路面除冰雪技术与方法综述

路面除冰雪技术与方法综述142477潘尚启1路面除冰雪的背景与意义据统计，我国约有60%的高速公路冬季存在积雪现象，冬季约15%~30%左右的交通事故与路面积雪有关。严重的路面积雪将造成道路关闭，给道路畅通带来了严重影响，甚至造成巨大的经济损失。有资料显示，沥青路面在干燥状态下附着系数约为0.6，而在积雪状态下路面附着系数为0.2，在结冰状态下道路的路面附着系数仅为0.15。因此，在冰雪路面上汽车容易发生打滑、跑偏等现象，制动距离显著延长，车辆的操作稳定性和安全性显著降低，交通事故发生率较高。调查统计表明：相比同时期非雪天环境，冰雪环境条件下交通事故的伤亡率增加25%，事故率上升100%；冰雪环境条件下每百万车辆每公里车辆碰撞、刮擦事故为5.86起，而处于非雪天环境，每百万车辆每公里发生车辆碰撞、刮擦事故仅为0.41起，二者之间的差异高达13倍之多。2008年初的全国大范围雪灾，给我国特别是南方地区带来巨大灾害。降雪量之大、降雪时间之长、受灾区域之广、造成交通中断堵塞时间之长，都是百年不遇的，直接经济损失达537.9亿元。受冰雪灾害的影响，仅福建省就发生道路交通事故1867起，死亡379人，受伤2000余人，财产损失不计其数。路面冰雪问题一直困扰着世界各国交通部门，严重影响交通、经济及人的出行及工作，人们为此作了大量研究，探索出许多抑制、控制和消除冰雪的技术和方法。2路面除冰雪技术目前，冬季除冰雪的技术主要有两种：路面外部技术和路面内部技术。外部技术包括清除法和融化法，内部技术主要包括热力融冰雪技术和抑制冻结铺装技术。路面除冰雪技术分类如图1所示。图1路面除冰雪技术2.1路面外部除冰雪技术2.1.1清除法路面外部清除法包括人工清除法和机械除冰雪法。2.1.1.1人工清除法人工清除法是最传统的除冰雪方法，即使用人力来清除路面积雪和结冰。该方法可以比较有效地除去路面冰冻，但是耗费人力很大，而除冰的效率却很低，除冰的同时还要限制车辆的行驶，只适用于需要重点清除路段。2.1.1.2机械除冰雪法机械除冰雪是目前采用的最普遍的方法，可分为机械铲冰雪和机械吹雪两类。机械铲冰雪方法是采用专业机械设备对路面冰雪进行清除，专业设备工作效率高，适合大面积清除作业，但是除净率不理想。高速公路除冰雪机械有：（1）抛投式除雪机，抛投式除雪机的除雪效率，一般2000~8000吨/小时不等，抛出距离最远达50米。一般是通过铣刀式或叶轮式转子除雪轴送雪，再利用雪风机和抛雪筒抛雪于运雪车或指定位置。（2）推移式除雪机，它是通过安装在铲土机械及车辆前部的推雪铲刀、除雪犁(V形犁)、路面平整板、侧向排雪板等除雪装置将雪推走，开出通道或堆积后用卡车运走，或直接将雪推出路边。另外，还有诸如新型滚轴锥子破冰机、冰雪粉碎机等。机械吹雪方法安全环保，但机械需求量大，费用高，因此适用范围较小，通常只适用于机场等便于管理的较小范围的除雪及未经碾压过的厚度较薄的路面积雪，不适合交通量较大的公路和城市道路除雪。对于公路交通而言，在特殊路段比如桥梁、匝道、长大纵坡、山地区域等，大型除雪机械的操作和运行都有其局限性。而且国内生产的铲雪机功能单一，设备利用率低；国外多功能综合性的除冰雪机械价格昂贵，经济效益较差。加拿大在这方面走在世界前列，它地处北纬地区，是交通积雪严重的国家。他们将信息、计算机、机、电、液一体化高新科技成果都应用到除冰雪机械上，向着更加柔性化、智能化、高度自动化的方向发展，发明了不少操作便捷、成本低廉、效率较高的除冰雪机械，如智能铲、吹、洒布多功能计算机控制除冰雪机等。这些机械的发展和应用前景广阔。2.1.2融化法2.1.2.1人工或机械撒布融雪剂通过在路面上撒布化学药剂来降低冰雪融点，使冰雪融化，进而清除积雪和积冰，是国际上较常用的一种路面除冰雪的手段。国内外常用的融冰雪剂主要有盐类和醇类。在一定的环境条件下，撒布融雪剂可以有效清除道路冰雪，改善道路安全状况，提高道路运输效率。但是，醇类融雪剂的除冰雪效果受环境温度影响较大，并具有反结冰现象。一旦环境温度下降，被融化的积雪会再冻结成冰，且如果降雪量过大，融雪剂自身很难快速溶解、融化，使得路面更滑，交通安全更加堪忧，同时还导致综合成本大幅升高。而绝大多数的盐类融雪剂产品都存在腐蚀性，易腐蚀破坏道路结构和机动车辆，还会对土壤、水体和大气等造成污染，破坏生态环境。根据美国和加拿大的一项统计报告，在每年使用1000万吨融雪剂的情况下，会对道路、车辆造成29亿~59亿美元的损失，对停车场造成0.75亿~1.5亿美元的损失，导致5%~10%的植物病变甚至枯死。另外，在2003年，融雪剂的使用曾造成北京4000多棵大树和4万多株灌木死亡，草地受害面积达3万多平方米，直接经济损失1500多万元。因此，近年来国内外都不断开发环保型融雪剂，如美国和加拿大的专家开发出的生物降解型融雪剂等，具有无毒性和无腐蚀性的特点，可以起到较好的效果。各种融雪剂的性能对比如表1所示。总的来说，这种中外都采用的传统方法对冰雪的清除比较彻底，但效率低、费用高，作业时影响车辆通行及行车安全，不能长时间作业，适用于雪量较小时或重点、难点路段的冰雪清除。表1常用融雪剂性能对比融雪剂种类对金属的腐蚀性/%对水泥的腐蚀性(250次冻融)/%对土壤的影响对地下水的影响最低冰点/℃融雪速度/%适宜工作的温度/℃保持时间（雪前喷洒）/d氯化钠100100强烈破坏造成土壤板结钠质增高对人的影响较大-21100-1~-101氯化钙50~7025强烈破坏土壤150轻度板结钙质增高对人的影响较小-50150-1~-301~2氯化镁40~605轻微破坏影响较小镁质增高对人无害-33150-1~-202~3环保型融雪剂5~201无破坏改良碱性土壤镁质增高对人无害-60200-1~-404~71.2.2撒布砂石材料在冰雪路面上撒布一定粒径的砂石材料，如砂、石屑、炉灰、煤渣和砂盐混合料等，能提高冰雪路面的摩擦系数。砂石的存在一方面使冰雪层的冻结强度不均匀，另一方面，砂石在冰雪层的运动使得雪不易压实，达到了抗滑的目的。该方法在注重环保的欧洲，如德国、瑞典、丹麦、芬兰等国应用非常广泛。山于砂石材料既经济又环保，且事后清理也较为便捷，故受到这些国家的青睐。2.2路面内部除冰雪技术2.2.1热力和能量转化型融冰雪技术和方法2.2.1.1利用外加热源融冰雪外加热源融冰雪方法，是利用热水或者热融雪剂溶液，将其喷洒在积冰雪高速公路上，不仅利用热液体的热能，同时利用和发挥融雪剂降低冰点的作用，更加迅速地使高速公路上的积雪融化，使得交通能快速恢复。近年来，除了上述方法，汽车加热-机械融化法也得到大力研发。通过汽车供热装置加热液体或者融雪剂溶液，将其喷洒到公路上，然后利用汽车上附加的机械设备铲除冰雪和清扫冰雪融化以后的水，这样就将热力、融雪剂、机械除雪三者进行有机结合，大大加快了高速公路融雪化冰的速度和效率，为快速开放交通打下基础。这项工程已经在我国山东省开始研究和应用。还可在普通汽车上装载热源(如锅炉、煤气罐、发动机蓄电加热板等)，从热源处接出气管，气管出口端装接在距地面适当高度处的喷气管或煤气燃烧器上。通过从喷气管喷出的热蒸汽或点燃煤气，加热或燃烧冰雪，使之迅速熔化冰雪，被熔化的水流入路边下水道。在瑞士AS高速公路Darligen路桥段，以及去首都伯尔尼的机场路上，这个方法作为快速恢复交通的手段得到重视和应用。此类方法融雪化冰虽效果较好，但往往会产生大量的融雪液体(水或者融雪剂溶液)以及融化雪水，这些水进入路面结构时，势必会对高速公路带来各种水危害，并且它还是没有摆脱使用融雪剂所带来的负面效应。另外，新型热源(如烧煤或天然气、电加热器等)加热燃烧冰雪，其清除冰雪方便有效，省时省力，但这种方法的使用消耗能源较大，还会污染环境。2.2.1.2能量转化型融冰雪技术能量转化型融冰雪技术是通过能量转化设备，将其它形式的能量转化为热能，达到融冰雪的目的。可以利用的能量主要有工业电能、太阳能和地热等多种能量。该项技术可以提高能源利用率，而且清洁环保，适合于机场、桥面和高速公路的长大纵坡等局部路段的融冰雪。常见的有发热电缆法、太阳能加热法、土壤源热管法与电热丝法、红外线热源法、储能热流体循环法等。由于受能量来源的限制，利用土壤源热管和热流体循环技术、太阳能电管的融冰雪技术正逐步成为研究热点。（1）发热电缆法。发热电缆加热系统是以电力为能源，发热电缆为发热体，将电能转化为热能，通过结构层内的导热将热量传到物体表而，再通过物体表而与冰雪之间的显热和潜热交换进行融雪化冰。发热电缆加热系统具有无污染、运行费用低、热稳定性好、控制方便等优势。发热电缆用于路而融雪化冰在北欧国家已经有所应用。（2）太阳能加热法。太阳能加热法是夏季将太阳能产生的热能存储起来，在冬季里利用所存热能来融雪化冰。为此需建立一套太阳能融雪系统，该系统由集热装置、蓄热体和融雪装置三部分组成。集热装置的任务是收集阳光的热量并将其输送到蓄热体中，热量在蓄热体中积聚和保存以备冬季融雪用，融雪装置的任务是在需要的时候将保存在蓄热体中的热量输送到路而下，使路面的温度升高从而融化路面上的冰雪。但是考虑到经济方而的原因，这种系统还只能用于那些特殊地方的特殊路段。（3）土壤源热管法与电热丝法。土壤源热管融冰雪技术是在路(桥)面内埋置热管，利用土壤源热管，经地下换热器从地下提取热土壤中的低位热能，经热管提升后，通过水泵把温度较高的流体输送到路(桥)面内的排管循环换热系统里面，从而达到路面融冰雪的目的。电热丝法即在路面上加入电热丝用于加热，此方法不需要使用变压器或服务设施，加热的效果也不错。（4）导电铺面法该项技术是在路面铺装材料中掺入聚合物类、碳类或金属类导电掺合料，目前最常用的是碳类和金属类（如碳粉、石墨粉、碳纤维、钢纤维、钢屑等），国内外研究较多的主要是碳纤维砼，使高绝缘性的路面铺装材料具备热和电的感知和转换能力，将电能转变为热能，热能通过铺面材料与冰雪的接触面向上传导，冰雪吸收热量后温度逐渐升高，实现融冰雪的目的。该方法是武汉理工大学开发和提出的，它耗能较大，路面绝缘材料的研究和应用还尚待完成，其研究和推广值得进一步的探讨和升华。在国外，美国、日本及北欧一些国家在道路热源融冰雪技术领域开展了许多研究和工程实践。如美国芝加哥O'Hare国际机场滑行跑道SNOWFREE融冰雪示范试验工程，他们进行了循环热流体和热管传递等方式的融雪道面研究；冰岛国利用丰富的地热水资源，推广道路融冰雪工程应用，全国和首都雷克雅未克地区利用面积分别达74万平方米和46万平方米；挪威首都奥斯陆GAR-DEREN机场的地源热管空调系统和停机坪热循环流体融冰雪系统；日本二户市的高速公路弯坡道路全自动热融冰雪系统Gaia工程(全自动路面集热蓄能循环热流体融冰雪系统)；日本第八技术咨询公司与山口大学合作，对Ushinogou高速公路隧道出口处融冰雪方案进行研究和比较，最终确定以热管附带自然热源(积聚温泉水和地热)的方式为最佳；波兰Goleniow机场地源热棒地面融冰雪系统等。我国在公路热融冰雪研究方面还处于起步阶段。1997年，吉林大学率先提出太阳能蓄热融冰雪在我国北方应用的设想，并不断在地下蓄能及公路融雪技术领域开展研究工作。此外，北京市市政工程研究院也在开展发热电缆用于桥梁坡道融雪的工程实践，华瑞科技和爱德姆等公司在发热电缆等方面提供技术支持。但这种能量转换公路融冰雪技术的能源转换储存系统目前还是一个难点。此类研究的不足势必导致单位高速公路工程的造价增大，能源和资源没有得到充分利用，且应用推广价值欠佳。2.2.2抑制冻结铺装技术抑制冻结铺装技术包括化学类铺装技术和物理类铺装技术。化学类铺装技术是指在沥青混合料中添加一定量的化学类抑制冻结材料(盐化物等)，形成的具有抑制冻结功能的路面。盐化物的有效抑制冻结成分主要为氯盐(氯化钠、氯化钙等)。在毛细管压力及车辆碾压作用下,路面内部盐分逐渐析出，从而降低道路表面水的冰点，延缓道路表面积雪结冰。2.2.2.1物理类冻结抑制路面物理类冻结抑制铺装技术是