余進(jìn)華， 李　婕， 袁銅森， 孫大權(quán)

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；

2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙　410015;　3.同濟(jì)大學(xué), 上?！?00092)

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路面積雪結(jié)冰清除技術(shù)綜述

余進(jìn)華1， 李婕1， 袁銅森2， 孫大權(quán)3

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；

2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙410015;3.同濟(jì)大學(xué), 上海200092)

摘要：路面積雪結(jié)冰及時(shí)清除對(duì)于保障行車安全、提高路網(wǎng)通行能力具有重要作用。國(guó)內(nèi)外圍繞路面積雪結(jié)冰清除技術(shù)開(kāi)展了大量研究，并形成了機(jī)械清除和融化清除兩大類技術(shù)。機(jī)械清除技術(shù)采用專用設(shè)備清理路面冰雪，而融化清除主要有化學(xué)融化和加熱融化兩種技術(shù)。對(duì)各種路面積雪結(jié)冰清除技術(shù)原理和特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并提出了當(dāng)前路面積雪結(jié)冰清除技術(shù)存在問(wèn)題和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：路面； 積雪結(jié)冰； 清除技術(shù)； 機(jī)械清除； 融化清除

0前言

霧、強(qiáng)降水、大風(fēng)、高溫、暴雨、積雪、結(jié)冰等天氣是公路交通運(yùn)輸?shù)闹饕獨(dú)庀鬄?zāi)害。在這些諸多氣象災(zāi)害中，路面結(jié)冰積雪對(duì)公路交通的影響是不容忽視的。其主要危害有以下兩個(gè)方面：

首先，結(jié)冰積雪會(huì)使路面摩擦系數(shù)大大降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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[1]。這使得在結(jié)冰路面上，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。同時(shí)，低溫還會(huì)引起瀝青面層的收縮開(kāi)裂和反射裂縫，從而進(jìn)一步加大對(duì)交通行駛造成的危害。據(jù)2005年交通部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，歲末年初有雪季節(jié)時(shí)交通事故較多，其他月份相對(duì)較少[2]。

其次，路面的結(jié)冰積雪會(huì)導(dǎo)致高速公路實(shí)施限速通行，甚至封路。嚴(yán)重影響了交通運(yùn)輸?shù)男?。與此同時(shí)，駕駛員每年由于公路上的積雪和冰凍，不得不忍受將近500百萬(wàn)小時(shí)的延滯。此外，如果一條線路出現(xiàn)問(wèn)題，常常還會(huì)波及到其他的公路干線。由此可見(jiàn)，路面的結(jié)冰積雪將極大的降低道路交通的效率，給整個(gè)交通運(yùn)輸系統(tǒng)帶來(lái)不便。

為了保障車輛的行駛安全，提高公路的運(yùn)營(yíng)效率，世界各國(guó)均采取了措施對(duì)路面進(jìn)行及時(shí)的融雪除冰?？傮w來(lái)說(shuō)，這些方法可分為機(jī)械清除和融化清除兩大類技術(shù)。機(jī)械清除主要依靠專用設(shè)備清理路面冰雪，而融化清除主要通過(guò)加熱或撒布融冰雪劑等方法實(shí)現(xiàn)路面融雪除冰。

1機(jī)械清除技術(shù)

機(jī)械清除技術(shù)是采用特殊的器具或機(jī)械對(duì)冰雪進(jìn)行清理。最初采用人工方法，目前已經(jīng)采用機(jī)械化作業(yè)方式實(shí)現(xiàn)路面冰雪快速清除。按照除冰雪機(jī)理，冰雪清除設(shè)備直接的作用，從而消除路面結(jié)冰積雪的危害，是人類最早使用的一種融雪除冰的方法。從方式上又可以分為人工法、機(jī)械法以及微波除冰法。

人工清除法雖然技術(shù)簡(jiǎn)單，也可以保證較為徹底的除冰，但是會(huì)消耗大量的人力，效率低下，且嚴(yán)重影響交通。目前在我國(guó)，只被用于一些中小城市。

機(jī)械法按除冰方式的不同可以分為擊破冰、多節(jié)鞭抽打除冰、滾輪旋切除冰(圖1、圖2)和鏟剁除冰等[3]。雖然其種類繁多，但是總體的效果并不是很理想。其原因有如下兩點(diǎn)：

1) 由于車輛不斷地在公路行駛，使得路面上多是積冰和壓實(shí)雪，冰層與路面的粘結(jié)力很大。這就導(dǎo)致如果機(jī)械法的作用力太小，則不能將其完全清除；而太大則又可能損壞路面。這一矛盾直到現(xiàn)在也還未能得到很好的解決。

2) 對(duì)于不同種類的道路類型以及不同厚度的冰層，所需的機(jī)械往往是不一樣的。這就導(dǎo)致用機(jī)械法融雪除冰必須配置多種型號(hào)的除冰車。從而使得機(jī)械閑置率升高，除冰成本上升，效率下降。

圖1　滾輪旋切式除冰機(jī)[3]

圖2　滾輪旋切式工作裝置的結(jié)構(gòu)圖[3]

微波除冰法是機(jī)械法的一種改進(jìn)。其除冰原理是基于冰層不吸收微波，而道路材料卻要吸收。因此在車輛上裝備一個(gè)微波發(fā)射器，向路面發(fā)射微波，可以穿過(guò)冰層，直接對(duì)路面進(jìn)行加熱。從而使得道路表面的溫度升高，率先融化與路面接觸的冰，達(dá)到降低冰層粘著力的目的。繼而再使用機(jī)械法的方式將剩余的冰雪鏟除。

此方法雖然較機(jī)械法有很大的改進(jìn)，但是至今，微波除冰法也未獲得實(shí)際的應(yīng)用。最主要的原因就是微波除冰效率過(guò)低。對(duì)于目前大多數(shù)的路面材料而言，微波的穿透能力都較強(qiáng)，因此其加熱的深度會(huì)很大。這使得在路表1 cm范圍內(nèi)的道路材料吸收的能量?jī)H僅為微波總能量的4%～5%[4]。低下的能量轉(zhuǎn)化效率造成了路面表層升溫慢，冰層需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能脫離路面，這也最終導(dǎo)致了微波除冰法的效率降低。目前，美國(guó)一些研究機(jī)構(gòu)已將此方法的研究重心轉(zhuǎn)向了在道路中添加一層吸收微波能力較強(qiáng)的鐵磁性材料。

總體來(lái)說(shuō)，清除法雖然是最為簡(jiǎn)單直接的一種融雪除冰的方法。但是其具有滯后性，不能及時(shí)除冰；人力的需求也較多，融雪除冰的總體效率偏低，對(duì)交通影響較大等劣勢(shì)。

2融化清除技術(shù)

2.1化學(xué)融化法

化學(xué)融化法主要是使用融雪劑除雪。融雪劑可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類。其基本原理是讓融雪劑溶于雪中，使得整個(gè)溶液的冰點(diǎn)降低從而消除積雪。氯化物融雪劑因其價(jià)格低廉，融雪效果較好為目前國(guó)內(nèi)外使用最為廣泛的化學(xué)融雪劑。但在融冰的同時(shí)，它對(duì)植物、動(dòng)物、水環(huán)境、大氣質(zhì)量也會(huì)造成很大的化學(xué)污染，并且還會(huì)對(duì)道路橋梁和車輛造成腐蝕。2004年，美國(guó)弗吉尼亞交通研究機(jī)構(gòu)發(fā)布報(bào)告[5]，指出美國(guó)每年用于路面融雪除冰的直接費(fèi)用高達(dá)15億美元，但與此同時(shí)帶來(lái)的間接經(jīng)濟(jì)損失又高達(dá)50億美元。其主要的原因就是由于對(duì)環(huán)境的污染和路面的腐蝕。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)氯化物融雪劑的規(guī)范化使用越來(lái)越重視，哈爾濱和北京等城市已相繼出臺(tái)了地方融雪劑使用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其使用加以指導(dǎo)和限制。

目前，研究一種新型的低污染低腐蝕性的融雪劑是此技術(shù)的發(fā)展方向。王寶民等人[6]研發(fā)的DWG環(huán)保型除冰劑，不僅能有效融雪除冰，而且對(duì)瀝青和混凝土路面以及道路管網(wǎng)、動(dòng)植物無(wú)腐蝕性。朱校斌等人[7]也研制了一種以有機(jī)材料為主，合成生產(chǎn)的安全、綠色、高效、環(huán)保的融雪除冰劑，其成本甚至低于氯化鈣等產(chǎn)品。周密等人[8]研發(fā)的顯色型環(huán)保除冰融雪劑，添加了貝殼灼燒物、緩蝕劑和對(duì)植物生長(zhǎng)有益的植物鈣劑，不僅降低了其對(duì)金屬的腐蝕性，而且可以根據(jù)冰雪融化后溶液顏色的變化來(lái)控制除冰融雪劑的用量，避免浪費(fèi)。

總體來(lái)說(shuō)，化學(xué)融化法仍在朝著高效無(wú)毒，綠色環(huán)保的方向不斷發(fā)展與改進(jìn)。其融雪除冰效果較機(jī)械法好，但是同樣有滯后性，使用時(shí)也需要大量的人力投入。另外，不當(dāng)?shù)氖褂脮?huì)給交通和生態(tài)環(huán)境造成很大的污染。

2.2熱融化法

熱融化法是一種利用外界的熱量對(duì)路面進(jìn)行加熱，使溫度迅速升高，從而實(shí)現(xiàn)融雪除冰的方法。其普遍具有預(yù)防性、自動(dòng)性和主動(dòng)性。根據(jù)熱源的不同，又可以分為： 地?zé)峁芊ā⒘黧w加熱法、電熱絲法、導(dǎo)電瀝青混凝土法等。

2.2.1地?zé)峁芊?/p>

地?zé)峁芊ㄍㄟ^(guò)將熱棒插入地下，吸收地?zé)?，并且通過(guò)管道將地?zé)醾鞯降乇砻嬗糜诘缆返娜谘┏?圖3)。1984年有Wyo的Laramie[9]進(jìn)行了此類試驗(yàn)，使橋梁表面溫度升高了2～14 ℃。類似的熱管系統(tǒng)在日本和美國(guó)Colorado的Glenwood Spring也進(jìn)行了試驗(yàn)和改進(jìn)。而在Glenwood Spring的地?zé)嵩淳吞鎿Q成了水井[10]。

圖3　利用熱棒收集地?zé)岬臒崛鄯ㄊ疽鈭D[11]

由于地?zé)豳Y源分布不均，并且利用起來(lái)技術(shù)難度較高。研究人員又提出了蓄能式的熱融冰技術(shù)，即通過(guò)埋置熱管、熱泵等儲(chǔ)能設(shè)施，對(duì)夏天的太陽(yáng)能進(jìn)行收集，并在冬天進(jìn)行使用。這樣既能在夏天降低路表的溫度，還能有充足的熱源儲(chǔ)備在冬天進(jìn)行道路的融雪除冰。

目前，美國(guó)，日本及一些歐洲國(guó)家對(duì)這個(gè)技術(shù)的研究較多。在1998年，美國(guó)的Oklahoma State University(OSU)大學(xué)就已經(jīng)在政府的支持下進(jìn)行了類似的研究并建立了相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)。而日本的北海道大學(xué)[12]也對(duì)日本早期的19項(xiàng)路面蓄能融雪除冰試驗(yàn)工程進(jìn)行了比較分析。并指出該方式是一項(xiàng)很有應(yīng)用前景的新能源技術(shù)。盡管初期投資較大，技術(shù)難度較高，但利用的是無(wú)限量的自然可再生資源，節(jié)能效果顯著，并且便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。2007年，他們又發(fā)表了最新的研究進(jìn)展報(bào)告[13]，結(jié)果顯示其開(kāi)始研究將道路的融雪除冰與樓房的空調(diào)系統(tǒng)相連接。

總體來(lái)說(shuō)，地?zé)峁芊m然有良好的加熱效果，且利用的是自然可再生資源，后續(xù)成本低。但是對(duì)于已建成公路而言，其初期投資和對(duì)交通的影響都很大，而且技術(shù)難度較高，安裝與建造過(guò)程繁雜，而且耐久性較差，不易維修。這些環(huán)節(jié)還是阻礙了它的推廣。

2.2.2流體加熱法

流體加熱法主要是利用地下的熱水，熱蒸汽或經(jīng)過(guò)加熱的自然水源，通過(guò)管道運(yùn)輸流過(guò)路面來(lái)達(dá)到融雪除冰的目的。在使用時(shí)，水中需要添加防凍劑，避免水在循環(huán)過(guò)程中結(jié)冰。早在1950年，Zcnncwitz,J .A就進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[14]，但因?yàn)橄到y(tǒng)本身與安裝價(jià)格昂貴、換熱管道易滲漏等問(wèn)題而被迫中止。后來(lái)技術(shù)得到了改進(jìn)，被日本福井市應(yīng)用于路面及人行道的融雪除冰。但由于可能引起地基沉降，加速道路損壞等原因，流體加熱法并沒(méi)有完全推廣到道路上。目前多用于停車場(chǎng)、人行道等地段。在我國(guó)也有類似的研究，王華軍、趙軍[15]建設(shè)了一套小型室外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在路面和地下傳熱、冰雪傳熱傳質(zhì)、系統(tǒng)運(yùn)行控制等方面進(jìn)行了探索。并提出了采用35～40 ℃的地?zé)嵛菜畞?lái)實(shí)現(xiàn)道路融雪化冰是可行的，且有利于能量梯級(jí)利用，提高能源效率。

總體來(lái)說(shuō)，流體加熱法理論和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)較為成熟，但受制于成本，可能引起地基沉降，以及水會(huì)對(duì)道路帶來(lái)一定的副作用等因素仍沒(méi)有被廣泛的使用。

2.2.3電熱絲法

電熱絲法的原理是將電熱膜，電熱發(fā)熱電纜等設(shè)備埋置在路面以下，通過(guò)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽糜诘缆返娜谘┏?。該融雪化冰方式?duì)環(huán)境沒(méi)有污染、除冰效果好，易于控制，且初次施工方便。電熱絲法技術(shù)在北美的應(yīng)用較多，芬蘭、丹麥、挪威、美國(guó)等國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了發(fā)熱電纜制造、安裝和應(yīng)用研究工作，在地板輻射采暖系統(tǒng)、草坪供熱系統(tǒng)和屋頂天溝融雪化冰系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。2006年底哈爾濱文昌大橋作為國(guó)內(nèi)首例路面鋪設(shè)加熱電纜進(jìn)行融雪的試驗(yàn)段，從丹麥引進(jìn)了電加熱溫控融雪技術(shù)，在上橋匝道的部分地面鋪設(shè)電纜線，發(fā)熱電纜可使道路表面溫度升高1～10 ℃，專門(mén)用于融化引橋匝道處的積雪。

雖然電熱絲法具有融冰效率高，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，技術(shù)難度相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)于已建成的公路來(lái)說(shuō)，電熱絲需挖開(kāi)路面重新安裝，且易被行駛的車輛荷載壓壞，不易維修。

2.2.4導(dǎo)電瀝青混凝土法

導(dǎo)電瀝青混凝土法的原理是通過(guò)向普通的瀝青混凝土中添加一定量的石墨、碳纖維或鋼渣等導(dǎo)電相材料，使其成為導(dǎo)體。從而能夠?qū)ζ渫姲l(fā)熱來(lái)進(jìn)行路面融雪除冰的一種方法。其關(guān)鍵在于導(dǎo)電瀝青混凝土的制備與性能。

導(dǎo)電混凝土技術(shù)產(chǎn)生較早。在20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)，德國(guó)，美國(guó)等國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始探索混凝土導(dǎo)電的可能性。到了20世紀(jì)70年代，美國(guó)，加拿大等國(guó)開(kāi)始研究能否利用導(dǎo)電混凝土解決路面橋面結(jié)冰的問(wèn)題。在1999年，美國(guó)Sherif Yehia和Christopher Y.Tuan[16]則通過(guò)小尺寸的導(dǎo)電混凝土板試驗(yàn)得出：平均功率為520 W/m2的導(dǎo)電混凝土板可在30 min內(nèi)使其溫度從-1.1 ℃升至15.6 ℃。

在不斷的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)鋼屑和鋼纖維等金屬導(dǎo)電相材料由于容易受到腐蝕，而影響整個(gè)導(dǎo)電混凝土的性能。因此，逐漸減少了金屬添加量，而增加了碳質(zhì)材料的使用。2001年，Sherif Yehia和Christopher Y.Tuan又開(kāi)發(fā)了另外一種導(dǎo)電混凝土，他們用石墨和碳質(zhì)產(chǎn)品部分地代替了鋼屑，使其總的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了25%，并加入了體積分?jǐn)?shù)為1.5%的鋼纖維。同年，于美國(guó)內(nèi)布拉斯加州的77號(hào)公路上的Roca Spur橋上設(shè)置了世界上第一座在橋面上鋪設(shè)導(dǎo)電瀝青混凝土融雪的示范工程(圖4)。數(shù)據(jù)顯示，通電時(shí)路面平均溫度比周圍空氣溫度要高10 ℃左右，能成功將冰雪融化。研究人員通過(guò)5 a的跟蹤記錄發(fā)現(xiàn)，用導(dǎo)電瀝青混凝土法融冰的成本低于同時(shí)期的其他方式。

圖4　Roca Spur橋上的導(dǎo)電瀝青混凝土效果圖[17]

而在國(guó)內(nèi)，吳少鵬等從2002年就開(kāi)始對(duì)導(dǎo)電瀝青混凝土進(jìn)行了大量的深入的探索與研究[18]，其主要包括導(dǎo)電瀝青混合料的組成設(shè)計(jì)及其制備[19]，導(dǎo)電機(jī)理分析，電學(xué)性能以及路用性能等等。與此同時(shí)，武漢理工大學(xué)的侯作富，李卓球等人也開(kāi)展了類似的研究，并論證了碳纖維瀝青混凝土用于融雪除冰的可行性[20]，以及電極對(duì)導(dǎo)電瀝青混凝土的極化作用[21]等。

總體來(lái)說(shuō)，導(dǎo)電瀝青混凝土法是一種很有潛力的融雪除冰的方法，具有效率高，成本相對(duì)較低，對(duì)周邊環(huán)境無(wú)污染，不影響交通等優(yōu)點(diǎn)，并且現(xiàn)在已經(jīng)能制備出同時(shí)滿足路用性能和電學(xué)性能的產(chǎn)品。但對(duì)于已經(jīng)修建好的道路卻很難再進(jìn)行推廣。

3結(jié)論與建議

總體來(lái)說(shuō)，冬季路面的積雪結(jié)冰對(duì)道路行車安全以及交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率有很大的影響。必須采取措施盡快的融雪除冰。而傳統(tǒng)的方式如人工法和機(jī)械法由于其效率低下，對(duì)交通影響較大，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足人們的需求。目前，世界各國(guó)均在積極地尋求一種主動(dòng)化，自動(dòng)化，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)交通無(wú)影響的高效的道路除冰方法。我國(guó)在機(jī)械法和化學(xué)融化法方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相差不大，但是在一些基于熱熔法原理的綠色、環(huán)保型技術(shù)方面的研究才剛起步，距離投入實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。

對(duì)于目前的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，融雪除冰的原理和方式是多種多樣的，但普遍都是針對(duì)的尚未建設(shè)的道路，大多都需要在道路的修建時(shí)期進(jìn)行作業(yè)。而對(duì)于已經(jīng)修建好的道路，這些方法會(huì)也會(huì)由于施工成本過(guò)高而變得難以實(shí)施。所以，未來(lái)的道路融雪除冰技術(shù)研究應(yīng)多針對(duì)已建成的道路，以獲得更大的應(yīng)用范圍。

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中圖分類號(hào)：U 418.3+26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-844X(2016)01-0051-05