公路除雪融冰技術(shù)研究范文

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《北方交通》2014年第五期

1研究現(xiàn)狀

1.1導(dǎo)電混凝土法在普通混凝土中添加一定含量的導(dǎo)電組份，可使其變?yōu)閷?dǎo)電體。對導(dǎo)電混凝土施加直流或交流電，混凝土溫度升高，熱量傳導(dǎo)至冰雪中，從而達(dá)到融雪除冰的目的。20世紀(jì)90年代，加拿大的XiePing，J.J.Beaudoin等提出將導(dǎo)電混凝土用于道路融雪。他們對導(dǎo)電混凝土融雪化冰的有效性進(jìn)行了研究，同時(shí)證明這種材料也具有較高的力學(xué)性能。美國內(nèi)布拉斯加州公路局進(jìn)行了導(dǎo)電混凝土的路用實(shí)驗(yàn)，將36m長、8.5m寬的導(dǎo)電混凝土敷設(shè)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(jī)構(gòu)也對導(dǎo)電混凝土材料進(jìn)行了研究。廣州大學(xué)趙若紅等通過大量試驗(yàn)優(yōu)化配方，制備了導(dǎo)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(yōu)能耗電壓，給出了導(dǎo)電混凝土溫度與電流之間的初步經(jīng)驗(yàn)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(dǎo)電瀝青混凝土方案，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，測試了不同電壓下導(dǎo)電瀝青混凝土試件的升溫情況。混凝土導(dǎo)電技術(shù)在瀝青混凝土中的應(yīng)用已經(jīng)證明可以實(shí)現(xiàn)，但其主要缺點(diǎn)是成本過高、導(dǎo)電瀝青混凝土強(qiáng)度不足。如何在不損傷瀝青混凝土路用性能的基礎(chǔ)上最大限度地提高其電學(xué)性能，保證其路用性能的耐久性和電學(xué)性能的穩(wěn)定性是今后需要深入研究的方向。

1.2自應(yīng)力彈性路面通過在路面材料內(nèi)添加一定量的彈性顆粒材料，改變路面與輪胎的接觸狀態(tài)和路面的變形特性，利用彈性材料局部變形能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，通過路面在外荷載作用下產(chǎn)生自應(yīng)力，使路面冰雪破碎、融化，從而抑制路面積雪和結(jié)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(huán)保型融雪除冰劑，采用室內(nèi)試驗(yàn)研究了空隙率不同時(shí)，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(jìn)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(yīng)力彈性路面。試驗(yàn)表明，含融雪劑的瀝青混合料的水穩(wěn)定性能有所降低。本研究還在河北省某高速公路上鋪設(shè)了試驗(yàn)段，但實(shí)際除冰效果沒有說明。利用自應(yīng)力進(jìn)行除冰的彈性路面雖然理論上可行，但缺少試驗(yàn)路驗(yàn)證，實(shí)際路用效果還有待證實(shí)。另外，室內(nèi)試驗(yàn)研究已經(jīng)證明，彈性路面僅依靠自應(yīng)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(huì)對路面材料的其他路用性能產(chǎn)生不利影響。

1.3太陽、土壤源熱管融雪技術(shù)太陽能實(shí)時(shí)融雪化冰技術(shù)利用光伏或光熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，前者是太陽能儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化系統(tǒng)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(jié)的液體，加熱液體通過路面導(dǎo)管進(jìn)行循環(huán)，使路面積雪融化。在地?zé)豳Y源豐富的地區(qū)，也可利用土壤源熱管實(shí)現(xiàn)除冰融雪的目的。冰島地?zé)豳Y源豐富，其全國利用地?zé)岢拿娣e已達(dá)74萬平米。我國多家研究機(jī)構(gòu)對地?zé)岷吞柲艹椒ㄟM(jìn)行了研究。張軍等基于熱管技術(shù)，設(shè)計(jì)了“地?zé)釤峁艿缆啡谘┫到y(tǒng)”，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(dāng)量對流換熱系數(shù)的物理模型，形成模擬熱管在土壤中換熱過程的數(shù)值方法。得到了熱管運(yùn)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(shù)在道路融雪中的應(yīng)用，分析融雪熱水管常規(guī)設(shè)計(jì)方法的局限性，通過對道路融雪影響因素隨機(jī)分析，提出熱水管可靠性設(shè)計(jì)方法。得到了基于道路體熱阻隨機(jī)性和考慮管長變異性的熱水管長設(shè)計(jì)公式。徐慧寧等基于太陽能—土壤源熱能耦合道路融雪試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了能量轉(zhuǎn)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(guī)律并對影響系統(tǒng)融雪效果的因素進(jìn)行了探討。利用太陽能或地?zé)崮苋谘┏m然綠色環(huán)保，但受地域條件限制較大，部分地區(qū)光照時(shí)間或地?zé)豳Y源缺乏，無法采用本方法。另外，該方法儲(chǔ)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(shù)美國在20世紀(jì)80年代提出了利用微波加熱并結(jié)合機(jī)械除冰裝置來清除道路積冰的理論。將微波應(yīng)用于道路除冰面臨的最大問題是傳統(tǒng)集料鋪筑的道路路面微波吸收發(fā)熱效率很低，難以實(shí)現(xiàn)快速融雪除冰。長安大學(xué)發(fā)現(xiàn)微波與磁鐵具有較強(qiáng)的耦合發(fā)熱效應(yīng)，進(jìn)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(shè)想。郭德棟對基于微波和磁鐵耦合效應(yīng)的融雪除冰技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。焦生杰等采用數(shù)值分析與試驗(yàn)的方法對微波除冰頻率進(jìn)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(shí)現(xiàn)真正的推廣應(yīng)用，關(guān)鍵在于微波除冰效率過低，難以實(shí)現(xiàn)快速除冰。

1.5析出式低冰點(diǎn)融雪鹽技術(shù)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(jié)效果的鹽化物，形成具有抑制凍結(jié)效果的路面，在毛細(xì)管壓力及車輛碾壓作用下，將瀝青混合料內(nèi)部的鹽分逐漸析出，從而降低道路表面水的冰點(diǎn)，延遲道路表面積雪結(jié)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(xué)類凍結(jié)抑制材料研究的逐步深入，化學(xué)類凍結(jié)抑制瀝青路面在日本大部分地區(qū)進(jìn)行了推廣，截止2002年，日本國內(nèi)化學(xué)類凍結(jié)抑制瀝青路面施工實(shí)例超過2000例，鋪筑面積約380萬平米。目前國內(nèi)對此方法也進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。姜紹升等通過室內(nèi)試驗(yàn)，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(jié)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(jìn)行了路用性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，在相同礦料級配條件下，長效型主動(dòng)融雪瀝青混合料高溫性能優(yōu)良，隨著mafilon摻量增加其水穩(wěn)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(shè)計(jì)，進(jìn)行了試驗(yàn)段鋪筑，提出了鹽化物融雪劑應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和施工控制要點(diǎn)。本方法雖然在日本已經(jīng)有所應(yīng)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(jié)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(xué)融雪劑方法融雪除冰也是各國普遍采用的方法。根據(jù)化學(xué)組成不同，融雪劑可分為氯鹽和有機(jī)鹽兩類。氯鹽除冰效果最好，價(jià)格低廉，但其對環(huán)境破壞大，對混凝土和鋼筋有腐蝕作用。有機(jī)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(huán)境無污染的融雪劑產(chǎn)品CMA(醋酸鈣鎂鹽)，該產(chǎn)品穩(wěn)定性優(yōu)良，但成本很高。現(xiàn)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(jià)格低廉且環(huán)保的融雪劑十分必要。許英梅對有機(jī)鹽融雪劑CMA進(jìn)行了深入研究，提出了采用生物質(zhì)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(jīng)濟(jì)可行。

1.7對目前研究成果的總體評價(jià)我國目前在清除道路冰雪時(shí)，大多是根據(jù)天氣預(yù)報(bào)提前準(zhǔn)備除雪設(shè)備和融雪劑，主要依靠人工或機(jī)械設(shè)備被動(dòng)除雪化冰。傳統(tǒng)的道路融雪除冰方法不僅耗用的人力物力過多而且時(shí)效性差。幾十年來，新的道路融雪除冰技術(shù)不斷提出，雖然一些方法已經(jīng)開始進(jìn)入應(yīng)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(zāi)害的氣候和環(huán)境因素關(guān)注較少。這就導(dǎo)致不能預(yù)判冰雪災(zāi)害是否會(huì)發(fā)生，不能在災(zāi)害發(fā)生前發(fā)揮作用，采取預(yù)防措施。目前提出的方法大多時(shí)效性差，在災(zāi)害發(fā)生初期存在處置措施的“真空”期，這期間事故和擁堵極易發(fā)生。(2)能源消耗過大。部分利用電能轉(zhuǎn)化熱能的融雪除冰方法需要耗用大量能源，加大了運(yùn)營成本。(3)理論研究與實(shí)際運(yùn)用效果差距較大。很多方法在理論上可行，但是實(shí)際效果不理想。從目前全國已經(jīng)實(shí)施的部分試驗(yàn)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(diǎn)，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(hù)成本很高。

2基于信息技術(shù)的道路融雪除冰系統(tǒng)構(gòu)想

如上一節(jié)所述，目前的除冰融雪技術(shù)存在時(shí)效性不強(qiáng)、耗能高或效果不佳等缺點(diǎn)，考慮到我國目前公路信息化正在加速發(fā)展，因此利用信息技術(shù)對冰雪災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，進(jìn)而能自動(dòng)采取有效措施融雪除冰是一個(gè)新的研究思路。基于信息技術(shù)的道路融雪除冰系統(tǒng)主要是通過在道路關(guān)鍵位置安裝氣象監(jiān)控設(shè)備，對冰雪災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警和實(shí)時(shí)監(jiān)控。在冰雪警報(bào)發(fā)出后，預(yù)裝在公路護(hù)欄上的噴灑設(shè)備能自動(dòng)啟動(dòng)，按照程序設(shè)定的模式噴灑防凍液或融雪劑，達(dá)到及時(shí)控制冰雪災(zāi)害發(fā)生或惡化的目的。該系統(tǒng)主要包括以下兩個(gè)子系統(tǒng)。(1)冰雪災(zāi)害發(fā)生預(yù)警系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析海拔、地形、溫度、濕度、風(fēng)速、降雨等因素與冰雪災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性;建立冰雪災(zāi)害發(fā)生的判斷模型;通過在路段關(guān)鍵位置布置溫度、濕度、風(fēng)速傳感器，對氣象狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測，判斷是否發(fā)出冰雪災(zāi)害警報(bào)。(2)防凍液或融雪劑自動(dòng)噴灑系統(tǒng)通過研究冰雪災(zāi)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(shè)備的安裝位置、間距;結(jié)合構(gòu)造物具體形式研究防凍液或融雪劑管線、泵站的布設(shè)形式;在冰雪災(zāi)害警報(bào)發(fā)出后能自動(dòng)開啟防凍液、融雪劑噴灑設(shè)備。

3結(jié)語

隨著研究不斷深入，道路除冰融雪技術(shù)有了長足發(fā)展，但仍存在時(shí)效性不強(qiáng)、耗能高或效果不佳等缺點(diǎn)。考慮到我國目前公路信息化正在加速發(fā)展，因此結(jié)合信息技術(shù)進(jìn)行道路冰雪災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警，并能主動(dòng)采取有效措施融雪除冰是未來的發(fā)展趨勢。本文僅對基于信息技術(shù)的除冰融雪系統(tǒng)做了初步構(gòu)想，進(jìn)一步的研究工作將在不久展開。

作者：岳福青單位：交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院