我國道路主動冰雪防治技術發展趨勢分析

洪 娜，李孔清，王 嘉，王丹鳳

(湖南科技大學 土木學院，湖南 湘潭 411201)

1 抗凝冰路面

1.1 物理類抗凝冰路面

物理類抗凝冰路面主要是利用特殊路面構造的力學性能破壞冰層，適合于無大量積雪的潮濕路段，如云貴川湘的山區路段。粗糙路面和彈性路面是兩種常見的實現形式。

粗糙路面是通過提高路面粗糙度，加深路面構造深度，彌補暗冰對路面的影響，加速融化后冰水的排走，保證足夠的路表抗滑能力。粗糙路面不僅能在冬季緩解路面結冰，在平時還具有降低路面噪聲、減少路面陽光輻射的優點。2008年，長安大學韓森教授使用露石混凝土技術在內蒙古鋪了近10 km的粗糙路面，防冰效果良好，經車輪壓后表面冰層容易破壞。但這項技術的產生時間較短，施工工藝尚未形成標準。另外，路表灰塵易在路面結構中積存，造成粗糙路面表面間隙堵塞，影響雪水的排除。

彈性路面是指在路面鋪裝瀝青材料中添加或置換一定量的彈性材料，利用彈性材料與凝冰的剛性差異、彈性材料與其他路面材料和凝冰的粘結性差異，在車輛經過時，彈性材料周圍產生集中應力，使路面冰雪破碎融化。也可在普通瀝青路面鋪裝完成后，將彈性材料鑲嵌在道路表面形成彈性路面。國內外常用的彈性材料多是由廢舊輪胎加工而成的橡膠顆粒，這為橡膠材料的回收利用提供了新的處理途徑。2003年，我國西部課題《橡膠顆粒路面應用技術的研究》立項，對橡膠顆粒性質、混合料的配比及成型、除冰雪性能等展開研究，并在新疆鋪裝一段300 m的試驗路段，防冰效果良好。2009年滬蓉西高速鋪裝了雙幅6 km的橡膠混凝土路面，為橡膠瀝青材料的改性機理、生產、施工提供了新的技術指導。近來有學者對橡膠路面進行了優化，發現在路面混合材料中添加舊混凝土、防凍劑能提高彈性路面的防冰效果。研究了橡膠顆粒粒徑、外界溫度、結冰厚度和負載對防冰效果的影響，為工程實踐提供了理論支持。

1.2 化學類抗凝冰路面

化學類抗凝冰技術是指在路面混合料中加入某種具有抗凝冰性能的化學物質，在雨雪天氣抗凝冰物質溶出，降低路面冰點，達到路面防凍和覆冰剝落的效果。根據抗凝冰材料不同的施工方式，可將路面分為填充型抗凝冰路面和抗凝冰涂層路面。

填充型抗凝冰路面是指將抗凝冰材料摻入到路面結構中，在雨雪天氣析出，起到抗凝冰作用。常見的填充型抗凝冰材料有：Verglimit、Mafilon和Icebane。另外，我國研究者借鑒藥丸生產過程中的“薄膜包衣技術”自主研究出一種新型抗凝冰材料Iceguard，并在室內外對其進行了檢測，滿足道路使用要求，融雪效果明顯。自主制備了兩種包覆材料，通過室內外實驗證明其路用性能和融雪抑冰性能與國外產品相當。根據填充型抗凝冰材料的融雪抑冰機理，結合對Mafilon的研究，研發了一種適合我國實際情況的復合鹽分填充類抗凝冰材料，為抗凝冰材料在國內的推廣做出了貢獻。填充型抗凝冰路面在國內外成功應用實例豐富，路面的鋪裝技術已發展成熟，短期的抗凝冰效果良好，但關于此項技術的一些理論研究還不夠充分，我們應加強填充型抗凝冰材料的防冰機理分析和抗凝冰有效成分的改善，降低其應用成本，減小鹽分對路面的損壞，延長其使用壽命。

抗凝冰涂層技術是指將抗凝冰材料與乳化瀝青處理形成抗凝冰瀝青膠漿，在結冰期來臨之前以涂層的形式刷在路面，來年視磨損情況再次涂刷。以硅藻土/氯化鹽為原料，制備了一種新型鹽分填充材料，并將顆粒與瀝青材料混合形成抗凝冰瀝青膠漿復合材料，提高瀝青混合料的綜合性能的同時解決了路面結冰問題。抗凝冰涂層技術施工簡單靈活，成本低，不破壞路面原始結構，具有很好的應用前景。2010年重慶鵬方路面工程技術研究院噴灑抗凝冰涂料技術的成功研發，加速了我國抗凝冰路面的發展。另外，防冰涂料在風力發電、戶外輸電設施、航空等領域均有研究和應用，我們可以引用借鑒。

2 自動噴淋防冰雪技術

自動噴淋系統主要由路面信息系統、噴淋系統和控制系統三個部分組成。路面信息系統監測道路和氣象參數的變化，控制系統進行數據分析，在冰雪降臨前，系統自動噴灑防冰劑，并對路面情況進行及時監控，調節防冰劑的噴灑量和噴灑時間，達到預防道路積雪結冰的目的。

自動噴淋防冰雪技術在歐美等國已發展了30多年，顯示出了良好的應用效果，為我國這項技術的發展提供了許多經驗。為引進自動噴淋防冰雪技術，2013年，湖南兩架高速特大橋作為試點工程，安裝了自主研發的橋梁自動防冰雪系統。在冰雪天氣提前開啟系統的情況下，橋面未出現結冰，冰雪開始后開啟系統，系統除冰效果明顯。與傳統人工拋灑除冰劑相比，自動噴淋系統噴灑更均勻，能顯著減少除冰劑的用量，減少對路面結構造成的腐蝕，降低道路的養護成本。但自動噴淋防冰雪系統的設計、安裝復雜，需定期對系統進行維護，初期投資高。因此我們在建設自動噴淋系統時應簡化安裝步驟和維護需求，完善自動化技術，提高系統的可靠性，降低運行成本。

為提高噴淋系統的使用效率，在非除冰防冰季節也可以充分利用噴淋系統，與城市供水系統聯合，平時可做道路除塵、綠化灌溉，夏季進行路面降溫，緊急情況下配合消防滅火。為提高系統的經濟性能，除冰劑可以閉路循環使用，提高除冰劑的使用效率，降低其對道路環境的影響。

3 熱力融雪除(防)冰技術

熱力融雪除(防)冰技術是利用外界熱源加熱路面，使路面溫度高于0 ℃，從而減少路面積雪結冰時間。根據加熱源的不同，可以分為電纜加熱、地熱、太陽能加熱等。

3.1 發熱電纜融雪除(防)冰技術

發熱電纜融雪除(防)冰技術是指在路面下鋪裝發熱電纜或者電熱材料，以電力為能源，將電能轉換成熱能，加熱路面，預防道路積雪結冰或及時清除道路已有冰雪。

在歐美等緯度較高的國家，發熱電纜的生產、安裝和技術研究已相當成熟，使用范圍也很廣泛，包括室外融雪化冰、地暖、管道伴熱系統等。美國1961年首次將這項技術應用到道路融雪除(防)冰中，與自動控制系統相結合，取得了不錯的路面融冰雪效果。我國2006年首次在哈爾濱文昌大橋匝道部分引進“電加熱溫控融雪技術”，電纜鋪設面積達1 700 m2。該項目采用的是傳統發熱電纜，系統能耗大，設備安裝要求高。碳纖維發熱線是比傳統發熱電纜的性能更加優良的新型發熱材料，具有熱轉化效率高、對混凝土本體結構影響小、價格便宜、使用壽命高等優點，更加適合于道路融雪除(防)冰技術。烏阿高速福海漁場收費站、蘭海高速貴遵段采用碳纖維發熱電纜進行路面融雪除(防)冰，取得了不錯的發熱效果，為我國碳纖維發熱電纜的鋪設提供了許多經驗。

目前，我國關于發熱電纜的探索主要集中在室內實驗和理論研究。通過實驗和有限元數值分析方法，對路表溫度分布和內部結構的升溫規律進行了研究，總結了發熱電纜融雪系統的熱工性質和基本規律，為發熱電纜的鋪裝功率設計、施工和運行提供了必要的理論指導。根據熱傳導的計算方法，建立了道路發熱電纜除冰系統的傳熱模型，使用有限元分析軟件對其進行數值求解，并根據實際情況模擬了道路表面的溫升情況，得到北京地區的發熱電纜鋪裝功率的使用范圍，為發熱電纜融雪除(防)冰技術提供實際指導。在室內模擬自然環境條件下研究了影響發熱電纜融冰效果的因素，得出電纜鋪裝間距與融冰時間的規律。提出將路面發熱電纜融雪除(防)冰技術與路面凝冰預警技術相結合，實現路面智能化融冰雪，為智能化道路冰雪防治類似工程提供參考和借鑒。

3.2 流體循環加熱法

流體循環加熱道路融雪除(防)冰技術是指將管道鋪裝在路面結構中，熱流體經過管道時釋放熱量，使路面溫度保持在一定范圍內防止道路結冰或者融化道路冰雪。加熱源常有地熱、溫泉水、太陽能、天然氣、城市余熱等。

流體循環加熱技術在國際上以北歐、日本和美國等國為代表。美國在1948年在俄勒岡州應用這項技術，之后弗吉尼亞交通部采用丙烷為熱源，加熱丙烯乙二醇和水混合液，結合熱管為一座長約35 m，寬約13 m的橋梁供熱，熱管的工質為氟利昂。1995年，日本建立了首例全自動路面集熱蓄能熱流體融雪化冰試驗系統，研究地下蓄能和道路融雪的時變規律和太陽能利用問題。到2005年日本已安裝超過25套地熱流體循環加熱融雪除(防)冰系統。瑞士在8#公路以太陽能為熱源進行了流體循環加熱融冰雪試驗，該項目將夏季橋面因太陽輻射產生的熱量收集并儲存在地下蓄熱池，冬季利用儲存的熱量加熱橋面防止結冰。

國外大量的實踐和研究指出，流體循環加熱道路融雪除(防)冰是一項極具發展前景的技術，可以因地制宜的利用可再生資源，或者和樓宇空調、城市供熱相結合，節能功效明顯，便于實現自動化處理。我國關于這方面的研究還處于起步階段，由于成本較高，尚未實際推廣，但在理論研究上取得了一些不錯的研究成果，這對我國流體循環加熱道路防融冰技術的發展奠定了基礎。目前我國對流體循環加熱道路融雪化冰技術研究主要包括：道路表面溫度的變化規律、不同埋管方式對路面溫度分布特性的影響、融化雪水對路面溫度場的影響、系統加熱負荷的探討。

3.3 導電混凝土技術

導電混凝土技術是指在路面材料中加入導電物質，提高混凝土的導電性能，在通過電流時，利用其熱效應加熱道路，達到預防或融化冰雪目的。常用的導電物質有：石墨、碳纖維、鋼纖維、炭黑等。

由于導電混凝土既具有導電性，又具有混凝土的性能，在許多領域有著巨大的應用前景。研究者對現有的道路融雪防冰技術進行了綜合對比調查，指出導電混凝土道路融雪除冰在經濟和技術上都很有效，并對鋼屑、鋼纖維、石墨等不同種類的導電混凝土展開了研究，將導電混凝土技術首次應用到實際路面除冰工程中，即美國Roca Spur橋。Roca Spur橋于2003年開通，之后對其導電混凝土層進行了5年的監測，數據顯示橋梁導電層的電阻率變化小，電阻穩定。

我國于20世紀80年代開始開展對導電混凝土的研究，經過30來年的發展，導電混凝土的配置技術已發展得相對成熟，并初步應用于電站、地板采暖等實際工程中，但導電混凝土道路融雪除(防)冰仍處于理論研究和室內實驗階段。實驗和實際工程發現，多相復合導電混凝土的力學性能、導電性能和耐久性比單相導電混凝土的性能更加優越。在導電混凝土技術在工程實際推廣中，也發現一些問題，如：混凝土導電性能的影響因素以及導電性在實際環境中的變化規律、導電過程中電子遷移對鋼筋混凝土耐久性的影響等。因此，我們應加強導電混凝土基礎理論性研究，為該技術的長久發展奠定基礎。

4 結論與建議

冬季道路養護是交通運輸的一個重點問題，我國道路冰雪防治技術還處于不斷探索過程中。融雪劑和機械除冰雪是我國道路冰雪防護的主要方法，道路主動冰雪防治技術應用尚少，處于實驗研究階段。傳統融雪劑的大量使用對道路結構和環境造成了很大的壓力，環保型融雪劑的研發和推廣是一個必然趨勢，有關部門應建立健全融雪劑的使用規范，為融雪劑的合理使用提供指導。抗凝冰路面、智能噴淋防冰系統和熱力融雪除(防)冰這類環保型、高成本的主動冰雪防治技術實際應用較少，我們應加強理論研究，開發通用型的工程設計軟件，推動主動融雪除(防)冰技術的發展。熱力融雪除(防)冰技術是適用范圍廣，運行維護簡單，效果明顯，我們應理論研究和實驗研究同步發展，提出實用的設計方法，為具體實踐提供服務。主動融雪除(防)冰技術的成功實施離不開道路環境監測，將濕度、溫度等與冰雪防治相關的參數納入道路交通檢測中，或者將道路冰雪監控系統與天氣預報系統相結合，能夠為主動融雪除(防)冰系統設計提供很大的便利。我國道路冰雪防治研究起步晚，理論實踐要跟蹤世界前沿水平，通過探索道路防融冰的基礎理論，指導工程應用，推動我國道路防融冰技術的發展。

[1] 賀先訪. 自應力彈性瀝青混合料路面除冰效果研究[J].山西建筑,2016，46(3):142-144.

[2] 彭磊.自融雪瀝青路面外加劑制備與運用研究[D].長安大學，2013.

[3] 熊巍, 羅增杰, 周大華,等. 瀝青路面用防冰材料的研制及試驗研究[J]. 公路與汽運, 2013(4):117-119.