瀝青路面除冰雪技術(shù)研究進(jìn)展

苗廣營，沈建青，仲瑋年

0 引言

中國大約有3/4的國土屬于冬季積雪地區(qū)，路面結(jié)冰成為交通事故頻發(fā)的首要因素，危害道路交通安全，給人民財產(chǎn)及生命安全造成重大隱患[1]。冬季降雨或空氣潮濕時，較低的氣溫會使水分在路表及一定構(gòu)造深度內(nèi)迅速結(jié)冰，再經(jīng)過車輛碾壓逐漸密實(shí)，形成強(qiáng)度很大的冰層。由于路面具有一定的構(gòu)造深度及較高的表面能，冰層與路表黏結(jié)緊密，難以通過機(jī)械或者人工清除。雖然撒布融雪劑可以緩解路面積冰現(xiàn)象，但是會對環(huán)境造成污染，并對路面產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕。在中國大部分地區(qū)，傳統(tǒng)的除冰技術(shù)仍占較大比例，因此，尋找一種既有效又環(huán)保的路面除冰雪方法成為一個研究熱點(diǎn)。

1 人工與機(jī)械清除法

人工與機(jī)械清除法是最典型、也是最傳統(tǒng)的道路除冰方法。人工清除法一般使用鏟子、鎬頭等比較簡易的工具進(jìn)行除冰雪工作。人工清除法清除冰雪較干凈徹底，對設(shè)備要求低，但是效率極低，費(fèi)用較高，工作時影響車輛通行，無法長時間作業(yè)。因此，人工清除法通常在公路路面除冰雪過程中起協(xié)助作用，并且通常在難以進(jìn)行機(jī)械除冰的難點(diǎn)路段使用。

機(jī)械除冰雪方法效率高，效果比較明顯，是中國道路主要使用的冬季除冰雪方法[2]。幾十年來，機(jī)械除冰雪設(shè)備有了長足的發(fā)展，有專用的除雪機(jī)或與汽車、拖拉機(jī)配套的除雪機(jī)具。如德國的VF5型專用除雪機(jī)，除雪能力達(dá)4 500 t·h-1；日本的小松RSS6S Ш除雪機(jī)，除雪能力為35 t·h-1，在家庭、庭院、社區(qū)街道均可使用[3]。機(jī)械除雪過程會阻礙交通，除凈率不理想，而且容易損傷路面結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)生產(chǎn)的鏟雪機(jī)功能比較單一，設(shè)備利用率低，而國外綜合性的除雪機(jī)械價格昂貴，維修保養(yǎng)費(fèi)用高[4]。

2 熱力融冰雪技術(shù)

熱力融冰雪技術(shù)利用外部熱源加熱路面，使路面溫度高于水的冰點(diǎn)，從而延緩路面冰雪的形成，并清除已形成的冰雪[5]。

2.1 發(fā)熱電纜除冰雪技術(shù)

在路面下方鋪設(shè)發(fā)熱電纜或電熱絲，以電力為能源，將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至路面以融化冰雪[6]。該技術(shù)無污染，除冰性能穩(wěn)定，操作方便易控制。但該方法尚未進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，原因主要有：耗能較大，運(yùn)營費(fèi)用高；安裝、維修復(fù)雜，初期投資大；電纜強(qiáng)度難以保證。

目前，中國關(guān)于發(fā)熱電纜的探索主要集中在室內(nèi)試驗(yàn)和理論研究。韓文博等[7]通過在承重層及面層之間鋪設(shè)電阻網(wǎng)的形式，研究了該系統(tǒng)加熱路面的效果。結(jié)果表明：該融雪化冰系統(tǒng)在不同的鋪裝功率下均能實(shí)現(xiàn)很好的加熱效果，換熱量和可行性均較高；該裝置即時除雪效果良好，安全電壓易控。張登春等[8]通過低溫人工環(huán)境室對橋梁試件上的表面結(jié)冰和融冰過程進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明，若在90 mm間距電纜敷設(shè)層采用隔熱材料，SMA-13 瀝青上面層采用導(dǎo)熱瀝青，則可以縮短融冰時間，提高除冰能力；為有效防止橋面結(jié)冰，橋面溫度宜控制在2.5 ℃～3.0 ℃的范圍內(nèi)。羅鵬[9]利用有限元分析軟件對道路表面及結(jié)構(gòu)層內(nèi)的升溫規(guī)律、溫度分布進(jìn)行實(shí)測及數(shù)值模擬分析，并對功率的選擇進(jìn)行了對比試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，發(fā)熱電纜路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度場呈“馬鞍”形分布，上表面溫度以發(fā)熱電纜為中心，發(fā)熱電纜中心垂直向上處溫度最高，兩條發(fā)熱電纜之間垂直向上處溫度最低，呈正弦式分布。試驗(yàn)與理論分析表明：在陜西地區(qū)，當(dāng)路面表層溫度為2 ℃～3 ℃時，融雪效果最佳；發(fā)熱電纜的鋪裝功率為300 W左右時，融雪除冰效果比較理想。

2.2 流體循環(huán)加熱技術(shù)

流體循環(huán)加熱道路融雪除冰技術(shù)是指將管道鋪裝在路面結(jié)構(gòu)中，熱流體經(jīng)過管道時釋放熱量，使路面溫度保持在一定范圍內(nèi)，防止道路結(jié)冰或者融化道路冰雪[10]。加熱源常有地?zé)?、溫泉水、太陽能、天然氣及城市余熱等?/p>

流體循環(huán)加熱技術(shù)在國際上以北歐、日本和美國等為代表。美國俄勒岡州在1948年應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，之后弗吉尼亞州交通部采用丙烷為熱源，加熱丙烯乙二醇和水的混合液，結(jié)合熱管為一座長約35 m、寬約13 m的橋梁供熱，熱管的工質(zhì)為氟利昂。1995年，日本建立了首例全自動路面集熱蓄能熱流體融雪化冰試驗(yàn)系統(tǒng)，研究地下蓄能和道路融雪的時變規(guī)律和太陽能利用問題[11]。到2005年，日本已安裝超過25套地?zé)崃黧w循環(huán)加熱融雪除(防)冰系統(tǒng)。瑞士在8號公路以太陽能為熱源進(jìn)行了流體循環(huán)加熱融冰雪試驗(yàn)，該項(xiàng)目將夏季橋面因太陽輻射產(chǎn)生的熱量收集并儲存在地下蓄熱池，冬季利用儲存的熱量加熱橋面防止結(jié)冰[12]。

國外大量的實(shí)踐和研究表明，流體循環(huán)加熱道路融雪除(防)冰是一項(xiàng)很有前景的技術(shù)，可以因地制宜地利用可再生資源，或者與樓宇空調(diào)、城市供熱相結(jié)合，節(jié)能功效明顯，便于實(shí)現(xiàn)自動化處理。中國關(guān)于這方面的研究還處于起步階段，且由于成本較高尚未實(shí)際推廣，但在理論研究上取得了一些不錯的成果，這對中國流體循環(huán)加熱道路融雪除(防)冰技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。徐慧寧等[13]基于自行開發(fā)的道路融雪系統(tǒng)融雪模型，采用數(shù)值仿真分析方法探討了系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等對系統(tǒng)融雪效果的影響；在此基礎(chǔ)上，依據(jù)中國的氣候特點(diǎn)開展了流體加熱道路融雪系統(tǒng)設(shè)計熱負(fù)荷的探討。研究表明: 預(yù)熱時間、單位面積輸入熱負(fù)荷、道路材料、埋設(shè)管材顯著影響降雪開始時刻的道路結(jié)構(gòu)溫度場、單位面積輸入能量、沿程能量損失、熱量傳遞到上表面所需時間及熱量傳遞能力，因此可通過調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、道路設(shè)計參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化融雪效果的目的[14]。

2.3 導(dǎo)電混凝土技術(shù)

導(dǎo)電混凝土技術(shù)是指在路面材料中加入導(dǎo)電碳纖維、石墨等導(dǎo)電物質(zhì)，提高混凝土的導(dǎo)電性能。在通過電流時，利用其熱效應(yīng)加熱道路，達(dá)到預(yù)防或融化冰雪的目的[15]。

由于導(dǎo)電混凝土除了具備普通混凝土的性能外，還擁有較好的導(dǎo)電性能，故在許多領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。目前，雖然導(dǎo)電混凝土的研究取得了較大的進(jìn)展，但是在用于道路除冰融雪方面還停留在小范圍試驗(yàn)階段，且基本局限于室內(nèi)的小板試驗(yàn)和室外單一大板試驗(yàn)的融雪化冰分析，缺乏大范圍工程實(shí)際試驗(yàn)的分析研究。美國Roca橋是世界上第1座采用導(dǎo)電混凝土橋面板除冰融雪的橋梁。該橋橋面板內(nèi)鑲嵌了36 m×8.5 m×l00 mm 的導(dǎo)電混凝土層(由52塊獨(dú)立的導(dǎo)電混凝土板組成)，采用鋼纖維和碳質(zhì)材料作為導(dǎo)電介質(zhì)。不同長度的鋼纖維體積摻量為1.5%，不同粒徑的碳質(zhì)材料占混凝土體積的25%。由于這種導(dǎo)電混凝土具有良好的電熱性能，較薄層就能產(chǎn)生足夠除冰融雪的熱量[16]。

國內(nèi)對于導(dǎo)電混凝土技術(shù)仍處于理論研究和室內(nèi)試驗(yàn)階段。唐祖全等[17]以短切聚丙烯腈(PAN)基碳纖維為導(dǎo)電材料制備了碳纖維混凝土薄板，通過不同的電熱層布置方式，對其融雪除冰性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：采用導(dǎo)電混凝土覆層的形式設(shè)置電熱層可以減少能耗，并高效率地融雪除冰。吳學(xué)偉[18]以石墨、碳纖維為主要導(dǎo)電材料制備了導(dǎo)電瀝青路面，進(jìn)行融雪除冰方面的探索。結(jié)果表明，摻入導(dǎo)電材料可以有效地降低導(dǎo)電SMA的電阻率，從而提高其功率，融冰除雪效果良好。趙若紅等[19]通過試驗(yàn)優(yōu)化了導(dǎo)電混凝土的配方，并據(jù)此制備了導(dǎo)電混凝土試塊，對混凝土在不同電壓下的升溫性能進(jìn)行研究，得到最優(yōu)能耗電壓，并給出了導(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[20]對導(dǎo)電瀝青混凝土進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，并對不同電壓下導(dǎo)電混凝土的升溫情況進(jìn)行了測試。

諸多研究表明，導(dǎo)電混凝土技術(shù)在瀝青混凝土中也可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的目的，但是導(dǎo)電瀝青混凝土的成本相對較高，且溫度升高時，其強(qiáng)度會有所下降。如何在提高電學(xué)性能的同時不損壞其路用性能，并確保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[21]。

2.4 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的微波吸收發(fā)熱效率很低，難以實(shí)現(xiàn)快速融雪除冰。

長安大學(xué)研究發(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[22]。郭德棟[23]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[24]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5.8 GHz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。

由于微波除冰效率較低，難以實(shí)現(xiàn)快速除冰的目的，因此微波除冰技術(shù)尚未能實(shí)現(xiàn)真正的大規(guī)模應(yīng)用。

2.5 相變儲能除冰雪技術(shù)

該技術(shù)利用一種特殊的有機(jī)物相變材料(PCM)固液態(tài)轉(zhuǎn)變時釋放的熱量來融化冰雪。先在路面下方鋪設(shè)管道，管道中封裝著相變材料。當(dāng)溫度較高時，固體材料吸熱轉(zhuǎn)化為液態(tài)；當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)左右時，材料開始放熱，由液態(tài)往固態(tài)轉(zhuǎn)化，釋放的熱能使路面溫度長時間保持在冰點(diǎn)以上，從而抑制路面結(jié)冰，并融化積雪。

此種技術(shù)于2012年11月首次應(yīng)用于湖南省某高速公路連接線匝道橋面上。試驗(yàn)結(jié)果表明，其融冰效果較好。這項(xiàng)技術(shù)對路面無損害，不會對環(huán)境產(chǎn)生影響。但由于該技術(shù)存在成本較高、尚不成熟、養(yǎng)護(hù)困難以及對路面材料、結(jié)構(gòu)和施工要求過高等局限性，并未得到大規(guī)模應(yīng)用。

3 融雪劑

撒布融雪劑是目前國際上較為流行的一種路面除冰手段，但是在路面出現(xiàn)積雪結(jié)冰的情況下采用，會影響道路通行能力。此外，融雪劑滲入路面結(jié)構(gòu)中，會對路面材料產(chǎn)生不同程度的化學(xué)腐蝕，引起路面材料與結(jié)構(gòu)的破壞，縮短路面使用壽命，且污染周圍環(huán)境。

截至目前，在中國道路冬季除冰雪工作中，融雪劑被廣泛地使用，研究低成本、高效率、且無環(huán)境污染的融雪劑成為當(dāng)務(wù)之急。許英梅[25]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。周密等[26]以氯化鈣為主要原料自制除冰融雪劑，同時添加貝殼灼燒物、緩蝕劑和植物鈣劑。結(jié)果表明，這類自制除冰融雪劑的融冰量可隨融冰時間的延長而增加。

4 析出式蓄鹽混合料技術(shù)

蓄鹽混合料技術(shù)是用一種以鹽化物材料代替部分或全部礦粉而形成的瀝青混合料鋪筑路面(圖1)，混合料內(nèi)部鹽化物有效成分不斷析出，降低冰點(diǎn)，融化積雪，達(dá)到防凍目的。融雪化冰路面起源于20世紀(jì)60年代的歐洲，在瑞士和德國等國家得到廣泛的應(yīng)用。日本在20世紀(jì)70年代末期開始引進(jìn)該技術(shù)，并進(jìn)行了創(chuàng)新，研發(fā)出Maflon融雪材料[27]。中國于2008年在陜西的藍(lán)商高速上采用該材料鋪筑了長約1 km的融雪化冰試驗(yàn)路，效果較為顯著，但是鹽化物的融雪壽命較短，從而限制了其大面積應(yīng)用。

目前國內(nèi)也對此方法進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。姜紹升等[28]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[29]對摻加了Maflon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，長效型主動融雪瀝青混合料，高溫性能優(yōu)良；隨著Maflon摻量增加，其水穩(wěn)性有所下降。張忠[30]在SMA混合料中摻加鹽化物融雪劑，研究了配合比設(shè)計，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)。

5 自應(yīng)力彈性路面

該技術(shù)利用廢舊輪胎橡膠顆粒的彈性，當(dāng)橡膠顆粒受到外力作用時，產(chǎn)生較大形變，從而破壞路面冰層(圖2)。該技術(shù)主要包括橡膠顆粒瀝青路面和鑲嵌類鋪裝技術(shù)[31]。

張洪偉等[32]就橡膠顆粒瀝青混合料的級配類型適應(yīng)性、抑制結(jié)冰性、耐久性等進(jìn)行了試驗(yàn)分析。張舒暢等[33]從橡膠瀝青路面的除冰機(jī)理入手，分析了路面冰層破碎的原因，并提出了評價橡膠顆粒瀝青路面除冰能力的定量指標(biāo)。李悅等[34]將高黏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。

從理論上來講，使用自應(yīng)力路面進(jìn)行除冰是可行的，但是目前缺乏試驗(yàn)路的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)際效果有待驗(yàn)證。另外，大量室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，僅靠橡膠顆粒的自應(yīng)力除冰效果不佳，需要加入除冰鹽，但是鹽類物質(zhì)又會對其他路用性能產(chǎn)生不利影響。

圖2 彈性破冰混合料

6 路面涂層技術(shù)

利用超疏水材料制備的抗凝冰涂層，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天、電力等領(lǐng)域，可有效降低基質(zhì)表面的覆冰量及冰與基質(zhì)表面間的附著力，是一種有效的除冰雪方法[35]。

學(xué)者們對其應(yīng)用于公路路面防除冰的可行性進(jìn)行探討，并開展了大量試驗(yàn)研究(圖3)。高英力等[36]通過納米二氧化硅顆粒對硅烷類疏水材料進(jìn)行表面改性，制得超疏水涂料，將其涂在水泥混凝土試件表面，并對結(jié)冰后冰的附著強(qiáng)度進(jìn)行測試，同時開展接觸角測量試驗(yàn)、路面表面能計算及耐久性試驗(yàn)，綜合評價了超疏水涂層的疏水防冰性能。結(jié)果表明，超疏水涂層可以有效減少冰的殘留率，降低試件表面水的接觸角，降低路面表面能，顯著減小冰面層與路面的層間強(qiáng)度。摩擦試驗(yàn)后，其接觸角依舊保持在超疏水范疇內(nèi)，耐久性較好。

圖3 疏水瀝青混合料

彭超等[37]使用有機(jī)硅橡膠與表面改性的微米/納米粉末制備了超疏水涂層，并且研究了該涂層對于瀝青路面防冰性能的影響。接觸角測試結(jié)果表明，該超疏水涂層的接觸角達(dá)到160°。瀝青混合料表面結(jié)冰溫度試驗(yàn)結(jié)果表明，在同樣的降溫條件下，相比于無涂層的瀝青混合料試件，有超疏水涂層的瀝青混合料試件的表面水滴結(jié)冰時間延長了1.5倍。瀝青混合料表面冰層黏附力試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于無涂層的瀝青混合料試件，有超疏水涂層的瀝青混合料試件的表面冰層黏附力在-5 ℃時減小了84%。

超疏水涂層應(yīng)用于公路路面具有良好的防冰除冰效果，但是在車輪反復(fù)碾壓、陽光和雨雪等復(fù)雜外界因素的綜合作用下，容易從道路表面脫離，逐步喪失疏水疏冰效果。此外，大規(guī)模生產(chǎn)超疏水材料的工藝及施工設(shè)備尚未取得技術(shù)突破，生產(chǎn)成本過高，這大大限制了涂層的推廣應(yīng)用。

7 結(jié)語

中國目前廣泛使用的道路除冰雪方法，大多是根據(jù)天氣預(yù)警準(zhǔn)備相應(yīng)的除冰雪設(shè)備、融雪劑、除冰鹽，主要依靠人工及機(jī)械清除冰雪。傳統(tǒng)的除冰雪方法不僅耗費(fèi)高，而且效率低，難以快速恢復(fù)交通。近些年來，新型除冰雪技術(shù)不斷發(fā)展，一些方法雖然已經(jīng)開始進(jìn)入應(yīng)用階段，但是仍有以下問題需要解決。

(1)目前基本未對冰雪災(zāi)害形成前的氣候環(huán)境進(jìn)行研究，無法對災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，也就無法在冰雪災(zāi)害發(fā)生前采取預(yù)防性措施。

(2)許多在實(shí)驗(yàn)室證明可行的方法，在試驗(yàn)段上運(yùn)用的效果較差。一些方法的前期除冰雪效果較好，時間的延長會使效果大打折扣。一旦失效，還會產(chǎn)生很高的運(yùn)營維護(hù)成本。

目前中國公路信息化處于加速發(fā)展時期，因此應(yīng)利用信息技術(shù)對冰雪災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警和實(shí)時監(jiān)測，在冰雪警報發(fā)出后，通過主動防冰技術(shù)(如涂層處理等方法)來預(yù)防冰雪的大量覆蓋，減小除冰工作量，便于快速恢復(fù)交通。這種被動除冰技術(shù)與主動防冰技術(shù)的結(jié)合是以后融冰化雪技術(shù)應(yīng)用的一種趨勢。