王曉麗

（麻城市公路管理局，湖北 麻城 438300）

0 引言

隨著我國社會經(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，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 被動除冰雪技術(shù)

2.1.1 人工、機械清除冰雪法

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

機械除冰雪法是指通過某些機械對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。所用機械主要分為吹雪式機械、掃雪式機械、推雪式機械等。機械除冰雪法的優(yōu)點是相較于人工除冰雪法速率更快，缺點是：①機械設(shè)備作業(yè)會影響交通通行；②當(dāng)氣溫較低時，由于冰與路面的黏結(jié)力較大，除冰機械容易對路面造成磨損，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機械除冰雪需要大量的物力和人力，需要較長的時間才能恢復(fù)正常交通；⑥國內(nèi)生產(chǎn)的鏟雪機功能單一，設(shè)備利用率較低，而國外的綜合除雪機價格高，維護(hù)費用高，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，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使冰雪融化。不同的是，干式撒布時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低、除雪效果好、價格低廉等優(yōu)點，目前是我國公路、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，對植物、土壤、水質(zhì)都會產(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]，融雪劑中的氯鹽長期滯留在土壤中，將影響植物的正常生長、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，強度降低，壽命縮短[4]。

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

2.2 主動清除冰雪技術(shù)

2.2.1 高彈抑凍類

高彈抑凍類主動除冰雪技術(shù)是通過在鋪裝道路表層時，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的變形能力，此時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，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，這項技術(shù)在美國首次應(yīng)用于道路融雪，獲得了良好的效果。2006 年，我國首次引進(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。但是，由于電熱材料自身條件限制，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)動系統(tǒng)就能自動運轉(zhuǎn)，當(dāng)路面與埋置蒸發(fā)段的土壤存在溫度差時便開始啟動，缺乏可控性。周邊環(huán)境過低時，其應(yīng)用效果會受到很大限制。

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。其除冰雪機理主要通過降低冰點和降低冰與路面間的黏附力從而實現(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，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，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，冰點可以降低到-15～0°C，且0°C 時冰雪凍結(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)的施工機械，因此施工流程簡單。

（3）長效性好，成本低。與人工、機械清除道路冰雪花費的時間、人力、財力相比，蓄鹽路面的除雪抗冰能力可持續(xù)性強，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用。與撒布融雪劑對瀝青路面及環(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，對自然環(huán)境和道路設(shè)施沒有損害。

3 工程實例

為驗證蓄鹽路面的適應(yīng)性與路用性能，在S289 神農(nóng)架段鋪筑了試驗路段。該試驗段位于距野人谷隧道4.9km 處的山谷內(nèi)，總長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

試驗段瀝青混凝土所用的SBS改性瀝青經(jīng)檢驗合格后運至施工現(xiàn)場。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)計見圖1。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 現(xiàn)場確認(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)場融雪試驗。通過觀察積雪的融化速度，現(xiàn)場確認(rèn)應(yīng)用效果?，F(xiàn)場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（見圖5），結(jié)果顯示蓄鹽融冰試驗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

圖2 融雪試驗初始效果

圖3 融雪試驗終期效果

圖4 厚積雪剝離

4 結(jié)語

目前，人工、機械和融雪劑除冰雪等傳統(tǒng)被動型除冰雪技術(shù)仍是應(yīng)用最廣泛的方法，電熱、地?zé)?、新型路面材料等主動融雪技術(shù)尚處于研發(fā)和小范圍試驗階段。隨著交通量的增長及人們對安全、環(huán)保的重視，傳統(tǒng)的除冰雪方法已難以滿足社會需求，需進(jìn)一步研發(fā)、推廣新型的除雪融冰技術(shù)。

圖5 雪后跟蹤觀測效果