王曉麗

（麻城市公路管理局，湖北 麻城 438300）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路和城市道路建設(shè)規(guī)模不斷加大。截至2019 年底，中國(guó)公路總里程達(dá)到484.65 萬公里，高速公路總里程達(dá)到14.26 萬公里，居世界第一。但相應(yīng)的配套設(shè)施建設(shè)仍然不足，交通安全設(shè)施配套不完善，監(jiān)管制度存在缺陷，設(shè)施領(lǐng)域的研究跟不上道路建設(shè)的發(fā)展。近年來，由于惡劣天氣，特別是冬季路面積雪結(jié)冰造成的交通事故頻發(fā)，給交通安全帶來了不利影響，影響了交通出行，阻礙了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。發(fā)展更科學(xué)、高效、綠色的除雪融冰技術(shù)，解決道路路面積雪結(jié)冰導(dǎo)致路面打滑的問題成為業(yè)界研究的重要課題。

1 路面積雪凝冰的危害

我國(guó)約60%的高速公路冬季存在積雪結(jié)冰現(xiàn)象。路面積雪結(jié)冰時(shí)，道路附著系數(shù)大幅降低，嚴(yán)重影響車輛的行駛安全。據(jù)資料顯示，干燥瀝青路面的附著系數(shù)為0.6；凝冰瀝青路面的附著系數(shù)為0.15，僅為干燥瀝青路面附著系數(shù)的1/4；積雪瀝青路面的附著系數(shù)為0.2，僅為干燥瀝青路面附著系數(shù)的1/3。因此，車輛在凝冰積雪路面上行駛時(shí)容易打滑，事故發(fā)生率高，嚴(yán)重影響車輛行駛安全和人身安全。因此，有必要采取有效的方法對(duì)道路上的積雪凝冰進(jìn)行清除，降低交通事故的發(fā)生率，提高道路的通行效率[1]。

2 除雪抗凝冰技術(shù)

2.1 被動(dòng)除冰雪技術(shù)

2.1.1 人工、機(jī)械清除冰雪法

人工除冰雪法是利用人工將路面積雪凝冰破碎并轉(zhuǎn)移至其他場(chǎng)所。人工除冰雪法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)冰雪的清除徹底、道路建設(shè)階段無需額外投入，缺點(diǎn)是效率低、成本高、作業(yè)時(shí)影響交通通行、安全性低。人工除冰雪法一般與機(jī)械除冰雪法相結(jié)合，適用于彎道、大縱坡等重點(diǎn)道路。

機(jī)械除冰雪法是指通過某些機(jī)械對(duì)路面上的冰雪直接作用，使凝冰積雪從道路表面脫落，直接達(dá)到清除冰雪的效果。所用機(jī)械主要分為吹雪式機(jī)械、掃雪式機(jī)械、推雪式機(jī)械等。機(jī)械除冰雪法的優(yōu)點(diǎn)是相較于人工除冰雪法速率更快，缺點(diǎn)是：①機(jī)械設(shè)備作業(yè)會(huì)影響交通通行；②當(dāng)氣溫較低時(shí)，由于冰與路面的黏結(jié)力較大，除冰機(jī)械容易對(duì)路面造成磨損，影響路面使用壽命[2]；③除凈率低，雖能大致清除路面上的冰雪使路面裸露，但從微觀上看，道路凹凸處仍有冰雪堆積，于路面上形成了冰雪層，車輪與路面間的附著力依然很小，行車安全得不到有效保障；④路面的防滑能力無法從根本上提高，除去積雪后，大都需要再在路面撒防滑劑和除冰鹽等；⑤機(jī)械除冰雪需要大量的物力和人力，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)正常交通；⑥國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鏟雪機(jī)功能單一，設(shè)備利用率較低，而國(guó)外的綜合除雪機(jī)價(jià)格高，維護(hù)費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)效益差，適用范圍受限。

2.1.2 撒布融雪劑法

融雪劑技術(shù)屬于傳統(tǒng)化學(xué)類的除凝冰積雪技術(shù)，通過撒布除雪劑降低冰點(diǎn)，達(dá)到融雪抗冰的目的。融冰雪劑的撒布方式分為干式撒布和預(yù)濕撒布，其融雪機(jī)理是融雪劑與路面的凝冰積雪發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低道路表面水的冰點(diǎn)使冰雪融化。不同的是，干式撒布時(shí)融冰雪劑需要吸收地上的濕氣形成溶液，而預(yù)濕撒布則是將融冰雪劑與撒布機(jī)里一定比例的水混合形成溶液。

根據(jù)主要化學(xué)成分不同，融雪劑分為氯鹽融雪劑和有機(jī)融雪劑。氯鹽融雪劑的主要成分是氯化鈉或氯化鈣。這種融雪劑由于冰點(diǎn)低、除雪效果好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前是我國(guó)公路、城市道路主要采用的融雪劑。隨著氯鹽融雪劑的廣泛應(yīng)用，其對(duì)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)面影響也逐漸顯現(xiàn)。由于氯鹽融雪劑的主要成分是氯離子，對(duì)植物、土壤、水質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生不良影響。氯鹽融雪劑融化后滲入土壤，土壤內(nèi)累積的鹽分含量過高，使土壤板結(jié)形成片狀或塊狀結(jié)構(gòu)[3]，融雪劑中的氯鹽長(zhǎng)期滯留在土壤中，將影響植物的正常生長(zhǎng)、代謝。隨著雪水、雨水的沖刷，原本散布在路面的融雪劑融化后，伴隨著水的自然循環(huán)進(jìn)入河流、湖泊、地下水等水域，水質(zhì)受到污染將發(fā)生不可逆的變化。氯融除雪劑還會(huì)使道路及其附屬設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，包括物理破壞（如：氯鹽的溶解和結(jié)晶過程中發(fā)生凍脹，會(huì)造成瀝青、水泥混凝土出現(xiàn)剝蝕、開裂、剝離等病害）和化學(xué)破壞（指氯鹽與混凝土中的堿骨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生復(fù)鹽，從而降低混凝土的堿性，降低其附著能力，導(dǎo)致石材剝落，產(chǎn)生一系列病害）。此外，氯離子還會(huì)破壞鋼筋，鋼筋在混凝土的堿環(huán)境下形成鈍化膜，鈍化膜被破壞后變得活躍，導(dǎo)致鋼筋混凝土出現(xiàn)銹脹、漏筋等病害，強(qiáng)度降低，壽命縮短[4]。

為了減少融雪劑對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和對(duì)自然環(huán)境的危害，有機(jī)融雪劑被研發(fā)并投入應(yīng)用。有機(jī)融雪劑的主要成分是酒精類、醋酸鹽類等，但是其冰點(diǎn)高、成本高、除雪效果不強(qiáng)等問題仍難以解決。目前，有機(jī)融雪劑只用于國(guó)內(nèi)部分機(jī)場(chǎng)路面。

2.2 主動(dòng)清除冰雪技術(shù)

2.2.1 高彈抑凍類

高彈抑凍類主動(dòng)除冰雪技術(shù)是通過在鋪裝道路表層時(shí)，將以橡膠粒子為主的高彈性材料嵌入，利用路面結(jié)構(gòu)材料與高彈性材料彈性模量的不同，使路面和輪胎的接觸形態(tài)發(fā)生變化，因此添加的彈性材料具有很強(qiáng)的變形能力，此時(shí)路面在行駛荷載的作用下產(chǎn)生自應(yīng)力，利用路面層的變形差使路面的結(jié)冰破碎，加速冰雪融化，從而達(dá)到消除路面積雪結(jié)冰的目的[5]。

目前，該技術(shù)主要采用鑲嵌鋪裝技術(shù)，將直徑約為2cm的橡膠塊均勻撒布至剛攤鋪完成的瀝青混合料路面表層，壓路機(jī)將橡膠塊壓入瀝青路面。此技術(shù)于20世紀(jì)70 年代由瑞典道路研究所研發(fā)。研究表明，該技術(shù)具有較好的融雪抗冰效果和一定的防滑效果，提高了道路的舒適性，減少了道路噪聲。但是，當(dāng)周邊環(huán)境溫度過低，冰膜、積雪厚度過大時(shí)，其除冰雪性能受到很大限制。并且該方法需要在冰膜破裂后與除雪機(jī)械設(shè)備配合作業(yè)。由于橡膠粒子與瀝青混合料間結(jié)合不緊密，因此在行車荷載或外部因素的作用下容易脫落，影響路面平整度，發(fā)展成松散、坑槽等病害[2]。

2.2.2 熱力融冰雪類

熱力融冰雪技術(shù)是利用外部熱源加熱路面，使路面溫度高于0℃，減少路面結(jié)冰時(shí)間。根據(jù)加熱源的不同，分為電纜加熱、導(dǎo)電混凝土、熱管加熱等。

熱電纜融冰雪技術(shù)是指在路面下敷設(shè)發(fā)熱電纜和電熱材料，以電力為能源，將電能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱路面，預(yù)防道路積雪凍結(jié)，快速清除道路上的冰雪[6]。1961 年，這項(xiàng)技術(shù)在美國(guó)首次應(yīng)用于道路融雪，獲得了良好的效果。2006 年，我國(guó)首次引進(jìn)“電加熱溫控制融雪技術(shù)”，應(yīng)用于哈爾濱文昌大橋的轉(zhuǎn)彎處。這種方法具有熱穩(wěn)定性好、融雪效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于電熱材料自身?xiàng)l件限制，致使其埋置深度較淺，連續(xù)溫差容易影響路面瀝青混合料的穩(wěn)定性，使其易受車輛荷載的影響，限制了其使用壽命以及后期養(yǎng)護(hù)工作的開展。

導(dǎo)電混凝土法是在混凝土中直接添加鐵屑、鋼纖維、石墨等導(dǎo)電纖維，使混凝土成為穩(wěn)定的導(dǎo)體，再通電到至路面，使電能穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為熱能。導(dǎo)電混凝土具有良好的導(dǎo)電性和電熱性，但存在導(dǎo)電纖維材料在混合料中分布不均勻、被腐蝕等技術(shù)問題，并且由于混合料中摻入大量的導(dǎo)電纖維導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。

熱管加熱除雪法是利用預(yù)先鋪設(shè)在混凝土內(nèi)部管道中的流體材料的相位變化，將地下熱量傳遞至路面，融化消除路面冰雪。熱管系統(tǒng)由蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段組成。蒸發(fā)段設(shè)置于地下深處，冷凝段設(shè)置于路面層，絕熱段設(shè)置于結(jié)冰層附近。內(nèi)置流體材料通常為氨和氟利昂等。管內(nèi)流體于地下深處的蒸發(fā)段中吸熱蒸發(fā)，上升至冷凝段液化散熱后回流到蒸發(fā)段，通過這一循環(huán)將地下熱量輸送到路面。熱管加熱系統(tǒng)無需外置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就能自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)路面與埋置蒸發(fā)段的土壤存在溫度差時(shí)便開始啟動(dòng)，缺乏可控性。周邊環(huán)境過低時(shí)，其應(yīng)用效果會(huì)受到很大限制。

2.2.3 添加鹽化物混合料類

添加鹽化物混合料類即蓄鹽混合料，蓄鹽路面是預(yù)先在混合料中添加蓄鹽添加劑，使蓄鹽混合料具有自發(fā)性除雪效果的路面。其除冰雪機(jī)理主要通過降低冰點(diǎn)和降低冰與路面間的黏附力從而實(shí)現(xiàn)融雪抗凝冰目的。

蓄鹽材料大部分是可溶性鹽。在雨雪天氣初期，路面的降雪未堆積或未凝結(jié)成冰時(shí)，在汽車荷載與輪胎摩擦作用下融化成水。由于毛細(xì)孔作用和鹽的吸濕作用，鹽的表面被薄膜狀的飽和鹽溶液包圍，形成“鹽水”，從而降低道路表層水的冰點(diǎn)，緩解早期道路結(jié)冰現(xiàn)象。在雨雪天氣后，該層的“鹽水”在凍結(jié)后期作為上層冰與瀝青路面層之間的“第三過渡帶”發(fā)揮作用。由此，蓄鹽路面結(jié)冰時(shí)的“瀝青層-蓄鹽冰膜層-表面冰”結(jié)構(gòu)與通常瀝青路面凍結(jié)時(shí)的“瀝青層-表面冰”結(jié)構(gòu)不同。由于蓄鹽路面各層結(jié)構(gòu)的壓縮率不同，因此在外力作用下各層的結(jié)構(gòu)，特別是蓄鹽冰膜層的結(jié)構(gòu)的變形比上下結(jié)構(gòu)層的變形大，從而導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)層之間的黏附力下降，也有效降低了冰與瀝青表面層間的黏附力，達(dá)到除冰的效果。蓄鹽路面在冬季溫度低的情況下適用范圍廣，冰點(diǎn)可以降低到-15～0°C，且0°C 時(shí)冰雪凍結(jié)抑制效果顯著，能夠達(dá)到“小雪不堆積，積雪易剝離”的效果。

蓄鹽路面的優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）路用性能良好。與高彈瀝青路面、熱力融冰雪技術(shù)相比，蓄鹽材料以外加劑的形式添加到混合料中，未改變混合料的配合比、未改變混合料所處環(huán)境溫度區(qū)間，更好地保持了混合料的路用性能。

（2）施工簡(jiǎn)便。由于蓄鹽材料是以外加劑的形式添加到混合料中，適用于各種混合料且施工中不需要配備專業(yè)的施工機(jī)械，因此施工流程簡(jiǎn)單。

（3）長(zhǎng)效性好，成本低。與人工、機(jī)械清除道路冰雪花費(fèi)的時(shí)間、人力、財(cái)力相比，蓄鹽路面的除雪抗冰能力可持續(xù)性強(qiáng)，除雪抗冰效果可以保持更久，并且為一次性投入，后續(xù)不需要持續(xù)投入，因此可以為管養(yǎng)單位節(jié)省大量的維修管理費(fèi)用。與撒布融雪劑對(duì)瀝青路面及環(huán)境造成的嚴(yán)重破壞相比，蓄鹽材料屬于環(huán)境友好型材料，對(duì)自然環(huán)境和道路設(shè)施沒有損害。

3 工程實(shí)例

為驗(yàn)證蓄鹽路面的適應(yīng)性與路用性能，在S289 神農(nóng)架段鋪筑了試驗(yàn)路段。該試驗(yàn)段位于距野人谷隧道4.9km 處的山谷內(nèi)，總長(zhǎng)300m，平均海拔1 408m。該路段深谷與大轉(zhuǎn)角組合，三面環(huán)山，終年光照匱乏。

3.1 原材料及配合比

試驗(yàn)段瀝青混凝土所用的SBS改性瀝青經(jīng)檢驗(yàn)合格后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。所用碎石為宜昌霧渡河玄武巖，符合規(guī)范要求，配合比設(shè)計(jì)見圖1。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)融雪效果

攤鋪碾壓結(jié)束，待鋪筑路面溫度與周圍環(huán)境一致后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)融雪試驗(yàn)。通過觀察積雪的融化速度，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)應(yīng)用效果?，F(xiàn)場(chǎng)觀察的融雪效果見圖2～圖4。

3.2.2 融冰效果后期跟蹤

在試驗(yàn)段鋪筑結(jié)束后，在雪天進(jìn)行了多次后期效果跟蹤監(jiān)測(cè)（見圖5），結(jié)果顯示蓄鹽融冰試驗(yàn)段在小雪天氣可以保持路面無積雪、不結(jié)冰，在大雪天氣可以保持路面與積雪不黏結(jié)、可輕易剝離，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖1 配合比設(shè)計(jì)

圖2 融雪試驗(yàn)初始效果

圖3 融雪試驗(yàn)終期效果

圖4 厚積雪剝離

4 結(jié)語

目前，人工、機(jī)械和融雪劑除冰雪等傳統(tǒng)被動(dòng)型除冰雪技術(shù)仍是應(yīng)用最廣泛的方法，電熱、地?zé)帷⑿滦吐访娌牧系戎鲃?dòng)融雪技術(shù)尚處于研發(fā)和小范圍試驗(yàn)階段。隨著交通量的增長(zhǎng)及人們對(duì)安全、環(huán)保的重視，傳統(tǒng)的除冰雪方法已難以滿足社會(huì)需求，需進(jìn)一步研發(fā)、推廣新型的除雪融冰技術(shù)。

圖5 雪后跟蹤觀測(cè)效果