陳千尋 秦浩 黃晚清 曹明明

【摘要】公路的交通安全是保障經(jīng)濟騰飛勃發(fā)的必要條件，在四川境內(nèi)，入冬后隨著氣溫的降低多條山區(qū)高速公路路面常出現(xiàn)結(jié)冰，影響原路面的抗滑性能，降低道路的通行能力，帶來嚴重安全隱患。文章簡要介紹了國內(nèi)外現(xiàn)有的路面除冰防雪技術(shù)，分析了每種技術(shù)的作用機理和適用范圍，探討了針對四川省特殊地理氣候環(huán)境的道路抗凝冰技術(shù)的發(fā)展方向，為后續(xù)研究提供有價值的參考指導。

【關(guān)鍵詞】除冰雪技術(shù); 道路工程; 融冰化雪機理

【中國分類號】U418.3+26【文獻標志碼】B

我國地域遼闊，南北氣候差異大，入冬后，北方降雪量大，路面積雪凝冰嚴重;南方凍雨多，路面濕滑、暗冰叢生。四川省地跨青藏高原、云貴高原、四川盆地等幾大地貌單元，地形條件復雜多樣，高速公路運行環(huán)境不盡相同。臨到冬季，降雪或凍雨等低溫天氣致使水汽在四川山區(qū)高速公路表面形成冰膜，降低過往車輛輪胎和路面間的摩擦系數(shù)，使得車輛打滑發(fā)生惡性交通事故。當積雪過厚覆蓋路面行車標志時，會使駕駛員難以判定行車路線，惡劣的行車環(huán)境會給駕駛員帶來負面的心理影響，使得低溫環(huán)境下交通事故比正常情況大幅增加。

為了保障低溫天氣道路行車安全，國內(nèi)外交通部門及研究者做了大量研究工作并取得了一定成果。主要分為兩大類：路面被動除冰和路面主動除冰（圖1）。

1 路面被動除冰技術(shù)

1.1 撒融冰劑除冰

撒融冰劑主要是指在路面拋灑鹽化物等化學物品，原料易得、價格低廉，能有效降低冰點，并且能使得車輛行經(jīng)段輪胎碾壓的路面更不易結(jié)冰。但是使用氯化鹽類融冰劑融化后產(chǎn)生的氯化鹽液體會對路面、橋梁、綠化帶、土壤及周邊環(huán)境等造成較大的影響，對鋼筋產(chǎn)生嚴重的腐蝕作用，大幅降低瀝青材料與砂石料的粘合性使得瀝青混凝土路面上面層脫落。2003年北京就曾因為使用融冰劑使得大量樹木死亡，草地受害，直接經(jīng)濟損失千余萬元。傳統(tǒng)融冰劑弊端良多，近幾年人們開始推出以有機物為主的環(huán)保型融冰劑，但其價格較高，高昂的使用成本也限制了它的推廣。

1.2 人工或機械除冰

人工清除路面冰雪是最為傳統(tǒng)的方法，利用人力鏟除路面凝冰積雪，清除效果好，但是效率十分低下、人力消耗大，并且在工作時需要限制車輛行駛，只適用于一些重要路段。

機械除冰是目前使用比較普遍的清雪除冰措施，利用機械裝置對路面冰雪直接作用達到清除作用。我國各個地區(qū)地形氣候環(huán)境條件對應除冰雪機械的需求不同，對于如橋梁、匝道、山地區(qū)域大型除雪機械的運行和操作具有局限性，且現(xiàn)有的器械仍存在品種不全、功能單一、生產(chǎn)量小、技術(shù)低下等問題，限制了它的使用受面。

1.3 自動噴淋防冰雪技術(shù)

自動噴淋系統(tǒng)可以劃分為三大組成模塊，即：路面信息系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。路面信息系統(tǒng)監(jiān)測路面情況及天氣狀況，控制系統(tǒng)進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，在低溫天氣來臨前控制噴淋系統(tǒng)噴灑溶解有一定比例的鹽化物溶液，降低冰點達到防冰融雪的目的。自動噴淋系統(tǒng)可以全天候自動工作，也可以遠程遙控操作，在非冰雪天還可以結(jié)合城市供水系統(tǒng)進行綠化灌溉、夏季路面降溫、配合消防滅火等。這種技術(shù)在歐美國家已經(jīng)發(fā)展了30余年，2013年湖南省在兩架高速特大橋上安裝了自主改良版的自動防冰雪系統(tǒng)，有良好的應用效果。但是，自動噴淋系統(tǒng)前期投入大，設(shè)計、安裝復雜，維修難度較大，運行成本高。

2 路面主動抗凝冰技術(shù)

路面主動抗凝冰技術(shù)不需要其它人工輔助，在路面建設(shè)或養(yǎng)護維修時改變路面結(jié)構(gòu)或構(gòu)造材料成分以達到低溫條件下自主抗凝冰目的。它主要分為三類：物理類抗凝冰路面、化學類抗凝冰路面和能量轉(zhuǎn)化類抗凝冰路面。

2.1 物理類抗凝冰

物理類抗凝冰技術(shù)主要是利用路面的特殊構(gòu)造的力學性能實現(xiàn)抗結(jié)冰目的，適合沒有大量積雪，路面冰層薄的地區(qū)，主要有粗糙路面和自應力彈性路面兩類。

2.1.1 粗糙路面

粗糙型抗凝冰路面是通過加大路面的構(gòu)造深度，使融化后的冰水快速從較大的表面和粗大的集料間隙排走，讓路面上融冰水不能滯留在表面形成水膜，有效維持了路面的抗滑能力，同時還具有降低路面噪聲的優(yōu)點。2008年長安大學的韓森教授在內(nèi)蒙古鋪設(shè)了粗糙路面試驗段，獲得了良好的除冰效果。粗糙路面孔隙率的大小不會影響路用性能，同時彌補了暗冰對路面構(gòu)造深度的影響，有效工作時限長，但是對于積雪嚴重的地區(qū)作用不大，比較適用于降雪量少、低溫潮濕地區(qū)。

2.1.2 自應力彈性路面

自應力彈性路面是通過在路面鋪裝集料中摻入一定的彈性材料，利用其局部變形能力較強的特性提升路面的彈性變形能力，改變了路面與輪胎的接觸狀態(tài)，使路面在車載作用下產(chǎn)生較大的應力超過凝冰層的應變極限，達到讓路面覆冰破碎融化的目的。彈性材料通常采用廢棄的橡膠輪胎加工破碎成一定粒徑和形狀的顆粒，將一定量的橡膠顆粒以骨料的形式摻入瀝青混合料中，并用特定的拌合方式制成。這種路面鋪裝概念在20世紀60年代由瑞典道路研究所提出，后來日本以其為參考鋪筑了多條摻入橡膠顆粒的試驗路段在北海道和本州，證實了這種措施能夠提升路面抗滑性。接著又有學者發(fā)現(xiàn)摻入橡膠顆粒的粒徑和摻量比例會直接影響瀝青混合料的強度和耐久性，大量的學者相繼展開了對自應力彈性路面除冰性能、路用性能、以及成型工藝上的研究（圖2）。

自應力彈性路面在制作和使用上極具綠色環(huán)保意義，且造價及后期維護成本都相對較低。但是它只適用于薄冰覆蓋的路面，當冰層厚度較大時，車載作用產(chǎn)生的應力達不到冰層的應變極限，就不能實現(xiàn)碎冰的目的。此外，這種技術(shù)目前仍處于探索研究階段，對于其早期破壞嚴重、耐久性分析以及混合料的彈性模量與除冰能力的具體關(guān)系等問題都還有待解決。

2.2 化學類抗凝冰

由抗凝冰原理及對冰的黏附力影響的不同，可將化學類抗凝冰技術(shù)分為緩釋型抗凝冰瀝青混凝土鋪裝技術(shù)和疏水性涂層技術(shù)。

2.2.1 緩釋型抗凝冰瀝青混凝土

緩釋型抗凝冰材料主要采用兩種方式制備，一種是包覆型，借鑒農(nóng)藥、化肥包膜技術(shù)，采用有機或無極材料對鹽化物進行包覆處理制備而成，Mafilon（MFL）就是其中代表。MFL是由日本學者在20世紀70年代對歐洲的首個防凍添加劑Verglimit（V-260）引進優(yōu)化制成，制作工藝上就是將氯化鈉采取特殊的加工方式包裹于火山巖中，由于MFL粒級與礦粉接近，可以代替部分礦粉摻入瀝青混合料中。另一種是纖維型，即摻有鹽化物的吸水性纖維，在路面抗凝冰上比較常使用的是聚酯纖維，它具有廉價、耐高溫、分散性和結(jié)合性好的特點，作為添加劑注入瀝青混合料空隙中還能增加瀝青混合料的水穩(wěn)定性。雖然制備方式不同，但是作用原理二者是一樣的，都是在滲透與毛細作用下緩慢析出抗凝冰劑，降低路面冰點，達到路面主動抗凝冰目的。

緩釋型抗凝冰材料在路面抗凝冰使用上卓有成效，并且作為外摻劑都不會破壞原路面結(jié)構(gòu)，但是也存在一些弊端。雖然包裹或吸附材料都是綠色環(huán)保的，但是真正發(fā)揮融冰作用的仍是氯鹽，在作用時其釋放的氯離子量和濃度是不可控的，會對周邊環(huán)境及路基結(jié)構(gòu)造成負面影響。其次，在添加方式、配合比設(shè)計、路用性能、除冰長效性等研究上仍缺乏綜合性定論。

2.2.2 疏水型涂層

疏水型抗凝冰涂層在航空航天和電力通信領(lǐng)域應用較為廣泛，在道路抗凝冰應用上目前還處于探索階段。它的設(shè)計靈感來源于荷葉表面的自清潔特性，人們以此為鑒研制成了具有憎水性微觀結(jié)構(gòu)的表面涂層材料，使水滴與涂層間的接觸角大于150°，減少了接觸面積，使得雨水在接觸涂層時能快速滾落，延緩了冰晶在涂層上的形成時間。作為一種新型功能材料，具有良好的疏水、疏冰效果，在道路除冰應用上有較大的研究價值（圖3）。

疏水型抗凝冰涂層具有施工方便、綠色環(huán)保的優(yōu)點，但是在路面工程實際應用上仍存在許多問題。首先是它的投入成本較高，在制作及施工工藝上如何提升疏水、疏冰效果的同時降低綜合成本，直接影響到其未來的推廣使用;其次，作為一種犧牲型涂層，它在公路應用上的耐久性及長期適應性如何也是工程技術(shù)人員十分關(guān)心的問題。

2.3 能量轉(zhuǎn)化類抗凝冰

2.3.1 循環(huán)流體加熱法

循環(huán)流體加熱是在路面結(jié)構(gòu)下鋪設(shè)水平管網(wǎng)，通過給管網(wǎng)供給熱能加熱路面，管內(nèi)液體通常為丙三醇或乙二醇溶液等冰點較低的有機醇溶液。管網(wǎng)熱源主要分為地熱和非地熱兩類。地熱源利用豎直管從地下熱水、地熱蒸汽或淺層土壤中汲取熱能傳送到路面水平管網(wǎng)上對地面進行加熱。1948年美國俄勒岡州就率先利用地熱井水作為熱源論證了地熱融雪技術(shù)的可行性。非地熱源則是利用城市供水余熱、煤氣加熱等來自地熱外的熱能加熱循環(huán)管網(wǎng)中的流體。1994年美國在內(nèi)加拉斯州鋪筑了用天然氣鍋爐加熱流體的融雪路面試驗段，發(fā)現(xiàn)了較好的除冰雪效果，為之后熱管加熱除冰路面提供了參考。

接著，有學者提出了綜合利用地熱和非地熱進行管網(wǎng)流體循環(huán)加熱，即太陽能、地表熱能與地熱能聯(lián)合運用形成熱量環(huán)路加熱路面，也稱作道路集熱蓄能熱流體循環(huán)系統(tǒng)。它利用水平埋管將夏季強烈的太陽能輻射產(chǎn)生的熱量收集蓄存地下，等到冬季通過地下垂直埋管提取土壤蓄集的熱能加熱流體，再用循環(huán)水泵將熱流體送入路面加熱管網(wǎng)為路面加熱，達到融冰化學的目的。迄今為止，日本的Gaia（全自動路面集熱蓄能循環(huán)熱流體冰雪系統(tǒng)）系統(tǒng)以成功有效地運行了十余個低溫季節(jié)。在2009年徐慧寧等在黑龍江大慶市修筑了太陽能-地熱源熱能耦合路面融雪試驗路段，論證了這種融冰除雪技術(shù)在我國嚴寒地區(qū)運用的可行性（圖4）。

流體循環(huán)加熱法可再生能源利用率較高、溫室氣體排放少，系統(tǒng)運行時僅水泵需要消耗電能，在節(jié)能環(huán)保上具有突出優(yōu)勢，在歐洲、日本運用較多。但是，在管網(wǎng)的埋設(shè)過程中挖掘鉆探量大，人力物力消耗多、投資大，后期對于管道的密封和防腐維修保護工作艱難。

2.3.2 電加熱

電加熱法即利用電力加熱路面達到融冰化雪的目的，根據(jù)發(fā)熱原件的不同主要分為電熱絲法、導電混凝土法、磁能加熱法等。

電熱絲法是將電熱膜、發(fā)熱電纜等設(shè)備埋置在路面之下，將電能轉(zhuǎn)化為熱能融化路表冰雪。1961年美國學者首次采用了電纜加熱路面，他們將電纜埋置于路表2 cm下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然融冰效果良好，但是大量電纜在車載作用下被拔出。此后，有諸多學者提出了多種方式鋪設(shè)電纜，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)電纜移位情況有所好轉(zhuǎn)，除冰能力也有保證，但是路面整體力學性能及長期使用性都還有待進一步驗證。電熱絲法除冰效果好、控制方便、不產(chǎn)生有害物質(zhì)，在北美一些國家應用較多。但是，需要鋪設(shè)在路面結(jié)構(gòu)下，對于已建成的公路必須要挖開路面才能安裝，并且安裝后在車載作用下容易損壞，有效使用期不定，維護又十分困難，前期投入大，后期持續(xù)效益相對較低。

導電混凝土是在普通瀝青混凝土中摻入一定量的鋼渣、石墨、碳纖維等導電材料，使原來的絕緣路面轉(zhuǎn)化為導體，再通過對路面通電提升溫度融化冰雪。這種技術(shù)在20世紀30年代就已經(jīng)被提出，20世紀60年代開始引起關(guān)注，之后許多技術(shù)人員對其展開了探索研究。首先他們便意識到鋼屑等金屬導體易被腐蝕，影響導電混凝土融冰性能，但很快人們又找到了非金屬的碳質(zhì)材料應用其中，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)良的導電性，但是導電混凝土的長期穩(wěn)定性、路用性能、混合料配合比設(shè)計等都還需要進一步研究。

磁能加熱即利用磁感應產(chǎn)生的渦流對鋪設(shè)的鋼筋等導體材料進行加熱，實現(xiàn)路面融冰化學目的。具體來說，就是將一定參數(shù)的感應線圈纏繞在導體上，給線圈通入高頻交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場，不斷改變導體周邊的磁通量，在導體的圓周方向產(chǎn)生感應電流，也就是渦流，渦流越強產(chǎn)生的熱量就越大。陜西省交通建設(shè)集團在榆綏高速的一段橋梁路面鋪設(shè)了磁能融雪裝置進行試驗，證明了磁能加熱融雪裝置的有效性和環(huán)保性，但相應的在道路投資上有所增加?？偟膩碚f，磁能加熱技術(shù)具有加熱效率高、電能消耗小、環(huán)保等優(yōu)點。但是，電磁加熱裝置要鋪設(shè)在混凝土面層下，不適用于已建成的道路，并且在安裝后檢查維修不易，建設(shè)投資較大。

2.3.3 熱管加熱

熱管加熱利用管內(nèi)工作物質(zhì)的相變循環(huán)將地熱能傳到路面融冰化學。通常分為三個工作段即蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，管內(nèi)液體在地下蒸發(fā)段吸收土壤蓄積的熱量，發(fā)生汽化并通過中間的絕熱段流向位于路面面層內(nèi)部的冷凝段，如此循環(huán)往復，不斷將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段。20世紀60年代，美國學者率先提出了熱管加熱法，并鋪筑試驗路面驗證了此種方法的可行性。接著美國懷俄明州將其應用于一條大縱坡道路中，用工程實踐證明了熱管加熱法的有效性?；诖?，越來越多的學者展開了熱管工質(zhì)、熱源、施工結(jié)構(gòu)等熱管傳熱特性影響方面的研究（圖5）。

熱管加熱法僅利用淺層地熱資源就能實現(xiàn)路面融冰化雪，十分綠色環(huán)保。但是它對管材密閉性和耐腐蝕性要求高，在建成之后如果發(fā)生滲漏，維修將極其艱難，并且熱管加熱法更適用于未建設(shè)完成的道路，適應面受限。

2.3.4 微波除冰

微波除冰最開始是用在飛機機翼除冰上，也屬于機械除冰?；驹硎鞘褂貌ㄩL為0.1 mm～1 m，頻率為0.3～300 GHz的電磁波，利用路面冰層不吸收微波而道路材料要吸收，并通過吸收微波提升溫度，使路面與冰層間的粘結(jié)界面化開。一般而言，路面微波除冰機組包含發(fā)電機組、微波發(fā)生裝置、碎冰裝置、收集裝置4部分。發(fā)電機組提供整個機組運行能量，微波發(fā)生裝置加熱路面，碎冰裝置破碎分離的冰層，收集裝置將碎冰去除。早在1987年美國就開展過微波路面除冰工作，并設(shè)計了初始微波除冰車，但由于效率低下，被迫中止。后來有學者提出在瀝青混合料中摻入一定磁鐵石來提高加熱效率，試驗效果顯著，這種措施也成為了微波除冰中的關(guān)鍵之一（圖6）。

微波加熱的速度很快、加熱效率高、加熱均勻、即時控制性好，無廢水、廢氣、廢物、輻射遺留物產(chǎn)生，環(huán)境友好，安全無害。但是，也是由于微波的強勁穿透力，使得它加熱深度大，嚴重減弱了除冰效率，制約了推廣。目前，有一些研究機構(gòu)提出可以在傳統(tǒng)瀝青路面中加入電磁材料，提升路面吸收微波效率，降低機組工作能耗。但是，路面微波除冰技術(shù)涉及多個學科，路面除冰是最終目的，路面加熱是手段，機組結(jié)構(gòu)與性能是基礎(chǔ)。因此，微波吸收路面和微波除冰機組的統(tǒng)籌開發(fā)是十分必要且關(guān)鍵的。

3 結(jié)束語

低溫天氣路面的積雪結(jié)冰對行車安全有很大的負面影響，目前國內(nèi)外采用的或是正處于研究階段的除冰技術(shù)各有優(yōu)劣。新技術(shù)固然更具有自動化、環(huán)保、高效的優(yōu)勢，但相應的也存在各種技術(shù)上困難，和施工條件的局限。并且大多除冰技術(shù)都是基于未建成的道路，要對已建成的道路施工則代價太大。未來對于路面除冰技術(shù)的發(fā)展會朝著主動智能、高效長久、綠色經(jīng)濟的需求繼續(xù)前進，同時也要針對已建成的道路除冰進行研究，擴大應用范圍。

四川省現(xiàn)階段高速公路覆蓋全域，跨域范圍氣候特征變化較大，要保證低溫天氣下公路交通的安全運營，必須堅持因地制宜、綜合運用的原則。結(jié)合區(qū)域氣候、地形特征及經(jīng)濟條件等情況，合理地選擇高效、優(yōu)質(zhì)、低投入的道路融冰除雪技術(shù)去發(fā)展和推廣。這樣才有利于交通安全的提高，有助于社會的經(jīng)濟發(fā)展，有益于提升人民生活的幸福感，促進城市建設(shè)。

參考文獻

[1] 鄭少鵬，程志豪，蘇宇，等.惡劣氣象條件對路面濕滑系數(shù)的影響研究[J].中外公路，2017， 37（1）：24-28.

[2] 彭旭東，雷毅，宗長富，等.冰雪面上汽車輪胎的摩擦學研究[C]//第七屆全國摩擦學大會.2002.

[3] 張來儀. 融雪劑，用與不用都需要勇氣[J]. 環(huán)境， 2016（2）：70-73.

[4] 張洪偉，韓森，張麗娟，等. 鹽化物瀝青混凝土抑制結(jié)冰與融雪試驗[J]. 長安大學學報：自然科學版， 2011（2）：17-20.

[5] 黎聰，劉宗戰(zhàn)，張春暉，等. 國內(nèi)路面冰雪清除技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 機械制造與自動化， 2014（4）：68-70.

[6] 洪丹. 抗凝冰粗糙路面技術(shù)研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2010.

[7] 鄭雪莎. 大孔隙環(huán)保降噪瀝青路面融冰雪涂層研究[J]. 福建交通科技， 2018（4）.

[8] 姚莉莉. 橡膠顆粒彈性除冰路面關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安：長安大學， 2012.

[9] 朱云升，張繼昕，楊柳，等. 凝冰瀝青路面主動除冰技術(shù)研究[J]. 工程與建設(shè)，2017（6）：818-822.

[10] 高英力，代凱明，黃亮，等. 超疏水-防覆冰技術(shù)在公路路面中的研究應用進展[J]. 材料導報， 2017（1）：106-112.

[11] 蔡毅. 不同纖維瀝青混合料性能研究[D].長安大學，2019.

[12] 高青，黃勇，劉研，等. 循環(huán)熱流體路面融雪化冰過程傳熱及其應用分析[J]. 熱科學與技術(shù)， 2009（2）：124-130.

[13] 高杰，張正偉，韓振強，等. 電磁波吸收材料用于微波融冰雪路面的研究進展[J]. 材料導報， 2016， 30（23）：87-95.

[14] 劉志勝，武勝兵，劉鵬飛，等. 導電瀝青混凝土及其功能特性研究進展[J]. 材料導報， 2017（31）：374-378.

[15] 洪娜，李孔清，王嘉，等. 我國道路主動冰雪防治技術(shù)發(fā)展趨勢分析[J]. 黑龍江交通科技， 2017， 40（12）：192-194.