公路除雪融冰技术研究范文

《北方交通》2014年第五期

1研究现状

1.1导电混凝土法在普通混凝土中添加一定含量的导电组份，可使其变为导电体。对导电混凝土施加直流或交流电，混凝土温度升高，热量传导至冰雪中，从而达到融雪除冰的目的。20世纪90年代，加拿大的XiePing，J.J.Beaudoin等提出将导电混凝土用于道路融雪。他们对导电混凝土融雪化冰的有效性进行了研究，同时证明这种材料也具有较高的力学性能。美国内布拉斯加州公路局进行了导电混凝土的路用实验，将36m长、8.5m宽的导电混凝土敷设在一座公路桥上，取得了较好的使用效果。我国的部分科研机构也对导电混凝土材料进行了研究。广州大学赵若红等通过大量试验优化配方，制备了导电混凝土试块，研究了不同电压下混凝土的升温性能以及混凝土的最优能耗电压，给出了导电混凝土温度与电流之间的初步经验公式;张永健等为解决矮寨特大桥的桥面融雪除冰问题，提出采用导电沥青混凝土方案，并进行了室内试验，测试了不同电压下导电沥青混凝土试件的升温情况。混凝土导电技术在沥青混凝土中的应用已经证明可以实现，但其主要缺点是成本过高、导电沥青混凝土强度不足。如何在不损伤沥青混凝土路用性能的基础上最大限度地提高其电学性能，保证其路用性能的耐久性和电学性能的稳定性是今后需要深入研究的方向。

1.2自应力弹性路面通过在路面材料内添加一定量的弹性颗粒材料，改变路面与轮胎的接触状态和路面的变形特性，利用弹性材料局部变形能力较强的特点，通过路面在外荷载作用下产生自应力，使路面冰雪破碎、融化，从而抑制路面积雪和结冰。丁庆军等研制了高连通孔隙沥青路面材料，以高连通孔隙沥青路面材料为基体，添加环保型融雪除冰剂，采用室内试验研究了空隙率不同时，高连通孔隙路面材料的路用性能，除冰、降噪、抗滑性能，并与AC－13、SMA－13路面材料的融雪除冰效果进行了对比。李悦等采用高粘高弹改性沥青和融雪剂加入开级配道路材料中，研制了自应力弹性路面。试验表明，含融雪剂的沥青混合料的水稳定性能有所降低。本研究还在河北省某高速公路上铺设了试验段，但实际除冰效果没有说明。利用自应力进行除冰的弹性路面虽然理论上可行，但缺少试验路验证，实际路用效果还有待证实。另外，室内试验研究已经证明，弹性路面仅依靠自应力除冰效果不佳，因此需要添加除冰剂或融雪剂，然而这些添加剂会对路面材料的其他路用性能产生不利影响。

1.3太阳、土壤源热管融雪技术太阳能实时融雪化冰技术利用光伏或光热系统实现，前者是太阳能储存转化系统给埋置在路面中的电管加热，后者是采用太阳能加热低温下不冻结的液体，加热液体通过路面导管进行循环，使路面积雪融化。在地热资源丰富的地区，也可利用土壤源热管实现除冰融雪的目的。冰岛地热资源丰富，其全国利用地热除冰的面积已达74万平米。我国多家研究机构对地热和太阳能除冰方法进行了研究。张军等基于热管技术，设计了“地热热管道路融雪系统”，采用重力式热管将恒温层中的热量传递到道路表面以防止积雪。通过对热管及土壤中传热过程分析，建立热管当量对流换热系数的物理模型，形成模拟热管在土壤中换热过程的数值方法。得到了热管运行30d土壤温度分布的变化过程。管昌生等介绍了地源热泵技术在道路融雪中的应用，分析融雪热水管常规设计方法的局限性，通过对道路融雪影响因素随机分析，提出热水管可靠性设计方法。得到了基于道路体热阻随机性和考虑管长变异性的热水管长设计公式。徐慧宁等基于太阳能—土壤源热能耦合道路融雪试验系统，开展了能量转化型道路融雪性能的研究，分析了融雪过程道路温度场的变化规律并对影响系统融雪效果的因素进行了探讨。利用太阳能或地热能融雪除冰，虽然绿色环保，但受地域条件限制较大，部分地区光照时间或地热资源缺乏，无法采用本方法。另外，该方法储能问题比较突出，目前还没有提出十分有效的解决方案。

1.4微波除冰技术美国在20世纪80年代提出了利用微波加热并结合机械除冰装置来清除道路积冰的理论。将微波应用于道路除冰面临的最大问题是传统集料铺筑的道路路面微波吸收发热效率很低，难以实现快速融雪除冰。长安大学发现微波与磁铁具有较强的耦合发热效应，进一步提出了将磁铁矿石破碎成集料铺筑沥青路面以提高道路微波除冰效率的研究设想。郭德栋对基于微波和磁铁耦合效应的融雪除冰技术进行了试验研究。焦生杰等采用数值分析与试验的方法对微波除冰频率进行了研究，指出采用5.8GHz的微波能够提高除冰效率4～6倍，另外使用铁磁性材料加铺层能够提高除冰效率3～5倍。截至目前，微波除冰未能实现真正的推广应用，关键在于微波除冰效率过低，难以实现快速除冰。

1.5析出式低冰点融雪盐技术盐化物融雪沥青路面是指在沥青混合料中直接掺入具有抑制冻结效果的盐化物，形成具有抑制冻结效果的路面，在毛细管压力及车辆碾压作用下，将沥青混合料内部的盐分逐渐析出，从而降低道路表面水的冰点，延迟道路表面积雪结冰。1986年日本首次在山形县铺筑粉体盐化物沥青路面。随着新型化学类冻结抑制材料研究的逐步深入，化学类冻结抑制沥青路面在日本大部分地区进行了推广，截止2002年，日本国内化学类冻结抑制沥青路面施工实例超过2000例，铺筑面积约380万平米。目前国内对此方法也进行了室内试验研究。姜绍升等通过室内试验，对比分析了掺加盐化物融冰雪材料的沥青路面和普通沥青路面的冻结抑制效果。李福晋等对掺加了mafilon材料置换矿粉的沥青混合料进行了路用性能试验，结果表明，在相同矿料级配条件下，长效型主动融雪沥青混合料高温性能优良，随着mafilon掺量增加其水稳性有所下降。张忠在SMA混合料中掺加盐化物融雪剂，研究了配合比设计，进行了试验段铺筑，提出了盐化物融雪剂应用的关键技术和施工控制要点。本方法虽然在日本已经有所应用，但在我国还处于研究探索阶段。亟需解决的问题包括:盐化物与我国常用路面材料的结合问题、耐久性的保证、盐化物对沥青混合料路用性能的影响等。

1.6融雪剂采用化学融雪剂方法融雪除冰也是各国普遍采用的方法。根据化学组成不同，融雪剂可分为氯盐和有机盐两类。氯盐除冰效果最好，价格低廉，但其对环境破坏大，对混凝土和钢筋有腐蚀作用。有机类融雪剂主要为醋酸盐类，美国DOT公司研制出不含氯离子、对环境无污染的融雪剂产品CMA(醋酸钙镁盐)，该产品稳定性优良，但成本很高。现阶段，我国在道路融雪除冰工作中，融雪剂的使用量较大，因此研究价格低廉且环保的融雪剂十分必要。许英梅对有机盐融雪剂CMA进行了深入研究，提出了采用生物质热解废液替代冰醋酸制备CMA类融雪剂的工艺方法，这种方法经济可行。

1.7对目前研究成果的总体评价我国目前在清除道路冰雪时，大多是根据天气预报提前准备除雪设备和融雪剂，主要依靠人工或机械设备被动除雪化冰。传统的道路融雪除冰方法不仅耗用的人力物力过多而且时效性差。几十年来，新的道路融雪除冰技术不断提出，虽然一些方法已经开始进入应用阶段，但总的看仍存在以下问题亟待解决:(1)目前的研究对形成冰雪灾害的气候和环境因素关注较少。这就导致不能预判冰雪灾害是否会发生，不能在灾害发生前发挥作用，采取预防措施。目前提出的方法大多时效性差，在灾害发生初期存在处置措施的“真空”期，这期间事故和拥堵极易发生。(2)能源消耗过大。部分利用电能转化热能的融雪除冰方法需要耗用大量能源，加大了运营成本。(3)理论研究与实际运用效果差距较大。很多方法在理论上可行，但是实际效果不理想。从目前全国已经实施的部分试验路段效果可以看出，许多方法存在融冰速度慢、效率低的缺点，而且不易克服。(4)耐久性不好。部分方法在使用初期效果较好，但不能保证耐久性，一旦失效，维护成本很高。

2基于信息技术的道路融雪除冰系统构想

如上一节所述，目前的除冰融雪技术存在时效性不强、耗能高或效果不佳等缺点，考虑到我国目前公路信息化正在加速发展，因此利用信息技术对冰雪灾害进行监测和预警，进而能自动采取有效措施融雪除冰是一个新的研究思路。基于信息技术的道路融雪除冰系统主要是通过在道路关键位置安装气象监控设备，对冰雪灾害进行预警和实时监控。在冰雪警报发出后，预装在公路护栏上的喷洒设备能自动启动，按照程序设定的模式喷洒防冻液或融雪剂，达到及时控制冰雪灾害发生或恶化的目的。该系统主要包括以下两个子系统。(1)冰雪灾害发生预警系统统计分析海拔、地形、温度、湿度、风速、降雨等因素与冰雪灾害发生的相关性;建立冰雪灾害发生的判断模型;通过在路段关键位置布置温度、湿度、风速传感器，对气象状况实时监测，判断是否发出冰雪灾害警报。(2)防冻液或融雪剂自动喷洒系统通过研究冰雪灾害对公路桥、隧道出入口、长陡坡段行驶安全的影响，确定防冻液或融雪剂喷洒设备的安装位置、间距;结合构造物具体形式研究防冻液或融雪剂管线、泵站的布设形式;在冰雪灾害警报发出后能自动开启防冻液、融雪剂喷洒设备。

3结语

随着研究不断深入，道路除冰融雪技术有了长足发展，但仍存在时效性不强、耗能高或效果不佳等缺点。考虑到我国目前公路信息化正在加速发展，因此结合信息技术进行道路冰雪灾害监测和预警，并能主动采取有效措施融雪除冰是未来的发展趋势。本文仅对基于信息技术的除冰融雪系统做了初步构想，进一步的研究工作将在不久展开。

作者：岳福青单位：交通运输部规划研究院