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《北方交通》2014年第五期

1研究現狀

1.1導電混凝土法在普通混凝土中添加一定含量的導電組份，可使其變為導電體。對導電混凝土施加直流或交流電，混凝土溫度升高，熱量傳導至冰雪中，從而達到融雪除冰的目的。20世紀90年代，加拿大的XiePing，J.J.Beaudoin等提出將導電混凝土用于道路融雪。他們對導電混凝土融雪化冰的有效性進行了研究，同時證明這種材料也具有較高的力學性能。美國內布拉斯加州公路局進行了導電混凝土的路用實驗，將36m長、8.5m寬的導電混凝土敷設在一座公路橋上，取得了較好的使用效果。我國的部分科研機構也對導電混凝土材料進行了研究。廣州大學趙若紅等通過大量試驗優化配方，制備了導電混凝土試塊，研究了不同電壓下混凝土的升溫性能以及混凝土的最優能耗電壓，給出了導電混凝土溫度與電流之間的初步經驗公式;張永健等為解決矮寨特大橋的橋面融雪除冰問題，提出采用導電瀝青混凝土方案，并進行了室內試驗，測試了不同電壓下導電瀝青混凝土試件的升溫情況。混凝土導電技術在瀝青混凝土中的應用已經證明可以實現，但其主要缺點是成本過高、導電瀝青混凝土強度不足。如何在不損傷瀝青混凝土路用性能的基礎上最大限度地提高其電學性能，保證其路用性能的耐久性和電學性能的穩定性是今后需要深入研究的方向。

1.2自應力彈性路面通過在路面材料內添加一定量的彈性顆粒材料，改變路面與輪胎的接觸狀態和路面的變形特性，利用彈性材料局部變形能力較強的特點，通過路面在外荷載作用下產生自應力，使路面冰雪破碎、融化，從而抑制路面積雪和結冰。丁慶軍等研制了高連通孔隙瀝青路面材料，以高連通孔隙瀝青路面材料為基體，添加環保型融雪除冰劑，采用室內試驗研究了空隙率不同時，高連通孔隙路面材料的路用性能，除冰、降噪、抗滑性能，并與AC－13、SMA－13路面材料的融雪除冰效果進行了對比。李悅等采用高粘高彈改性瀝青和融雪劑加入開級配道路材料中，研制了自應力彈性路面。試驗表明，含融雪劑的瀝青混合料的水穩定性能有所降低。本研究還在河北省某高速公路上鋪設了試驗段，但實際除冰效果沒有說明。利用自應力進行除冰的彈性路面雖然理論上可行，但缺少試驗路驗證，實際路用效果還有待證實。另外，室內試驗研究已經證明，彈性路面僅依靠自應力除冰效果不佳，因此需要添加除冰劑或融雪劑，然而這些添加劑會對路面材料的其他路用性能產生不利影響。

1.3太陽、土壤源熱管融雪技術太陽能實時融雪化冰技術利用光伏或光熱系統實現，前者是太陽能儲存轉化系統給埋置在路面中的電管加熱，后者是采用太陽能加熱低溫下不凍結的液體，加熱液體通過路面導管進行循環，使路面積雪融化。在地熱資源豐富的地區，也可利用土壤源熱管實現除冰融雪的目的。冰島地熱資源豐富，其全國利用地熱除冰的面積已達74萬平米。我國多家研究機構對地熱和太陽能除冰方法進行了研究。張軍等基于熱管技術，設計了“地熱熱管道路融雪系統”，采用重力式熱管將恒溫層中的熱量傳遞到道路表面以防止積雪。通過對熱管及土壤中傳熱過程分析，建立熱管當量對流換熱系數的物理模型，形成模擬熱管在土壤中換熱過程的數值方法。得到了熱管運行30d土壤溫度分布的變化過程。管昌生等介紹了地源熱泵技術在道路融雪中的應用，分析融雪熱水管常規設計方法的局限性，通過對道路融雪影響因素隨機分析，提出熱水管可靠性設計方法。得到了基于道路體熱阻隨機性和考慮管長變異性的熱水管長設計公式。徐慧寧等基于太陽能—土壤源熱能耦合道路融雪試驗系統，開展了能量轉化型道路融雪性能的研究，分析了融雪過程道路溫度場的變化規律并對影響系統融雪效果的因素進行了探討。利用太陽能或地熱能融雪除冰，雖然綠色環保，但受地域條件限制較大，部分地區光照時間或地熱資源缺乏，無法采用本方法。另外，該方法儲能問題比較突出，目前還沒有提出十分有效的解決方案。

1.4微波除冰技術美國在20世紀80年代提出了利用微波加熱并結合機械除冰裝置來清除道路積冰的理論。將微波應用于道路除冰面臨的最大問題是傳統集料鋪筑的道路路面微波吸收發熱效率很低，難以實現快速融雪除冰。長安大學發現微波與磁鐵具有較強的耦合發熱效應，進一步提出了將磁鐵礦石破碎成集料鋪筑瀝青路面以提高道路微波除冰效率的研究設想。郭德棟對基于微波和磁鐵耦合效應的融雪除冰技術進行了試驗研究。焦生杰等采用數值分析與試驗的方法對微波除冰頻率進行了研究，指出采用5.8GHz的微波能夠提高除冰效率4～6倍，另外使用鐵磁性材料加鋪層能夠提高除冰效率3～5倍。截至目前，微波除冰未能實現真正的推廣應用，關鍵在于微波除冰效率過低，難以實現快速除冰。

1.5析出式低冰點融雪鹽技術鹽化物融雪瀝青路面是指在瀝青混合料中直接摻入具有抑制凍結效果的鹽化物，形成具有抑制凍結效果的路面，在毛細管壓力及車輛碾壓作用下，將瀝青混合料內部的鹽分逐漸析出，從而降低道路表面水的冰點，延遲道路表面積雪結冰。1986年日本首次在山形縣鋪筑粉體鹽化物瀝青路面。隨著新型化學類凍結抑制材料研究的逐步深入，化學類凍結抑制瀝青路面在日本大部分地區進行了推廣，截止2002年，日本國內化學類凍結抑制瀝青路面施工實例超過2000例，鋪筑面積約380萬平米。目前國內對此方法也進行了室內試驗研究。姜紹升等通過室內試驗，對比分析了摻加鹽化物融冰雪材料的瀝青路面和普通瀝青路面的凍結抑制效果。李福晉等對摻加了mafilon材料置換礦粉的瀝青混合料進行了路用性能試驗，結果表明，在相同礦料級配條件下，長效型主動融雪瀝青混合料高溫性能優良，隨著mafilon摻量增加其水穩性有所下降。張忠在SMA混合料中摻加鹽化物融雪劑，研究了配合比設計，進行了試驗段鋪筑，提出了鹽化物融雪劑應用的關鍵技術和施工控制要點。本方法雖然在日本已經有所應用，但在我國還處于研究探索階段。亟需解決的問題包括:鹽化物與我國常用路面材料的結合問題、耐久性的保證、鹽化物對瀝青混合料路用性能的影響等。

1.6融雪劑采用化學融雪劑方法融雪除冰也是各國普遍采用的方法。根據化學組成不同，融雪劑可分為氯鹽和有機鹽兩類。氯鹽除冰效果最好，價格低廉，但其對環境破壞大，對混凝土和鋼筋有腐蝕作用。有機類融雪劑主要為醋酸鹽類，美國DOT公司研制出不含氯離子、對環境無污染的融雪劑產品CMA(醋酸鈣鎂鹽)，該產品穩定性優良，但成本很高?，F階段，我國在道路融雪除冰工作中，融雪劑的使用量較大，因此研究價格低廉且環保的融雪劑十分必要。許英梅對有機鹽融雪劑CMA進行了深入研究，提出了采用生物質熱解廢液替代冰醋酸制備CMA類融雪劑的工藝方法，這種方法經濟可行。

1.7對目前研究成果的總體評價我國目前在清除道路冰雪時，大多是根據天氣預報提前準備除雪設備和融雪劑，主要依靠人工或機械設備被動除雪化冰。傳統的道路融雪除冰方法不僅耗用的人力物力過多而且時效性差。幾十年來，新的道路融雪除冰技術不斷提出，雖然一些方法已經開始進入應用階段，但總的看仍存在以下問題亟待解決:(1)目前的研究對形成冰雪災害的氣候和環境因素關注較少。這就導致不能預判冰雪災害是否會發生，不能在災害發生前發揮作用，采取預防措施。目前提出的方法大多時效性差，在災害發生初期存在處置措施的“真空”期，這期間事故和擁堵極易發生。(2)能源消耗過大。部分利用電能轉化熱能的融雪除冰方法需要耗用大量能源，加大了運營成本。(3)理論研究與實際運用效果差距較大。很多方法在理論上可行，但是實際效果不理想。從目前全國已經實施的部分試驗路段效果可以看出，許多方法存在融冰速度慢、效率低的缺點，而且不易克服。(4)耐久性不好。部分方法在使用初期效果較好，但不能保證耐久性，一旦失效，維護成本很高。

2基于信息技術的道路融雪除冰系統構想

如上一節所述，目前的除冰融雪技術存在時效性不強、耗能高或效果不佳等缺點，考慮到我國目前公路信息化正在加速發展，因此利用信息技術對冰雪災害進行監測和預警，進而能自動采取有效措施融雪除冰是一個新的研究思路?；谛畔⒓夹g的道路融雪除冰系統主要是通過在道路關鍵位置安裝氣象監控設備，對冰雪災害進行預警和實時監控。在冰雪警報發出后，預裝在公路護欄上的噴灑設備能自動啟動，按照程序設定的模式噴灑防凍液或融雪劑，達到及時控制冰雪災害發生或惡化的目的。該系統主要包括以下兩個子系統。(1)冰雪災害發生預警系統統計分析海拔、地形、溫度、濕度、風速、降雨等因素與冰雪災害發生的相關性;建立冰雪災害發生的判斷模型;通過在路段關鍵位置布置溫度、濕度、風速傳感器，對氣象狀況實時監測，判斷是否發出冰雪災害警報。(2)防凍液或融雪劑自動噴灑系統通過研究冰雪災害對公路橋、隧道出入口、長陡坡段行駛安全的影響，確定防凍液或融雪劑噴灑設備的安裝位置、間距;結合構造物具體形式研究防凍液或融雪劑管線、泵站的布設形式;在冰雪災害警報發出后能自動開啟防凍液、融雪劑噴灑設備。

3結語

隨著研究不斷深入，道路除冰融雪技術有了長足發展，但仍存在時效性不強、耗能高或效果不佳等缺點?？紤]到我國目前公路信息化正在加速發展，因此結合信息技術進行道路冰雪災害監測和預警，并能主動采取有效措施融雪除冰是未來的發展趨勢。本文僅對基于信息技術的除冰融雪系統做了初步構想，進一步的研究工作將在不久展開。

作者：岳福青單位：交通運輸部規劃研究院