪防治技術(shù)實際應(yīng)用較少，我們應(yīng)加強理論研究，開發(fā)通用型的工程設(shè)計軟件，推動主動融雪除(防)冰技術(shù)的發(fā)展。熱力融雪除(防)冰技術(shù)是適用范圍廣，運行維護(hù)簡單，效果明顯，我們應(yīng)理論研究和實驗研究同步發(fā)展，提出實用的設(shè)計方法，為具體實踐提供服務(wù)。主動融雪除(防)冰技術(shù)的成功實施離不開道路環(huán)境監(jiān)測，將濕度、溫度等與冰雪防治相關(guān)的參數(shù)納入道路交通檢測中，或者將道路冰雪監(jiān)控系統(tǒng)與天氣預(yù)報系統(tǒng)相結(jié)合，能夠為主動融雪除(防)冰系統(tǒng)設(shè)計提供很大的便利。我國道路冰雪防治研究起步晚，理論實踐要跟蹤世界前沿水平，通過探索道路防融冰的基礎(chǔ)理論，指導(dǎo)工程應(yīng)用，推動我國道路防融冰技術(shù)的發(fā)展。

[1] 賀先訪. 自應(yīng)力彈性瀝青混合料路面除冰效果研究[J].山西建筑,2016，46(3):142-144.

[2] 彭磊.自融雪瀝青路面外加劑制備與運用研究[D].長安大學(xué)，2013.

[3] 熊巍, 羅增杰, 周大華,等. 瀝青路面用防冰材料的研制及試驗研究[J]. 公路與汽運, 2013(4):117-119.