任 毅，袁銅森，萬 智，秦 敏

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長沙 410015)

0 前言

隨著高速公路和橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，高速公路網(wǎng)及其橋梁在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中的作用越來越重要，尤其是每年春運(yùn)期間，公路運(yùn)輸承載著全國客運(yùn)總量的90%以上，2014年更是達(dá)到32.4億人次(湖南省為9 176.131萬人次)，海量的客運(yùn)流行駛在全國10多萬km的各條高速公路，如何保障高速公路的暢通，滿足人們出行的安全需求，是交通運(yùn)輸工作者亟待解決的嚴(yán)峻課題。特別是冬季橋梁冰雪狀況是影響高速公路交通安全，造成高速公路交通事故的一個(gè)重要因素。

資料表明:冬季的降雪通常會(huì)以浮雪、積雪和積冰三種形式滯留于路面。正常干燥瀝青路面的摩擦系數(shù)為0.6，雨天路面摩擦系數(shù)降為0.4，雪天則為0.28，結(jié)冰路面只有0.18，結(jié)冰路面汽車制動(dòng)距離為正常道路的6～7倍，極容易造成交通事故。在寒冷地區(qū)，冬季交通事故率比其他季節(jié)高出20%左右。根據(jù)對(duì)世界主要大中城市進(jìn)行調(diào)查得出的結(jié)論，因道路結(jié)冰造成的交通事故占冬季交通事故總量的35%以上。

1 國內(nèi)外防冰除冰技術(shù)概述

冬季低溫雨雪天氣下，路面易結(jié)冰和積雪，導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，車輛行駛困難，制動(dòng)距離增大，極易造成交通事故。為了消除冰雪危害，保證道路交通安全，國內(nèi)外研究和應(yīng)用了一些有效的預(yù)防和清除道路冰雪的方法，大致分為以下幾類，見圖1。

圖1 道路冰雪清除方法

1.1 人工清除

人工鏟除清掃路面冰雪需要?jiǎng)佑么罅咳肆?，清除效果一般，效率很低，影響車輛通行，不能長時(shí)間作業(yè)，不適合需要快速清除大面積冰雪的場合。見圖2。

1.2 撒融雪劑

往路面冰雪中撒入鹽類化合物可以降低冰的融點(diǎn)，使冰雪自行融化，這是目前國際上普遍采用的方法，實(shí)施方便、效果好。融雪劑的種類有兩種，對(duì)環(huán)境的影響不同。

圖2 人工除雪

1.2.1 氯化物融雪劑

“氯鹽類”融雪劑溶于水(雪)后，放出熱量促進(jìn)冰雪融化，且形成的鹽水溶液其冰點(diǎn)在零度以下，如氯化鈉(食鹽主要成分)溶于水后冰點(diǎn)在－10℃，氯化鈣在－20℃左右，醋酸類可達(dá)－30℃左右。但氯化鈉(工業(yè)鹽)、氯化鈣、氯化鉀、氯化鎂等雖然價(jià)格相對(duì)便宜，但其對(duì)路基、混凝土、瀝青路面、鋼筋都有腐蝕破壞作用，長期使用容易導(dǎo)致瀝青表面脫落、大面積路面破損、鋼結(jié)構(gòu)老化。氯化物溶于水后流入附近的農(nóng)田綠化帶，會(huì)引發(fā)土壤鹽堿化，破壞植被的災(zāi)難性后果。而且氯化物進(jìn)入地下后還會(huì)污染地下水，飲用后對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。

1.2.2 環(huán)保融雪劑

以醋酸鉀為主要成分的新型無腐蝕、環(huán)保融雪劑效果好，且對(duì)路面橋梁無腐蝕，對(duì)土壤植被水源無污染，但價(jià)格高，目前主要用于機(jī)場等重要場所。

1.3 機(jī)械清除

使用大型機(jī)械車輛清除路面冰雪，機(jī)械鏟雪適用于雪量較大、結(jié)冰前大面積清除作業(yè);機(jī)械吹雪適用于厚度較薄未經(jīng)碾壓的積雪，不能除冰作業(yè)。

1)鏟雪車:常見的鏟雪車分為鏟刮式、刷打式、旋切沖擊式等類型，適用于不同厚度、壓實(shí)程度的積雪清除。鏟雪刀具需要鏟、切、刮、錘、刷冰雪，因?yàn)槁访娌黄秸倳?huì)受到一定程度的銑刨破壞且容易損壞路面交通設(shè)施(如標(biāo)線、路鈕)。見圖3。

2)吹雪車:采用噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出500℃、相當(dāng)于10級(jí)大風(fēng)的高速高溫氣流，瞬間融化和吹飛路面冰雪。但需要消耗大量昂貴的航空燃油，且為了避免損傷吹雪車周邊不能有其他人員和車輛。一臺(tái)大型的吹雪車市場價(jià)格為65萬元左右，除雪寬度:290 cm，除雪高度:110 cm，除雪量:3 500 t/h。見圖4。

3)融雪車:

圖3 鏟雪車

圖4 吹雪車

微波融雪車:微波除冰只融化貼近路面的冰層，能耗高;對(duì)路面無損壞;但其加熱速度慢效率低，除冰效果不能持久，至今未得到推廣應(yīng)用。

熱力融雪車:在運(yùn)載卡車上加裝電阻絲加熱或蒸汽制作裝置，將電阻熱能或蒸汽熱能直接傳遞到路面冰雪上，使冰雪融化，一般還具有將融化的冰水吸干或吹干的功能。融雪車每次作業(yè)寬度為2.5 m，行駛速度為5 km/h，加熱溫度為100℃，能耗較大，速度較慢，效率較低，除冰效果不能持久，適合大交通量的城市道路橋梁除冰。

1.4 智能防冰除冰系統(tǒng)

智能防冰除冰技術(shù)是近年來從歐美等國首先興起的綜合性技術(shù)。智能除冰系統(tǒng)通過對(duì)結(jié)冰條件的智能預(yù)測技術(shù)，先發(fā)制人不讓冰雪封路，把冰雪對(duì)交通的危害消滅在萌芽狀態(tài);或者是在出現(xiàn)交通事故、交通擁堵之前就把冰雪融化，以極快的響應(yīng)時(shí)間來解除冰雪災(zāi)害對(duì)交通的影響。

工作原理:自動(dòng)接收氣象信息和路面狀態(tài)傳感器的檢測數(shù)據(jù)，并將檢測數(shù)據(jù)與設(shè)定的判定條件比較，以確定是否啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)。噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)后根據(jù)噴灑時(shí)間自動(dòng)控制各個(gè)單元噴嘴的啟動(dòng)。噴淋完成后，系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測路面抗滑系數(shù)的變化，若由大變小則進(jìn)行第二次噴淋。見圖5。

湖南省交通科學(xué)研究院聯(lián)合湖南省高速公路管理局、美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海海事大學(xué)，自主研發(fā)的橋梁智能除冰系統(tǒng)在湖南某高速公路特大橋上作為試點(diǎn)項(xiàng)目已經(jīng)安裝實(shí)施，具有較好的防冰效果。見圖6。

圖5 智能防冰除冰系統(tǒng)組成

圖6 防冰效果圖

圖6所示為智能防冰除冰系統(tǒng)在冰雪天氣前提前開啟系統(tǒng)后的防冰效果，由圖可見此系統(tǒng)對(duì)于主動(dòng)防冰效果明顯，橋面未出現(xiàn)積雪及結(jié)冰情況。

圖7為智能防冰除冰系統(tǒng)在冰雪天氣后開啟的除冰效果，由圖可見此系統(tǒng)有一定的融冰化雪效果。

圖7 除冰效果圖

此系統(tǒng)的智能化、信息化程度高，最大特點(diǎn)在于主動(dòng)預(yù)防冰雪，通過自身的路面氣象信息子系統(tǒng)對(duì)路面、大氣的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測，在路面結(jié)冰臨界點(diǎn)，及時(shí)響應(yīng)，自動(dòng)啟動(dòng)噴灑，預(yù)防結(jié)冰。

1.5 熱力融雪

1)發(fā)熱電纜:在路面下鋪設(shè)發(fā)熱電纜或電熱絲，以電力為能源，將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至路面，融化冰雪。具有無污染、穩(wěn)定性好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。但該方法總體來說國內(nèi)外應(yīng)用較少，原因主要有:①耗能較大，運(yùn)營費(fèi)用高;②安裝、維修復(fù)雜，初期投資大;③電纜強(qiáng)度難以保證。

2)地?zé)峁?在路面內(nèi)部鋪設(shè)換熱管道，將地?zé)醾鲗?dǎo)至路面，融化冰雪。

3)太陽能加熱:在路邊建造太陽能轉(zhuǎn)化儲(chǔ)熱裝置，夏季把太陽能存儲(chǔ)在路基下的土壤中，在冬季釋放能量融雪除冰。該技術(shù)能耗低、環(huán)保無污染，但系統(tǒng)龐大復(fù)雜，建造難度大，建設(shè)成本很高，不適合路面下方?jīng)]有土壤的橋梁，靈活性差，沒有得到廣泛應(yīng)用。

4)導(dǎo)電混凝土:在水泥混凝土中加入導(dǎo)電碳纖維，使路面混凝土具有一定的導(dǎo)電性能，利用電能使之發(fā)熱，從而除冰融雪。

2011年12月建成通車的湖北恩施州省道南(湖南省石門縣南北鎮(zhèn))鶴(湖北鶴峰縣)線大埡橋隧群采用了導(dǎo)電混凝土除冰的技術(shù)。該工程位于湖北省恩施州鶴峰縣五里鄉(xiāng)至走馬鎮(zhèn)，由緊密相連的兩隧兩橋及接線工程組成，全長3.7 km。該工程首次在橋面混凝土中設(shè)置自動(dòng)控制的碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱融雪系統(tǒng)，有效防止橋面結(jié)冰，確保過往車輛的行車安全。見圖8。

圖8 采用導(dǎo)電混凝土除冰技術(shù)的橋梁

導(dǎo)電混凝土除冰技術(shù)相比于其他除冰技術(shù)建設(shè)施工成本高，運(yùn)行能耗大成本高，技術(shù)不成熟，對(duì)路面材料、結(jié)構(gòu)和施工都有要求，只適用于特殊路段，對(duì)路面力學(xué)性能和耐久性有影響;優(yōu)點(diǎn)在于不影響環(huán)境，清除速度快，清除干凈徹底。

5)相變材料:利用一種特殊有機(jī)物相變材料(PCM)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)時(shí)釋放大量熱能的原理來融化冰雪。在路面下方埋設(shè)封裝有相變材料的鋼管，氣溫高時(shí)材料轉(zhuǎn)化為液態(tài)吸熱儲(chǔ)能，當(dāng)氣溫降至4℃左右時(shí)材料開始由液態(tài)往固態(tài)轉(zhuǎn)化，釋放出的熱能使路面溫度長時(shí)間保持在冰點(diǎn)以上，抑制路面結(jié)冰，融化積雪。

2012年11月，此種新技術(shù)在湖南省某高速公路連接線匝道橋面進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)段施工，一次性澆筑85 m橋面。其融冰效果較好，但建設(shè)施工成本較高，技術(shù)不成熟，對(duì)路面材料、結(jié)構(gòu)和施工都有要求，且養(yǎng)護(hù)困難，只適用于短期低溫少量冰雪環(huán)境，其優(yōu)點(diǎn)是無損路面，不影響環(huán)境。見圖9。

圖9 相變材料埋設(shè)施工

1.6 添加抗凝冰材料

在瀝青混合料中添加氯化鈉和氯化鈣等鹽化物，路面經(jīng)水浸泡后能釋放抗冰鹽物質(zhì)，可降低冰點(diǎn)有效阻止和延緩路面結(jié)冰，從而達(dá)到防冰凍效果。此技術(shù)難點(diǎn)在于在保證瀝青路面本身性能的前提下，能夠用于添加的鹽化物種類稀少，所以融雪化冰效果不會(huì)太明顯，并且鹽化物在瀝青混凝土中的持久問題尚待解決。

2012年11月，湖南省某高速公路高架橋應(yīng)用了此技術(shù)，全長 120 m，雙向六車道，單幅橋?qū)?5.75 m，與隧道緊密相連。采用加入了“重慶鵬方”抗凝冰外摻材料的SMA－16瀝青混合料進(jìn)行高架橋全橋和橋隧相連段路面的上面層鋪裝。

通過對(duì)圖10、圖11的對(duì)比可以看出，摻加了抗凝冰材料的橋面防冰雪效果明顯，其中行車帶在有車輛通行的狀況下未出現(xiàn)積雪結(jié)冰現(xiàn)象，而未摻加抗凝冰材料的橋面積雪嚴(yán)重，橋面安全隱患較大。

圖10 添加抗凝冰材料的高架橋防冰效果

1.7 抑制凍結(jié)鋪裝

該類技術(shù)在路面鋪裝材料中添加一定量的特殊材料，改變路面與輪胎接觸狀態(tài)和路面形變特性，利用所添加的特殊材料變形能力較強(qiáng)的特性，通過路面在外荷載下產(chǎn)生的自應(yīng)力，使路面冰雪破碎融化，從而有效抑制路面積雪結(jié)冰。

圖11 未添加抗凝冰材料的橋面

1)添加橡膠顆粒。

橡膠顆粒填充的瀝青混合料是將廢舊橡膠輪胎破碎成一定形狀和粒徑的顆粒，以骨料的形式直接添加于瀝青混合料中，用以代替部分集料而形成的新型的瀝青混合料，用于路面鋪裝工程。在有積雪的情況下有較好的防滑性能，但由于橡膠顆粒的混入，路面不易達(dá)到充分的密實(shí)度。

2)鑲嵌類技術(shù)。

在普通瀝青路面鋪筑完成后，通過一定的施工工藝將彈性材料鑲嵌在路面表面，單純利用彈性變形降低冰雪對(duì)路面的粘結(jié)程度，從而提高冰雪破碎的機(jī)率，破除路面積雪結(jié)冰。

鑲嵌類鋪裝技術(shù)雖然具有一定的效果，但由于在鑲嵌橡膠塊的過程中會(huì)破壞路面原有的狀態(tài)，橡膠塊周圍會(huì)出現(xiàn)薄弱面，在行車荷載的作用下，橡膠顆粒極易從路面表面脫落，造成路面平整度下降，甚至松散、坑槽。

3)粗糙路面。

采用大粒徑瀝青混凝土鋪筑面層，增加面層的粗糙度。冰凍后，行車輾壓時(shí)，水平力的作用使結(jié)凍層很快被磨耗掉，也增加了制動(dòng)效果。

1.8 路面涂層技術(shù)

路面抗凝冰涂料是基于乳化瀝青的生產(chǎn)機(jī)理，在生產(chǎn)過程中用乳化劑、抗凝冰劑對(duì)重交瀝青進(jìn)行乳化－改性－融合作用，后期經(jīng)保護(hù)膠處理而得到的一種新型路面噴灑型抗凝冰材料。通常在溫度不低于－5℃，或是凍雨量和降雪量較小時(shí)，可有效避免路表水結(jié)冰，及部分結(jié)冰但不形成結(jié)實(shí)的連續(xù)冰層。在凍雨量或降雪量稍大且溫度較低時(shí)，能有效降低冰與路表的粘附力，使路表薄冰層在車輛的碾壓下容易破碎，不使結(jié)冰路面形成連續(xù)的光滑冰面，提高行車安全。

抗凝冰涂層技術(shù)在國內(nèi)的雅西高速下魯壩橋、國道108線巫山腳下、貴陽市西南環(huán)線沙河特大橋等地有投入試用。見圖12。

圖12 路面防凍涂層施工

此類涂層技術(shù)涂料作用時(shí)間短，通常為一個(gè)冬季，需要在冰雪天氣來臨前重新進(jìn)行噴涂，建設(shè)施工成本不高，運(yùn)行成本低，施工簡單，無損路面，不影響環(huán)境，但其抗冰融雪效果一般。

2 總結(jié)和展望

目前，世界范圍內(nèi)常用的路面材料為水泥混凝土和瀝青混合料兩種，這兩種路面材料的模量相差很大、溫度敏感性不同、施工工藝迥異，因此所適用的融冰雪機(jī)制、方法有著本質(zhì)的差別。從本文對(duì)國內(nèi)外防冰除冰技術(shù)的投入成本、技術(shù)特點(diǎn)、施工難度、除冰效果等方面的綜合對(duì)比分析可以看出，傳統(tǒng)的人工機(jī)械除冰方法已經(jīng)很能滿足當(dāng)前交通建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的需求，信息化、智能化交通安全保障體系建設(shè)將是我國交通運(yùn)輸安全與應(yīng)急保障領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢。而新型的智能防冰除冰系統(tǒng)能夠較好的達(dá)到主動(dòng)防治冰雪的效果，但其成本、技術(shù)兩方面的原因約束了大范圍推廣使用的可能性，但在一些特殊路段(如特大橋梁、長上坡、長下坡、橋面、迎風(fēng)面和風(fēng)口路段)或具有較大社會(huì)知名度的特大型橋梁等地方可以推廣實(shí)施。路面涂層技術(shù)雖然抗冰融雪效果一般，但施工簡單，成本低，對(duì)路面及環(huán)境的影響較小，如果能開發(fā)出一種抗冰融雪效果較好的涂層材料，并改進(jìn)其施工方法，提高施工效率，可考慮將其作為主要抗冰技術(shù)進(jìn)行推廣使用。

總之，道路交通部門多年來一直都非常重視道路橋梁防冰除冰的問題，研究開發(fā)的防冰除冰技術(shù)眾多，各部門用于防冰除冰的投入也較大，那么如何有效整合現(xiàn)有資源和技術(shù)達(dá)到更好解決這個(gè)問題，是困擾交通運(yùn)輸決策者的一個(gè)難題。破解這個(gè)難題的關(guān)鍵在于思維方式的轉(zhuǎn)變，必須站在高層次的、宏觀的、全局的角度考量，要上升到信息化、智能化交通安全與應(yīng)急保障體系建設(shè)的戰(zhàn)略層面思考，微觀層面則應(yīng)以社會(huì)實(shí)際需求為軸心開展工作。

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