沥青路面除冰雪技术研究进展

2019-10-22苗广营沈建青仲玮年

筑路机械与施工机械化 2019年9期

苗广营，沈建青，仲玮年

0 引言

中国大约有3/4的国土属于冬季积雪地区，路面结冰成为交通事故频发的首要因素，危害道路交通安全，给人民财产及生命安全造成重大隐患[1]。冬季降雨或空气潮湿时，较低的气温会使水分在路表及一定构造深度内迅速结冰，再经过车辆碾压逐渐密实，形成强度很大的冰层。由于路面具有一定的构造深度及较高的表面能，冰层与路表黏结紧密，难以通过机械或者人工清除。虽然撒布融雪剂可以缓解路面积冰现象，但是会对环境造成污染，并对路面产生严重侵蚀。在中国大部分地区，传统的除冰技术仍占较大比例，因此，寻找一种既有效又环保的路面除冰雪方法成为一个研究热点。

1 人工与机械清除法

人工与机械清除法是最典型、也是最传统的道路除冰方法。人工清除法一般使用铲子、镐头等比较简易的工具进行除冰雪工作。人工清除法清除冰雪较干净彻底，对设备要求低，但是效率极低，费用较高，工作时影响车辆通行，无法长时间作业。因此，人工清除法通常在公路路面除冰雪过程中起协助作用，并且通常在难以进行机械除冰的难点路段使用。

机械除冰雪方法效率高，效果比较明显，是中国道路主要使用的冬季除冰雪方法[2]。几十年来，机械除冰雪设备有了长足的发展，有专用的除雪机或与汽车、拖拉机配套的除雪机具。如德国的VF5型专用除雪机，除雪能力达4 500 t·h-1；日本的小松RSS6S Ш除雪机，除雪能力为35 t·h-1，在家庭、庭院、社区街道均可使用[3]。机械除雪过程会阻碍交通，除净率不理想，而且容易损伤路面结构。目前国内生产的铲雪机功能比较单一，设备利用率低，而国外综合性的除雪机械价格昂贵，维修保养费用高[4]。

2 热力融冰雪技术

热力融冰雪技术利用外部热源加热路面，使路面温度高于水的冰点，从而延缓路面冰雪的形成，并清除已形成的冰雪[5]。

2.1 发热电缆除冰雪技术

在路面下方铺设发热电缆或电热丝，以电力为能源，将产生的热量传导至路面以融化冰雪[6]。该技术无污染，除冰性能稳定，操作方便易控制。但该方法尚未进行大规模应用，原因主要有：耗能较大，运营费用高；安装、维修复杂，初期投资大；电缆强度难以保证。

目前，中国关于发热电缆的探索主要集中在室内试验和理论研究。韩文博等[7]通过在承重层及面层之间铺设电阻网的形式，研究了该系统加热路面的效果。结果表明：该融雪化冰系统在不同的铺装功率下均能实现很好的加热效果，换热量和可行性均较高；该装置即时除雪效果良好，安全电压易控。张登春等[8]通过低温人工环境室对桥梁试件上的表面结冰和融冰过程进行了模拟试验。结果表明，若在90 mm间距电缆敷设层采用隔热材料，SMA-13 沥青上面层采用导热沥青，则可以缩短融冰时间，提高除冰能力；为有效防止桥面结冰，桥面温度宜控制在2.5 ℃～3.0 ℃的范围内。罗鹏[9]利用有限元分析软件对道路表面及结构层内的升温规律、温度分布进行实测及数值模拟分析，并对功率的选择进行了对比试验分析。结果表明，发热电缆路面结构层内温度场呈“马鞍”形分布，上表面温度以发热电缆为中心，发热电缆中心垂直向上处温度最高，两条发热电缆之间垂直向上处温度最低，呈正弦式分布。试验与理论分析表明：在陕西地区，当路面表层温度为2 ℃～3 ℃时，融雪效果最佳；发热电缆的铺装功率为300 W左右时，融雪除冰效果比较理想。

2.2 流体循环加热技术

流体循环加热道路融雪除冰技术是指将管道铺装在路面结构中，热流体经过管道时释放热量，使路面温度保持在一定范围内，防止道路结冰或者融化道路冰雪[10]。加热源常有地热、温泉水、太阳能、天然气及城市余热等。

流体循环加热技术在国际上以北欧、日本和美国等为代表。美国俄勒冈州在1948年应用这项技术，之后弗吉尼亚州交通部采用丙烷为热源，加热丙烯乙二醇和水的混合液，结合热管为一座长约35 m、宽约13 m的桥梁供热，热管的工质为氟利昂。1995年，日本建立了首例全自动路面集热蓄能热流体融雪化冰试验系统，研究地下蓄能和道路融雪的时变规律和太阳能利用问题[11]。到2005年，日本已安装超过25套地热流体循环加热融雪除(防)冰系统。瑞士在8号公路以太阳能为热源进行了流体循环加热融冰雪试验，该项目将夏季桥面因太阳辐射产生的热量收集并储存在地下蓄热池，冬季利用储存的热量加热桥面防止结冰[12]。

国外大量的实践和研究表明，流体循环加热道路融雪除(防)冰是一项很有前景的技术，可以因地制宜地利用可再生资源，或者与楼宇空调、城市供热相结合，节能功效明显，便于实现自动化处理。中国关于这方面的研究还处于起步阶段，且由于成本较高尚未实际推广，但在理论研究上取得了一些不错的成果，这对中国流体循环加热道路融雪除(防)冰技术的发展及应用奠定了基础。徐慧宁等[13]基于自行开发的道路融雪系统融雪模型，采用数值仿真分析方法探讨了系统运行参数、环境参数等对系统融雪效果的影响；在此基础上，依据中国的气候特点开展了流体加热道路融雪系统设计热负荷的探讨。研究表明: 预热时间、单位面积输入热负荷、道路材料、埋设管材显著影响降雪开始时刻的道路结构温度场、单位面积输入能量、沿程能量损失、热量传递到上表面所需时间及热量传递能力，因此可通过调整系统运行参数、道路设计参数，达到优化融雪效果的目的[14]。

2.3 导电混凝土技术

导电混凝土技术是指在路面材料中加入导电碳纤维、石墨等导电物质，提高混凝土的导电性能。在通过电流时，利用其热效应加热道路，达到预防或融化冰雪的目的[15]。

由于导电混凝土除了具备普通混凝土的性能外，还拥有较好的导电性能，故在许多领域有巨大的应用前景。目前，虽然导电混凝土的研究取得了较大的进展，但是在用于道路除冰融雪方面还停留在小范围试验阶段，且基本局限于室内的小板试验和室外单一大板试验的融雪化冰分析，缺乏大范围工程实际试验的分析研究。美国Roca桥是世界上第1座采用导电混凝土桥面板除冰融雪的桥梁。该桥桥面板内镶嵌了36 m×8.5 m×l00 mm 的导电混凝土层(由52块独立的导电混凝土板组成)，采用钢纤维和碳质材料作为导电介质。不同长度的钢纤维体积掺量为1.5%，不同粒径的碳质材料占混凝土体积的25%。由于这种导电混凝土具有良好的电热性能，较薄层就能产生足够除冰融雪的热量[16]。

国内对于导电混凝土技术仍处于理论研究和室内试验阶段。唐祖全等[17]以短切聚丙烯腈(PAN)基碳纤维为导电材料制备了碳纤维混凝土薄板，通过不同的电热层布置方式，对其融雪除冰性能进行研究。结果表明：采用导电混凝土覆层的形式设置电热层可以减少能耗，并高效率地融雪除冰。吴学伟[18]以石墨、碳纤维为主要导电材料制备了导电沥青路面，进行融雪除冰方面的探索。结果表明，掺入导电材料可以有效地降低导电SMA的电阻率，从而提高其功率，融冰除雪效果良好。赵若红等[19]通过试验优化了导电混凝土的配方，并据此制备了导电混凝土试块，对混凝土在不同电压下的升温性能进行研究，得到最优能耗电压，并给出了导电混凝土温度与电流之间的初步经验公式。张永健等[20]对导电沥青混凝土进行了室内试验，并对不同电压下导电混凝土的升温情况进行了测试。

诸多研究表明，导电混凝土技术在沥青混凝土中也可以实现导电的目的，但是导电沥青混凝土的成本相对较高，且温度升高时，其强度会有所下降。如何在提高电学性能的同时不损坏其路用性能，并确保路用性能的耐久性和电学性能的稳定性，是今后需要深入研究的方向[21]。

2.4 微波除冰技术

美国在20世纪80年代提出了利用微波加热并结合机械除冰装置来清除道路积冰的理论。将微波应用于道路除冰面临的最大问题是传统集料铺筑的道路路面的微波吸收发热效率很低，难以实现快速融雪除冰。

长安大学研究发现微波与磁铁具有较强的耦合发热效应，进一步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[22]。郭德栋[23]对基于微波和磁铁耦合效应的融雪除冰技术进行了试验研究。焦生杰等[24]采用数值分析与试验的方法对微波除冰频率进行了研究，指出采用5.8 GHz的微波能够提高除冰效率4～6倍；另外，使用铁磁性材料加铺层能够提高除冰效率3～5倍。

由于微波除冰效率较低，难以实现快速除冰的目的，因此微波除冰技术尚未能实现真正的大规模应用。

2.5 相变储能除冰雪技术

该技术利用一种特殊的有机物相变材料(PCM)固液态转变时释放的热量来融化冰雪。先在路面下方铺设管道，管道中封装着相变材料。当温度较高时，固体材料吸热转化为液态；当温度降至冰点左右时，材料开始放热，由液态往固态转化，释放的热能使路面温度长时间保持在冰点以上，从而抑制路面结冰，并融化积雪。

此种技术于2012年11月首次应用于湖南省某高速公路连接线匝道桥面上。试验结果表明，其融冰效果较好。这项技术对路面无损害，不会对环境产生影响。但由于该技术存在成本较高、尚不成熟、养护困难以及对路面材料、结构和施工要求过高等局限性，并未得到大规模应用。

3 融雪剂

撒布融雪剂是目前国际上较为流行的一种路面除冰手段，但是在路面出现积雪结冰的情况下采用，会影响道路通行能力。此外，融雪剂渗入路面结构中，会对路面材料产生不同程度的化学腐蚀，引起路面材料与结构的破坏，缩短路面使用寿命，且污染周围环境。

截至目前，在中国道路冬季除冰雪工作中，融雪剂被广泛地使用，研究低成本、高效率、且无环境污染的融雪剂成为当务之急。许英梅[25]对有机盐融雪剂CMA进行了深入研究，提出了采用生物质热解废液替代冰醋酸制备CMA类融雪剂的工艺方法，这种方法经济可行。周密等[26]以氯化钙为主要原料自制除冰融雪剂，同时添加贝壳灼烧物、缓蚀剂和植物钙剂。结果表明，这类自制除冰融雪剂的融冰量可随融冰时间的延长而增加。

4 析出式蓄盐混合料技术

蓄盐混合料技术是用一种以盐化物材料代替部分或全部矿粉而形成的沥青混合料铺筑路面(图1)，混合料内部盐化物有效成分不断析出，降低冰点，融化积雪，达到防冻目的。融雪化冰路面起源于20世纪60年代的欧洲，在瑞士和德国等国家得到广泛的应用。日本在20世纪70年代末期开始引进该技术，并进行了创新，研发出Maflon融雪材料[27]。中国于2008年在陕西的蓝商高速上采用该材料铺筑了长约1 km的融雪化冰试验路，效果较为显著，但是盐化物的融雪寿命较短，从而限制了其大面积应用。

目前国内也对此方法进行了室内试验研究。姜绍升等[28]通过室内试验，对比分析了掺加盐化物融冰雪材料的沥青路面和普通沥青路面的冻结抑制效果。李福晋等[29]对掺加了Maflon材料置换矿粉的沥青混合料进行了路用性能试验。结果表明：在相同矿料级配条件下，长效型主动融雪沥青混合料，高温性能优良；随着Maflon掺量增加，其水稳性有所下降。张忠[30]在SMA混合料中掺加盐化物融雪剂，研究了配合比设计，进行了试验段铺筑，提出了盐化物融雪剂应用的关键技术和施工控制要点。

5 自应力弹性路面

该技术利用废旧轮胎橡胶颗粒的弹性，当橡胶颗粒受到外力作用时，产生较大形变，从而破坏路面冰层(图2)。该技术主要包括橡胶颗粒沥青路面和镶嵌类铺装技术[31]。

张洪伟等[32]就橡胶颗粒沥青混合料的级配类型适应性、抑制结冰性、耐久性等进行了试验分析。张舒畅等[33]从橡胶沥青路面的除冰机理入手，分析了路面冰层破碎的原因，并提出了评价橡胶颗粒沥青路面除冰能力的定量指标。李悦等[34]将高黏高弹改性沥青和融雪剂加入开级配道路材料中，研制了自应力弹性路面。试验表明，含融雪剂的沥青混合料的水稳定性能有所降低。

从理论上来讲，使用自应力路面进行除冰是可行的，但是目前缺乏试验路的相关数据，实际效果有待验证。另外，大量室内试验结果表明，仅靠橡胶颗粒的自应力除冰效果不佳，需要加入除冰盐，但是盐类物质又会对其他路用性能产生不利影响。

图2 弹性破冰混合料

6 路面涂层技术

利用超疏水材料制备的抗凝冰涂层，已经被广泛应用于航天、电力等领域，可有效降低基质表面的覆冰量及冰与基质表面间的附着力，是一种有效的除冰雪方法[35]。

学者们对其应用于公路路面防除冰的可行性进行探讨，并开展了大量试验研究(图3)。高英力等[36]通过纳米二氧化硅颗粒对硅烷类疏水材料进行表面改性，制得超疏水涂料，将其涂在水泥混凝土试件表面，并对结冰后冰的附着强度进行测试，同时开展接触角测量试验、路面表面能计算及耐久性试验，综合评价了超疏水涂层的疏水防冰性能。结果表明，超疏水涂层可以有效减少冰的残留率，降低试件表面水的接触角，降低路面表面能，显著减小冰面层与路面的层间强度。摩擦试验后，其接触角依旧保持在超疏水范畴内，耐久性较好。

图3 疏水沥青混合料

彭超等[37]使用有机硅橡胶与表面改性的微米/纳米粉末制备了超疏水涂层，并且研究了该涂层对于沥青路面防冰性能的影响。接触角测试结果表明，该超疏水涂层的接触角达到160°。沥青混合料表面结冰温度试验结果表明，在同样的降温条件下，相比于无涂层的沥青混合料试件，有超疏水涂层的沥青混合料试件的表面水滴结冰时间延长了1.5倍。沥青混合料表面冰层黏附力试验结果表明，相比于无涂层的沥青混合料试件，有超疏水涂层的沥青混合料试件的表面冰层黏附力在-5 ℃时减小了84%。

超疏水涂层应用于公路路面具有良好的防冰除冰效果，但是在车轮反复碾压、阳光和雨雪等复杂外界因素的综合作用下，容易从道路表面脱离，逐步丧失疏水疏冰效果。此外，大规模生产超疏水材料的工艺及施工设备尚未取得技术突破，生产成本过高，这大大限制了涂层的推广应用。