道路除冰技术与微波除冰方法研究综述

李飞扬 陈绪栋

【摘要】本文总结了现有道路除冰技术的优缺点，提出了研究微波除冰方法的必要性和可行性。对比总结了各研究成果，提出了解决限制微波除冰方法发展的解决方案。

【关键词】路面，除冰，微波

1 前言

近年来极端天气的频繁出现，我国和世界其他国家经常遭受严重冰雪灾害袭击，导致陆运交通受阻。目前使用的各种除冰方法均会对环境产生严重负荷，且除冰效果不佳。微波除冰方法的提出，将很大程度上使能量利用高效化，实现节能减排，且微波除冰方法直接作用于路表面，有即时性，对环境负荷小。除冰效率制约着微波除冰技术推广，这也是研究的重点。由于路面材料的微波敏感度低，微波作用于路面的时间有限，导致其融化冰雪的速度非常低，这就是微波除冰方法无法运用于实际的根本原因。

2 道路除冰技术简介

韩志斌[1]将道路除冰方法分为：被动型和主动型两个大类，被动型除冰雪技术主要是当路面出现凝冰或积雪时，人为的利用一些技术手段来清除道路上的冰雪的一种被动措施。主要可以分为：人工除雪、机械除雪、融雪剂除雪。而主动型除冰雪技术是指通过设计路面的组成和结构重新铺装，使其具有边下雪边融化的功能和特性，能主动抑制路面结冰。主要可以分为：弹性路面融雪技术、能量转化型融冰雪技术、化学类冻结抑制技术、耐磨抗滑技术、融冰雪路面涂层技术。根据资料显示，被动型融雪除冰技术均有资源消耗高、除冰效率低或者对环境影响大的缺陷。而主动型除冰技术通常具有使用条件受限、能耗高、作用时效长或者可操作性低等缺点而无法得到广泛应用。[1-3]

3 微波除冰方法

3.1 微波除冰技术的国内外研究现状

美国在20世纪80年代就提出利用微波加热结合机械除冰装置来清除道路积冰的理论，并进行了相关的研究和实验。1987年的"SHRP"项目中，Jack Monson在道路非接触式除冰项目中又进行了研究。2005年，美国明尼苏达大学的Hopstock将铁燧岩作为沥青路面面层材料，以增强路面表层的微波吸收能力，提高微波除冰效率。[2-4] 2003年，国内北方交通大学的徐宇工[5]等使用微波炉做了部分微波除冰的室内试验，研究了微波透射冰层试验，不同材质、不同含水量道路材料对微波吸收率的影响，设计了微波除冰车的原型。山东大学的研究发现微波与磁铁具有较高的耦合发热效应，提出了将磁铁矿石破碎成集料铺筑沥青路面以提高道路微波除冰效率的研究设想[6]。山西长兴路桥公司的李培荣[7]在分析了微波加热除冰雪的原理之后，利用ANSYS仿真软件初步验证了磁铁性材料的效果，结果显示不同材质吸收微波的效果不同，冰吸收微波的能力弱，掺加磁铁矿能大幅改善微波吸收效果。长安大学的高子渝[8]等研究发现5.8GHz的微波除冰效率是2.45GHz微波的4倍。

3.2 微波除冰的原理

当道路结冰时，用微波对路面照射，路面材料吸收微波之后温度升高，融化2μm左右的冰层，再利用机械装置将其破除清扫干净。这种除冰方法的优势在于微波能量密度高，能够迅速的加热路面材料，使冰层融化，再利用机械装置清除表面冰层时，用小功率的机械就能清除干净。这样就能实现除冰的高效环保。

材料在微波作用下，会吸收微波的能量，产生分子高频振动，从而将微波能量转化为热量。根据微波加热理论，在单位体积材料内消耗的微波功率为：

（1）

式中：为微波电场强度的有效值；为微波工作频率；为介质损耗角正切；为材料的相对介电常数。

为表征介质吸收微波能量能力的物理量，值小的冰对微波来说是"透明"的，值大的沥青混合料吸收微波能力强，所以微波可以透过冰层加热路面[12]。表1是相关物质的介电特性常数（频率为）。

表1 相关物质的微波介电特性常数

介质

温度/℃

相对介电常数

介质损耗角正切

水

20

76.7

0.1570

冰

-12

3.2

0.0009

沥青混合料

20

4.5～6.5

0.0150～0.0360

4 研究方向展望

研究微波除冰方法的关键点在于其除冰效率。众学者大多从三个方面来研究，包括研究不同的添加物改性沥青混合料、研究不同频率的微波对微波除冰效率的影响、研究微波加热墙的天线等。

郭德栋等[6]研究了用低品质磁铁矿石（主要有效成分是）作为集料来拌制沥青混合料，发现磁铁矿集料的各项技术指标均满足其作为集料要求。并且通过微波发热实验研究之后，磁铁矿达到相同温度所需微波照射时间约是普通集料的1/20。赵美新等[9]指出可以在沥青混合料中添加5%左右的钛酸钡铁电陶瓷，发现其可以显著减少升温至0℃的时间。

唐相伟等[4]致力于研究不同微波频率对微波除冰效率的影响。经其研究发现，5.4GHz的微波除冰效率约为2.45GHz微波的4倍。这为今后研究微波除冰方法选用微波频率提供了有利参考。

其他研究人员通过改变波导口的微波天线形状，来提高微波利用率，从而以期望达到更高效的微波除冰效率。

从研究结果来看，研究微波除冰方法的方向以添加微波敏感材料改变路面材料的微波敏感性体现出的效果最理想，再利用5.4GHz的微波作为除冰工具，将会使微波除冰方法得以实现高效环保的利用。

5 结语

当前的除冰融雪技术不能满足高效、环保、便捷的要求，发展微波除冰技术是有必要的。只要找到适合添加于路面的微波敏感材料，并将微波除冰技术与其他除冰技术方法相结合，针对不同的道路情况来搭配使用，发挥各种方法的优势，将是未来道路除冰融雪的研究方向。

6 参考文献

[1] 韩志斌. 中国道路融冰除雪技术发展现状及未来趋势[J]. 公路与汽运，2013年11月，第6期（总第159期）：142-145.

[2] 李家宝. 简述道路冬季除冰雪技术[J]. 淮北职业技术学院学报，2013年10月，第12卷（第5期）：119-120.

[3] 刘红瑛，郝培文. 道路除冰雪技术及其发展趋势[J]. 筑路机械与施工机械化，2008年，第11期：18-21.

[4] 唐相伟，焦生杰，高子渝，王强. 冬季道路微波除冰效率研究[J]. 中国工程机械学报，2008年3月，第6卷（第1期）：105-110.

[5] 关明慧，徐宇工，卢太金，徐财辉. 微波加热技术在清除道路积冰中的应用[J]. 北方交通大學学报，2003年8月，第27卷（第4期）：79-83 .

[6] 郭德栋，沙爱民. 基于微波与磁铁偶合发热效应的融雪除冰技术[J]. 山东大学学报（工学版），2012年8月，第42卷（第4期）：92-97.

[7] 李培荣. 基于微波加热的水泥路面除冰雪研究[J].山西建筑，2013年8月，第39卷（第22期）：136-137.

[8] 高子渝， 焦生杰， 唐相伟. 频率对微波加热沥青混合料的影响[J]. 长安大学学报（自然科学版）， 2009年11月， 第29卷（第6期）：32-36.

[9] 赵美新，丁勇杰，周平. 微波除冰关键技术及应用前景分析[J]. 交通标准化，2013年，第2期：11-14.