路面除冰方法綜述

楊朝暉，常曉峰,，趙 悅，李新建

(1. 阿拉斯加大學(xué) 安克雷奇分校，阿拉斯加州 安克雷奇 99508；2. 黑龍江大學(xué) a.寒區(qū)地下水研究所；b.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

在寒冷地區(qū)特別是暴風(fēng)雪多發(fā)的時(shí)期，城市街道和高速公路的冬季維護(hù)，對(duì)行人、汽車(chē)司機(jī)以及公共交通安全至關(guān)重要。Hansen B B等[1]預(yù)測(cè)，全球變暖會(huì)導(dǎo)致冬季變得更溫暖潮濕，北極地區(qū)路面結(jié)冰情況增加，從而增加北極地區(qū)冬季對(duì)于路面的維護(hù)成本。Shi X M等[2]對(duì)高速公路在極端低溫狀態(tài)下的冬季維護(hù)作業(yè)進(jìn)行了介紹。但目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于十字路口和人行道的冬季維護(hù)相關(guān)研究十分有限[3]。

1 現(xiàn)有路面除冰方法綜述

傳統(tǒng)的路面除冰方法有機(jī)械法、化學(xué)法和加熱法。本節(jié)對(duì)這些方法進(jìn)行全面的回顧，著重介紹新興的除冰技術(shù)。

1.1 機(jī)械與化學(xué)除冰法

在機(jī)械除冰中，常使用大型設(shè)備和車(chē)輛來(lái)鏟刮路面上的冰雪。由于雇用設(shè)備操作人員的費(fèi)用較高，使得機(jī)械除冰總費(fèi)用較高。用鐵鍬或吹雪機(jī)清除壓實(shí)的冰雪并非容易的工作，因?yàn)楸吐访嬷g的黏結(jié)很牢固?；瘜W(xué)法則可以通過(guò)融化冰雪來(lái)解決冰與路面的黏結(jié)問(wèn)題[4]。此后，道路除冰通常是通過(guò)機(jī)械與化學(xué)方法結(jié)合完成。將鹽與沙和碎石混合，用掃雪車(chē)或者自卸卡車(chē)鋪在路面上。路面上的冰因?yàn)榕c鹽結(jié)合而融化，然后用除冰車(chē)將其清除。氯化鈉、氯化鎂和氯化鈣等氯化物鹽是除冰最常用的化學(xué)品，既便宜又有效[5]。然而，這些氯化物鹽會(huì)腐蝕車(chē)輛和混凝土中的鋼筋，并污染環(huán)境[6-9]。

為了減少對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，一些復(fù)雜的化學(xué)溶液被投入使用[10-11]。近年來(lái)，醋酸酯基除冰劑如醋酸鉀，醋酸鈣鎂，醋酸鈣鎂鉀被優(yōu)先考慮作為除冰劑，它們分解更快，不含氯。然而，醋酸酯會(huì)降低混凝土和瀝青路面的耐久性，而且成本較高[2,12-15]。醋酸鈣鎂(CMA)對(duì)鋼筋無(wú)腐蝕性，但需要用大卡車(chē)運(yùn)輸，而且比鹽的效率低，適用溫度范圍較小[13,16]。

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)副產(chǎn)品產(chǎn)生的一些有機(jī)化合物，如提煉甜菜、生產(chǎn)乙醇的蒸餾過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，也被用于冰雪融化[17]。這些有機(jī)化合物與其他氯化物(如氯化鎂)混合后，能更長(zhǎng)時(shí)間的留在道路上。此外，將普通巖鹽與某些有機(jī)化合物和氯化鎂混合，可以在溫度較低(如-34 ℃)的情況下有效地將融冰材料鋪開(kāi)，同時(shí)也更能長(zhǎng)時(shí)間的停留在路面上。但與氯化物混合的有機(jī)化合物會(huì)危害環(huán)境，而且成本高昂。值得一提的是，尿素是一種可溶性氮化物，由于其腐蝕性較低，常用于機(jī)場(chǎng)路面除冰[18-19]。

1.2 加熱法

為了控制斜坡和橋面上的雪和冰的形成，目前已有許多可使用的加熱除冰的方法。Yehia S等[20]對(duì)過(guò)去30 a道路除與防凍方法的文獻(xiàn)作匯總。根據(jù)加熱元件的安裝方式，加熱法分為內(nèi)部加熱和外部加熱兩類(lèi)。

1.2.1 內(nèi)部加熱路面除冰

1.2.1.1 地源熱管

1970年，聯(lián)邦公路管理局(FHWA)費(fèi)爾班克斯公路研究站[21]的Dynatherm公司進(jìn)行了地面熱管的初步實(shí)驗(yàn)。1975年，Long D C等[22]在西弗吉尼亞州橡樹(shù)山的一個(gè)高速公路坡道上，用由1 213根長(zhǎng)18 m的埋在地下的熱管組成的加熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在除了有低吹雪發(fā)生的時(shí)候，該加熱系統(tǒng)都能很好的防止冰雪積聚。在這種情況下，現(xiàn)場(chǎng)地面溫度平均為13 ℃左右。1981年，在懷俄明州的Laramie，一個(gè)重力式加熱管系統(tǒng)被運(yùn)用在橋面上，該系統(tǒng)使用了一個(gè)管中管地?zé)峤粨Q器[23]。該系統(tǒng)使用現(xiàn)場(chǎng)組裝的熱管從地下30 m高的垂直蒸發(fā)器中傳遞能量。結(jié)果表明:在運(yùn)行過(guò)程中，受熱面比未受熱面溫度高約2～14 ℃，這能在第一時(shí)間防止橋面凍結(jié)，并有利于雪的融化。主要缺點(diǎn)是加熱管的組裝比較復(fù)雜，鉆孔和灌漿占總成本的40%。Zenewitz J A[24]描述了俄勒岡州利用地?zé)豳Y源控制冰雪的另一個(gè)例子：在橋面上安裝了一個(gè)含有防凍液的銅管的熱水加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)由地?zé)嵩醇訜?，安裝在長(zhǎng)度約為122 m的加固混凝土路面上，以保持橋面不結(jié)冰。

1.2.1.2 熱流體熱管

1993年，內(nèi)布拉斯加州林肯市的一處混凝土人行天橋內(nèi)嵌了由燃?xì)忮仩t加熱的含有防凍液的橡膠軟管[25]。該系統(tǒng)的安裝成本為161 $·m-2(以下數(shù)據(jù)如無(wú)特別說(shuō)明，均以$計(jì)算)，每次暴風(fēng)雪可融化76 mm厚的雪，成本約為250 $。1996年，弗吉尼亞州阿默斯特的布法羅河大橋安裝了一個(gè)由鋼管組成的加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)燃燒丙烷產(chǎn)生氟利昂，并加熱至149 ℃。該系統(tǒng)利用蒸發(fā)的氟利昂冷凝時(shí)釋放的潛熱進(jìn)行除冰，運(yùn)行成本約為1 000 $·a-1。類(lèi)似的液體循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)在俄亥俄州、俄勒岡州、賓夕法尼亞州、南達(dá)科他州和德克薩斯州安裝。如今，由嵌入波特蘭水泥混凝土(PCC)路面的塑料管道和經(jīng)燃?xì)饣蛉加湾仩t加熱的乙二醇組成的液體循環(huán)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于阿拉斯加的安克雷奇(如安克雷奇市中心十字路口和人行道)和其他寒冷地區(qū)的除冰和防冰[26]。然而，在流體循環(huán)系統(tǒng)中，供熱流體泄漏是常見(jiàn)的問(wèn)題。此外，這種系統(tǒng)需要較大的空間來(lái)安裝鍋爐。

1.2.1.3 太陽(yáng)能熱管

Zhao H M等[27]提到了在日本使用太陽(yáng)能除冰系統(tǒng)。在溫度較高的夏季，由水泵從路面收集太陽(yáng)能，并通過(guò)埋入人行道的水平和垂直管道儲(chǔ)存在地下。在冬季，水泵通過(guò)管道將溫水帶到路面上除冰。在這個(gè)系統(tǒng)中，只有水泵消耗電能。用于除冰的能量來(lái)自太陽(yáng)輻射和地?zé)釤嵩础?/p>

文獻(xiàn)[28-30]提到了一個(gè)類(lèi)似的系統(tǒng)，利用導(dǎo)熱瀝青混凝土(AC)材料制作而成的瀝青太陽(yáng)能收集器。當(dāng)時(shí)的想法是在瀝青混凝土混合物中加入石墨粉等導(dǎo)熱填料[31]，以提高其導(dǎo)熱性，有助于在夏季通過(guò)嵌入在瀝青中的銅管中的循環(huán)水收集太陽(yáng)能輻射能量。這些熱水被儲(chǔ)存在地下，以便冬天融化冰雪。循環(huán)流體還可以幫助冷卻瀝青混凝土，從而減少其由于夏季高溫導(dǎo)致永久變形的風(fēng)險(xiǎn)，這樣的系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，在夏天用來(lái)收集太陽(yáng)能，在冬天融化冰雪。這種系統(tǒng)利用可再生能源，對(duì)環(huán)境友好。然而，沒(méi)有例如地?zé)岬绕渌茉吹呐浜?，由于?chǔ)存的水的溫度不是很高，融化過(guò)程是相當(dāng)緩慢的。它也包含了液體循環(huán)系統(tǒng)的所有缺點(diǎn)，例如維護(hù)成本高、路面易出現(xiàn)裂縫和變形、需要大型地下儲(chǔ)水等。

1.2.1.4 電熱電纜

1961年，在新澤西州紐瓦克市的一座高速公路吊橋的入口和橋面上安裝了電熱電纜來(lái)清除路面冰雪。在橋面上的功率密度為378 W·m-2，在路面上功率密度為430 W·m-2[4]。電流產(chǎn)生的熱量1 h可融化一層25 mm厚的雪。然而，由于路面的交通負(fù)荷，電纜從瀝青混凝土(AC)覆蓋層中拔出，該方法后來(lái)被放棄。1964年，在新澤西Teterboro也安裝了一個(gè)類(lèi)似的系統(tǒng)，在兩個(gè)斜坡和一個(gè)橋面上。該系統(tǒng)的除冰效果良好，功率密度約為375 W·m-2，年運(yùn)行成本約為5 $·m-2[9]。后來(lái)，美國(guó)的內(nèi)布拉斯加州、俄亥俄州、俄勒岡州、賓夕法尼亞州、南達(dá)科他州、得克薩斯州和西弗吉尼亞州都安裝了類(lèi)似的除雪系統(tǒng)。

1.2.1.5 碳纖維電熱絲

碳纖維絲被用作除冰的加熱元件。Zhao H M等[27,32]將碳纖維電熱絲嵌入PCC板中進(jìn)行路面除冰研究。尺寸大小為1 m×2 m×0.25 m的板，采用了C40 PCC混凝土澆筑。將碳纖維電熱絲縱向纏繞在鋼筋網(wǎng)上，每根鋼筋的間距為100 mm，功率密度為500 ～ 800 W·m-2，每次暴風(fēng)雪發(fā)生時(shí)的運(yùn)行成本為0.375 ～ 2.8 $·m-2。Xiang D S[33]申請(qǐng)了一項(xiàng)碳電熱絲應(yīng)用于AC瀝青路面除冰的專(zhuān)利。在空調(diào)層中嵌入碳纖維加熱絲，從而產(chǎn)生融化冰雪的熱量，此前并沒(méi)有AC瀝青路面除冰的相關(guān)研究。Liu Y等[34]報(bào)道了關(guān)于碳纖維電熱絲融雪性能的大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，將尺寸為4.6 m×4.6 m×0.4 m的PCC板采用碳纖維網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)和48 k碳纖維電熱絲相拼接，并埋于路面下5 cm處。加熱線間距為10 cm，功率密度為350 W·m-2。

該方法安裝方便，可與鋼筋網(wǎng)結(jié)合使用。但關(guān)鍵問(wèn)題在于，熱動(dòng)力在路面內(nèi)部分布不均勻，產(chǎn)生溫度梯度和熱應(yīng)力，從而可能產(chǎn)生熱裂縫。此外，纏繞在鋼筋上的保溫碳發(fā)熱絲對(duì)鋼筋—PCC板路面和路面結(jié)構(gòu)功能的影響尚不清楚。如果單獨(dú)安裝在AC瀝青路面上，由于路面上的交通負(fù)荷，電熱絲就像金屬電熱絲一樣暴露在AC瀝青路面外[4]。

1.2.1.6 磁性融雪設(shè)備

Zhang D S等[35]描述了一種非常有趣的融雪方法，利用嵌入路面的磁加熱裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)高速公路路面除冰。磁加熱裝置利用了磁熱效應(yīng)，即當(dāng)某些鐵磁或鐵磁材料暴露在變化的磁場(chǎng)中時(shí)，其溫度會(huì)發(fā)生變化。該方法具有操作簡(jiǎn)單、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，有加熱裝置的路段融化雪的速度要比沒(méi)有裝置的路段快得多。但是，第一天落下的雪直到第三天才能完全融化。

1.2.1.7 碳納米纖維聚合物片材(CNFP)和石墨—PET片材

Li H等[36]報(bào)道了一種由碳納米纖維聚合物熱源和多壁碳納米管(MWCNT)水泥基導(dǎo)熱復(fù)合材料組成的新型除冰系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用氮化鋁(AlN)陶瓷晶片制成的隔熱基板，以提高能源效率。在有限規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，功率密度為600 ～ 1800 W·m-2，融雪性能非常出色。然而，碳納米纖維聚合物作為熱源，價(jià)格昂貴，力學(xué)性能差。該系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，距離大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。最近，Zhang Q Q等[37]開(kāi)發(fā)了一種薄的、柔韌的、夾有聚酯嵌件(PET)加熱元件的石墨層合板。用一層防水膜來(lái)保護(hù)加熱元件。這種類(lèi)型的加熱元件具有較好的機(jī)械性能，但其長(zhǎng)期耐用性還有待于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的驗(yàn)證。

1.2.1.8 導(dǎo)電硅酸鹽水泥混凝土

傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥混凝土(PCC)不導(dǎo)電。在導(dǎo)電混凝土中，一定數(shù)量的導(dǎo)電元件取代一定比例的細(xì)骨料和粗骨料，以達(dá)到穩(wěn)定和較高的導(dǎo)電率。導(dǎo)電(EC)混凝土是加拿大國(guó)家研究委員會(huì)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)利技術(shù)[38-40]。

EC混凝土可分為兩種類(lèi)型：纖維增強(qiáng)EC混凝土具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較低的導(dǎo)電性(100 Ω·cm)，含骨料EC混凝土具有較低的抗壓強(qiáng)度和較高的導(dǎo)電性(10 ～ 30 Ω·cm) 。具有高導(dǎo)電率和機(jī)械強(qiáng)度的EC混凝土水泥基復(fù)合材料在實(shí)驗(yàn)室和野外應(yīng)用于冰雪融化[40-41]。 用一個(gè)基礎(chǔ)ECC層和一個(gè)PCC覆蓋層組成的混凝土板來(lái)融化積雪。覆蓋層的水灰比為0.325，水泥/細(xì)骨料/粗骨料的配合比設(shè)計(jì)為1∶2∶2。實(shí)驗(yàn)板尺寸為0.24 m×0.31 m×0.05 m。對(duì)于典型應(yīng)用，電壓總是小于15 V；通過(guò)ECC層的一次電流小于30 A[39]。通過(guò)覆蓋層的電流非常小(0.012 mA)?；蛘?，可以增加覆蓋層的厚度，以減少通過(guò)覆蓋層的電流。然而，積雪融化的能源效率會(huì)因?yàn)楦采w層很厚而受到影響[42]。

Yehia S等[43]開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)門(mén)用于橋面除冰的EC混凝土混合物，該混合物含有鋼纖維和鋼屑。用鋼纖維和鋼屑配制了50多種EC混凝土試驗(yàn)料。EC混凝土使用15% ～ 20%的導(dǎo)電材料(如鋼纖維和刨花)，產(chǎn)生的熱量穩(wěn)定而均勻。試驗(yàn)表明，EC混凝土的平均功率密度約為520 W·m-2；將板坯溫度從-1.1 ℃提高到15.6 ℃需要30 min[20,43]。Yehia S A等進(jìn)行了幾組實(shí)驗(yàn)室除冰和反結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)20%的鋼屑和1.5%的鋼纖維是上限;較高數(shù)量的刨花或鋼纖維導(dǎo)致較差的工作能力和表面光潔度[44]。

在15 cm厚的常規(guī)混凝土板上澆筑2個(gè)9 cm厚的EC混凝土覆蓋層(大小分別為2 m×2 m和1.2 m × 3.6 m)，用于在自然環(huán)境下進(jìn)行除冰試驗(yàn)。1998年在5場(chǎng)暴風(fēng)雪中進(jìn)行了除冰和防冰試驗(yàn)。EC混凝土覆蓋層產(chǎn)生的平均功率密度約為590 W·m-2，以防止冰雪堆積[44]。假設(shè)電力成本為0.08 $·(kW·h)-1，則每次風(fēng)暴的平均單位能量成本約為0.8 $·m-2[44-45]。

2001年，碳制品被用于替代EC混凝土中的鋼屑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，含碳制品的EC混凝土用于內(nèi)布拉斯加州羅卡橋的橋面除冰[45]。建造了一個(gè)長(zhǎng)36 m、寬8.5 m的EC混凝土嵌體，并安裝了溫度和電流傳感器，用于冬季風(fēng)暴期間的加熱性能監(jiān)測(cè)。鑲嵌分為52塊獨(dú)立的1.2 m×4.1 m。將三相208 V、600 A交流電源輸入到EC混凝土板上進(jìn)行除冰。所有混合料中單位體積含有1.5%的鋼纖維和25%的碳產(chǎn)品。該除冰系統(tǒng)在4個(gè)冬季的運(yùn)行表明，功率密度為203 ～ 431 W·m-2；每一場(chǎng)暴風(fēng)雪的單位能源成本約為0.8 $·m-2[46]。

Heymsfield E等[47]報(bào)告了一項(xiàng)由聯(lián)邦航空管理局(FAA)贊助的試點(diǎn)研究，使用EC混凝土覆蓋面板和可再生能源來(lái)開(kāi)發(fā)防結(jié)冰的機(jī)場(chǎng)跑道。在阿肯色州用EC混凝土建造了10個(gè)尺寸為1.22 m×3.05 m的覆蓋板，用光伏板和電池存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行防結(jié)冰測(cè)試。結(jié)果表明，在高于冰點(diǎn)的溫度下，能量保證維持10個(gè)大覆蓋板的熱質(zhì)量，很難通過(guò)太陽(yáng)能可再生能源系統(tǒng)獲得。進(jìn)一步提出在混凝土路面表面附加銅線等發(fā)熱絲，利用太陽(yáng)能為其供電，開(kāi)發(fā)一種防冰系統(tǒng)。然而，在車(chē)輛載荷下安裝和保護(hù)電線的實(shí)際問(wèn)題仍然存在。

綜上所述，EC混凝土覆蓋方法在除冰和防冰應(yīng)用方面具有廣闊的前景。然而，由于電阻率高、電熱效率低、鋼纖維腐蝕等問(wèn)題，到目前為止，未被廣泛用于除冰與融雪。此外，如熱開(kāi)裂和橫縱向開(kāi)裂、涂層導(dǎo)電性能惡化、產(chǎn)生車(chē)轍等實(shí)際問(wèn)題，將對(duì)EC混凝土覆蓋層法的可靠性和壽命成本有很大影響。

1.2.1.9 導(dǎo)電瀝青混凝土

EC瀝青混凝土(AC)可以產(chǎn)生熱量，為融雪除冰提供了另一種方法。Pan P等[48]綜述了EC活性炭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能和工程應(yīng)用。傳統(tǒng)活性炭含有粗、細(xì)集料、瀝青黏結(jié)劑和礦物填料。其電阻率為108～1 012 Ω·m，為電絕緣體。EC材料必須加入AC混合物中以使其導(dǎo)電，這些材料包括：①粉末，包括石墨、炭黑和鋁片[49-50]；②纖維，包括碳纖維、鋼纖維、鋼棉、碳納米纖維[51]；③鋼渣等固體顆粒代替粗、細(xì)集料[52]。

Derwin D等[53]報(bào)道了EC-AC路面系統(tǒng) (商業(yè)名稱Snowfree?) 在奧黑爾國(guó)際機(jī)場(chǎng)融雪的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。Snowfree?EC-AC路面由石墨和瀝青混合而成；銅母線在地面和地面之間交替放置，間隔4.9 m，并澆鑄在5 cm石墨浸沒(méi)的交流電層內(nèi)。與聯(lián)邦航空管理局(FAA)合作，該系統(tǒng)于1994年11月安裝在697 m2的滑行道上。安裝費(fèi)用為161.5 $·m-2。在3.5 a的運(yùn)行期間，EC-AC系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)始終能產(chǎn)生484 W·m-2的功率密度，除雪效果令人滿意。在整個(gè)評(píng)估期間，有約20萬(wàn)架飛機(jī)滑行在路面上，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫。然而，F(xiàn)AA認(rèn)為運(yùn)營(yíng)成本高，并且沒(méi)有其他機(jī)場(chǎng)使用過(guò)這項(xiàng)技術(shù)[54]。

添加EC材料需要反復(fù)混合，該材料也會(huì)影響路面的機(jī)械性能。瀝青作為一種典型的黏彈性材料，對(duì)溫度非常敏感，熱開(kāi)裂會(huì)影響導(dǎo)電網(wǎng)性能，因此隨著時(shí)間的推移，電阻率會(huì)增加。此外，寒冷地區(qū)路面受到氣候和環(huán)境因素的強(qiáng)烈荷載作用，加重了荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的破壞作用，導(dǎo)致路面加速老化，路面維修甚至更換更加頻繁[55]。這些因素可能使EC-AC方法成本更昂貴。

1.2.1.10 碳纖維帶除冰法

基于碳纖維帶(CFT)的除冰方法是一項(xiàng)近年來(lái)獲得的專(zhuān)利技術(shù)[56-60]。該方法利用CFT的低電阻率、高強(qiáng)度和輕重量的獨(dú)特性能，將商用CFT組裝成加熱板，CFT條由兩根母線平行連接。加熱板可為矩形或其他形狀，以適應(yīng)不同幾何形狀區(qū)域的除冰需要。然后，CFT面板母線被連接到一個(gè)低壓(小于36 V)交流電源來(lái)加熱路面，以達(dá)到防冰或除冰的目的。加熱板埋在路面以下50.8 mm的地方，這樣可以防止路面損壞，即使路面必須被碾磨和更換，它們也可以重復(fù)使用。

CFT除冰技術(shù)具有安全、耐用、易維護(hù)、高效等優(yōu)點(diǎn)；該方法在最近的研究中得到了好評(píng)[61-62]。由于系統(tǒng)提供低電壓 (<36 V)，并且加熱板嵌入在人行道上，因此對(duì)行人構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)較小。碳纖維材料重量輕，堅(jiān)固耐用，不受腐蝕。由于碳纖維膠帶比碳纖維或金屬絲網(wǎng)中的電線或循環(huán)系統(tǒng)中的管道更均勻地分配熱量，CFT加熱板在路面上產(chǎn)生的熱應(yīng)力最小。這些特點(diǎn)造就了一個(gè)非常耐用的系統(tǒng)。由于沒(méi)有流體或移動(dòng)部件，CFT除冰系統(tǒng)維護(hù)成本較低。熱量均勻分布在路面上，使冰雪融化。加上雪冰探測(cè)傳感器和自動(dòng)控制器，該系統(tǒng)在運(yùn)行中相當(dāng)高效，這將在下文與循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行成本比較中得到證明。

1.2.2 路面用外部加熱除冰1.2.2.1 微波

Hopstock D M等[63]提出了將含磁鐵礦的塔石骨料和微波技術(shù)應(yīng)用于道路的兩種方法：①一年四季，熱混合路面修補(bǔ)和養(yǎng)護(hù)；②AC路面非化學(xué)法除冰，包括公路、橋面、人行道和機(jī)場(chǎng)跑道。通過(guò)使用傳統(tǒng)微波，可對(duì)這一想法進(jìn)行初步評(píng)估，結(jié)果表明，含磁鐵礦的塔石骨料確實(shí)是一種優(yōu)秀的微波吸收劑[63-64]。當(dāng)卡車(chē)裝載的微波發(fā)生器行駛在以碎塔石為骨料的冰雪覆蓋的路面上時(shí)，微波應(yīng)該穿過(guò)冰層，并在路面、冰界面以熱量的形式被吸收，使冰很容易被分離和刮走。然而，這些發(fā)現(xiàn)還沒(méi)有在一個(gè)全面的、實(shí)際的測(cè)試程序中得到驗(yàn)證[63-65]。

1.2.2.2 紅外加熱燈

在科羅拉多州丹佛市密西西比大道大橋安裝的防冰系統(tǒng)中，使用了紅外熱燈作為外部加熱元件[9]。采用紅外光燈對(duì)橋面下側(cè)進(jìn)行加熱，功率密度為75 W·m-2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于滯后時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，功率密度不足，熱燈系統(tǒng)不足以防止路面結(jié)冰。

2 性能評(píng)估和成本比較

2.1 機(jī)械法、化學(xué)法與加熱法對(duì)比

傳統(tǒng)上，除冰是通過(guò)機(jī)械、化學(xué)和熱力方法來(lái)完成的。這些方法存在破壞路面、污染環(huán)境、腐蝕車(chē)輛和混凝土中鋼筋等缺點(diǎn)；有些方法需要復(fù)雜的安裝，或安裝和操作成本太高[66]。對(duì)化學(xué)/機(jī)械、循環(huán)和各種電阻加熱(ERH)除冰方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，見(jiàn)表1。雖然機(jī)械/化學(xué)方法仍然是冬季道路養(yǎng)護(hù)最具成本效益的方法，但加熱路面，特別是ERH方法，提供了許多有前景的好處，如環(huán)境友好以及創(chuàng)新的潛力。此外，加熱路面可以應(yīng)用于機(jī)械法或鹽水法無(wú)法應(yīng)用的區(qū)域，如路緣等處。相比于機(jī)械法和鹽水法，它還可以在整個(gè)冬天更一致地暴露路面的表面條紋，讓司機(jī)與行人更容易地分辨人行道。雖然ERH方法的運(yùn)行成本較高，導(dǎo)致無(wú)法應(yīng)用在如高速公路等較大的區(qū)域，但它為交通密集的小區(qū)域，如城市人行橫道、人行道、公交車(chē)站和容易結(jié)冰的橋面，提供了一個(gè)很好的冰雪融化技術(shù)替代方案。

表1 PCC中機(jī)械/化學(xué)和各種加熱路面融雪方法的優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)

2.2 現(xiàn)有ERH除冰系統(tǒng)的評(píng)估

綜述了各種ERH除冰系統(tǒng)。為了幫助理解這些系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的不同電加熱除冰方法的評(píng)估見(jiàn)表2，包括使用金屬或碳纖維線的加熱絲法、EC-PCC或AC鋪裝方法、磁性融雪設(shè)備和CFT加熱面板法。不同方面包括施工能力、耐久性、安全性、現(xiàn)場(chǎng)性能和應(yīng)用實(shí)例。與其他現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的ERH方法相比，CFT具有安裝簡(jiǎn)單、無(wú)需更換交流混合、耐用、安全、性能優(yōu)秀等優(yōu)點(diǎn)。然而，該系統(tǒng)在AC路面上的性能還有待驗(yàn)證。

表2 不同ERH除冰方法的評(píng)價(jià)

2.3 成本比較

成本效益一直是影響除冰系統(tǒng)適用性的重要因素。如前一節(jié)所討論的，除冰費(fèi)用對(duì)氣溫非常敏感。在CFT除冰系統(tǒng)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)溫度為-17.7 ～ 2.2 ℃，而文獻(xiàn)報(bào)道的其他除冰系統(tǒng)的數(shù)據(jù)范圍更窄。為了進(jìn)行合理的成本比較，有必要選擇一個(gè)合適的溫度范圍，例如- 6～3 ℃，以便與其他系統(tǒng)比較平均單位能源成本。

各種ERH除冰系統(tǒng)的安裝成本、年運(yùn)行成本、功率密度和單位能源成本見(jiàn)表3。每一場(chǎng)風(fēng)暴的運(yùn)行成本定義為在每次除冰/防冰實(shí)驗(yàn)期間，運(yùn)行除冰系統(tǒng)在表面面積(單位：m2)上融化積雪的平均成本。年運(yùn)行費(fèi)用是一年內(nèi)所有除冰和防冰試驗(yàn)的平均運(yùn)行費(fèi)用。為了在同一基礎(chǔ)上比較文獻(xiàn)中所報(bào)告的所有系統(tǒng)，假定電費(fèi)為0.08 $·(kW·h)-1。

表3 不同ERH除冰系統(tǒng)的成本比較

CFT除冰系統(tǒng)的安裝費(fèi)用是根據(jù)1.83 m×1.22 m 3個(gè)試驗(yàn)人行道街區(qū)使用的加熱板、電氣和控制設(shè)備、保溫板的費(fèi)用之和計(jì)算的。不包括人工成本和人行道材料成本。對(duì)于電加熱電纜系統(tǒng)[4]，計(jì)算了安裝成本，將鋪設(shè)電纜、安裝電氣和控制設(shè)備(包括變壓器)以及電力服務(wù)設(shè)施的成本整合在一起。對(duì)于EC混凝土加熱系統(tǒng)[46]，安裝成本包括建造和安裝控制設(shè)施的成本，以及集成和編程除冰操作控制器的成本。對(duì)于Cress M D[25]報(bào)道的熱水除冰系統(tǒng)和Yehia S等[20]報(bào)道的EC混凝土除冰系統(tǒng)，安裝費(fèi)用直接從文獻(xiàn)中引用。Zhao H M等[32]所報(bào)道的碳纖維加熱絲系統(tǒng)的安裝成本是不存在的，在這個(gè)比較中沒(méi)有考慮。

由表3可見(jiàn)，CFT除冰系統(tǒng)的功率密度最低，單位能量成本和安裝成本也相對(duì)較低。CFT除冰系統(tǒng)的高效率可能是由于使用了保溫層，以及系統(tǒng)相當(dāng)均勻的加熱，再加上它的低功率密度。在阿拉斯加應(yīng)用，平均氣溫低于-6 ℃，單位能源成本較高。數(shù)據(jù)表明，CFT除冰系統(tǒng)在未來(lái)有機(jī)會(huì)成為一種性價(jià)比較高的除冰技術(shù)。

3 結(jié)論與展望

本研究的目的是提供現(xiàn)有除冰技術(shù)的文獻(xiàn)綜述，重點(diǎn)是電阻加熱法可能在瀝青路和人行橫道上的應(yīng)用。對(duì)現(xiàn)有的和新興的冰雪融化除冰技術(shù)進(jìn)行了全面的綜述。對(duì)各種除冰方法的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)各種ERH系統(tǒng)的成本進(jìn)行了比較。最后，對(duì)各狀態(tài)點(diǎn)的交叉口/人行橫道維護(hù)實(shí)踐現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查；并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論:

1)傳統(tǒng)上，除冰是通過(guò)機(jī)械、化學(xué)和熱力方法來(lái)完成的。機(jī)械/化學(xué)方法是最具成本效益的，但加熱路面方法,特別是電阻加熱路面,提供了許多有前景的好處，如環(huán)境友好和激發(fā)創(chuàng)新潛力。

2)雖然ERH方法的運(yùn)行成本可能會(huì)限制在非常大的區(qū)域內(nèi)應(yīng)用，但它為交通集中的小區(qū)域，如城市人行橫道、人行道、公交車(chē)站和橋面，提供了一個(gè)很好的冰雪融化技術(shù)替代方案。

3)與其他現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的ERH方法相比，CFT方法具有安裝方便、不需要修改交流配合比、耐久性、安全性等性能良好的特點(diǎn)。然而，該方法在AC路面上的性能還有待驗(yàn)證。

4)十字路口、人行道的典型除雪方法包括機(jī)械法、鹽水混合物法，使用需取決天氣條件和溫度。防冰處理用于風(fēng)暴前或凍融期間。

美國(guó)阿拉斯加大學(xué)與黑龍江大學(xué)一直有著密切的聯(lián)系。2015—2016年，黑龍江大學(xué)先后派遣兩位教師前往阿拉斯加大學(xué)安克雷奇分校訪問(wèn)交流。2017年，在國(guó)家外專(zhuān)局“寒區(qū)特色水利工程學(xué)科建設(shè)及人才培養(yǎng)”項(xiàng)目支持下，派遣培訓(xùn)交流團(tuán)前往阿拉斯加大學(xué)安克雷奇分校學(xué)習(xí)交流，并推動(dòng)簽訂了《中國(guó)黑龍江大學(xué)和美國(guó)阿拉斯加大學(xué)安克雷奇分校合作諒解備忘錄》，進(jìn)一步夯實(shí)了中美雙方在寒區(qū)水利工程領(lǐng)域的合作基礎(chǔ)。2018—2019年，黑龍江大學(xué)先后派遣兩名碩士研究生前往阿拉斯加大學(xué)安克雷奇分校訪問(wèn)學(xué)習(xí)，進(jìn)一步促進(jìn)兩校交流。阿拉斯加大學(xué)安克雷奇分校工程學(xué)院楊朝暉教授也多次前往黑龍江大學(xué)開(kāi)展講座，同時(shí)也是黑龍江大學(xué)客座教授。

此次研究的完成基于兩校以往的密切合作，在黑龍江大學(xué)建校80周年來(lái)臨之際，期待今后能繼續(xù)加深中美在路面除冰課題及寒區(qū)領(lǐng)域的相關(guān)研究，為今后開(kāi)展更多的學(xué)術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。