路面微波除冰机理分析

王 升，艾 涛，高海军

（1.长安大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710061；2.陕西省延安公路管理局，陕西 延安 716000）

1 国内外路面除冰技术现状

路面结冰往往造成大量交通事故，经济损失严重。目前，国内外比较常见的除冰方法主要有化学除冰法、人工除冰法、机械除冰法和热力除冰法等[1-3]。化学除冰法是将醇类、氯盐类等化学试剂铺洒在路面上，通过降低冰点来抑制路面结冰，除冰的同时，化学试剂会对路面产生破坏。人工除冰法是指借助铲子等简单工具进行除冰的方法，效率低，只适用于小范围内且冰层厚度薄的路面。机械除冰法是采用除冰机等对路面上的冰层进行破碎，使冰层与路面分离开，最终将冰层铲除的方法，施工过程中，用力难以把握，往往会对路面结构造成破坏。热力除冰法主要是将发热电缆铺筑在路面下，在路面结冰时，通过电缆通电产生的热量来融化冰层，但这种方法的成本比较高。

国内外研究者对环保又经济的微波除冰法进行了相关研究。早在1986年，HowardK.Long就提出了微波除冰法并申请了除冰车原型专利。但是由于路面材料对微波的吸收性能不好，微波加热的除冰效果也不明显。直到2003年，美国明苏达大学的Hopstock[4-5]提出了将铁燧岩掺入沥青混合料中用以铺筑沥青路面层，以增加路面表层的吸波能力，并且修筑了试验路。北方交通大学的徐宇工等[6]对微波除冰进行了相关研究，并将铁矿石代替部分集料掺加到沥青混凝土中铺筑路面表层以增加其吸波性能。

2 微波与介质的作用形式

微波是一种频率在0.3～300GHz范围，对应波长为0.1mm～1m的电磁波[7]。微波作用于物质上主要有三种结果：被反射、被透射和被吸收。当微波作用在铝箔等金属导体上时，绝大部分甚至完全能被反射出去。当微波辐射到金属腔中时，能够进行多次反射而不发生能量损耗。当微波作用在普通玻璃等绝缘物体上时，能够穿透。当微波作用在大部分金属氧化物、半导体和极性物质等吸波材料上时，就能够被吸收，从而转化成热量，使物体的温度升高。

吸波物质分为两种：非磁性物质和磁性物质。对于非磁性物质来说，其吸波能力与其复介电常数中的损耗因子tanδE有关。而对于磁性物质，其吸波能力还与其复磁导率中的损耗因子tanδM有关。由于每种物质的损耗因子tanδ（包括tanδE和tanδM，非磁性物质的tanδM可视为0） 不一样，其吸波能力也不一样。一般来说，损耗因子tanδ越大，物质的吸波能力越强，产生的热量越多。表1为部分物质在频率为2.45GHz时的介电特性，表明普通沥青混凝土、冰层的介电损耗因子比较小，吸波能力比较差。所以要在沥青混合料中加入一定量的理想吸波材料如铁矿石，使路表迅速升温，融化结合处的冰，使除冰机械达到快速除冰的效果。

表1 部分介质的介电特性

3 路面微波除冰过程

微波除冰的主要过程是用微波除冰车对含有铁矿石的路面加热至冰层基本脱离路面，再结合机械破冰，铲除冰层[8，9]。因此，微波除冰层主要可以分为两个阶段。第一阶段是微波只加热铁矿石，微波作用下铁矿石内部产生热量，温度逐渐升高；铁矿石内部的热量向外传递到至冰层与路面的界面，使界面区域温度升高到0℃，部分冰开始融化。第二阶段是微波同时加热铁矿石和水，由于只是将界面处少部分的冰融化成水，冰层大部分还与路面紧密黏附，用微波加热直至去除。水有比较强的吸波性能，微波不仅仅作用于铁矿石，同时还在对水加热，能使加热效率提高。两阶段的加热时间与微波加热效率关系如图1所示。此时，铁矿石和水将热量传递给界面附着的冰，使之融化脱离路面。

图1 微波加热效率与加热时间关系图

4 路面微波除冰机理

当微波作用在吸波材料上时，材料内部分子发生移动，微波发生损耗，同时材料内部产生热量。微波是电场和磁场共同作用的结果，对于非磁性材料来说，微波辐射下，电场作用占主导，磁场作用可以忽略，产生介质损耗。对于磁性材料来说，微波辐射下，电场和磁场共同作用，介质损耗和导磁损耗均产生。介质损耗和导磁损耗越多，微波损耗越多，材料内部产生热量越多，温升越高[10-11]。

4.1 微波加热铁矿石

铁矿石中的主要成分是四氧化三铁（Fe3O4）。当施加电场强度时，晶体中的Fe2+和Fe3+会向电场方向偏移一定的位移，O2-会向反方向偏移一定的位移，这称为位移极化（如图2所示）。位移极化需要一定的时间（弛豫时间）。Fe3O4的位移极化和电场就产生了相位差，而这种相位差导致了弛豫损耗的产生。铁矿石中有自由移动的电子，在电场作用下，会产生电导电流引起的电介质损耗，称为电导损耗。

图2 施加电场后Fe3O4的极化现象

物质的磁性是由离子或者原子内部的电子运动造成的。电子的轨道运动产生轨道磁矩，自旋运动产生自旋磁矩。在Fe3O4中，Fe2+和Fe3+都有一定的磁矩。Fe3+有半数占据八面体的配位位置，另半数占据四面体的位置，这两种磁矩方向相反，数量相等，刚好可以相互抵消。而只占据八面体的配位位置的Fe2+磁矩方向都一致，提供了Fe3O4的强磁性。磁矩会随着外加交变磁场的方向改变而改变，随着磁场频率的增大，磁矩会和外加磁场形成一个相位差，从而产生了导磁损耗。

4.2 微波加热水

水由水分子组成，水分子本身是一种偶极子。水分子中的氧和氢共用一对电子形成共价键。但是氧比氢更需要电子，所以共价键氧的一侧带负电（-），共价键氢的一侧带正电（+）。正常情况下，水分子是混乱无序排列的。在电场的作用下，水分子就会定向排列，产生转向极化现象（如图3所示）。在频率为2.45GHz的微波作用下，电场方向以24亿次/s的速度改变，水分子通过偶极距的作用也将随之转动。但这种转向极化需要一定的时间，这种弛豫现象造成水分子的转向极化与电场E产生了相位差，从而产生了弛豫损耗。水分子中有自由移动的离子，在电场作用下，由电导电流引起的电介质损耗称为电导损耗。在微波作用时，由于电导损耗，产生的热量相对较少，水分子的主要热量来源于弛豫损耗。

5 结语

图3 水分子施加电场后产生的极化现象

微波是一种清洁能源，不会污染周围环境，符合当代绿色环保的主题。铁矿石在我国储量巨大，全国各地均有分布。用铁矿石沥青混凝土来修筑除冰路面时，非常方便，可以就地取材。微波车移动方便、作业灵活，用在铁矿石铺筑的沥青路面上时能使冰层完全脱离路面，除冰彻底并且效率高。铁矿石在沥青混合料中的应用，改变了混合料的电磁参数，提高了混合料的吸波性能，缩短了混合料微波融冰时间。具有吸收微波功能的沥青混合料为道路工程绿色环保且高效率地降低冰雪带来的安全隐患提供了一种新材料。

[1] 王选仓，陆凯诊.公路路面融雪化冰技术与发展[J].筑路机械与施工机械化，2013，30（1）：26-31.

[2] 王磊，卓仪.高速公路融雪除冰技术研究[J].交通标准化，2012，（9）：101-103.

[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，2008，25（11）：18-21.

[4] HOPSTOCK D M.Microwave-Absorbing Road Construction and Repair Material[R].Duluth:University of Minnesota Duluth,2003.

[5] HOPSTOCK,DM,ZANKO.Minnesota Taconite as a Microwave-absorbing Road Aggregate Material for Deicing and Pothole Patching Applications[R].Duluth:University of Minnesota Duluth,2005.

[6] 李笑，徐宇工，刘福利.微波除冰方法研究[J].哈尔滨工业大学学报，2003，35（11）：1342-1343.

[7] 杨雪霞.微波技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.

[8] 徐宇工，李笑，宁智，等.微波加热清除道路结冰的方法和微波除冰车：中国，02125427.3[P].2004-01-28.

[9] 徐宇工，李笑，宁智，等.一种微波除冰车：中国，CN02243786.X[P].2004-03-10.

[10] 周书才.Mg2Si基热电材料的微波合成机理及热电性能研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[11] 郭德栋.基于微波与磁铁耦合效应的融雪除冰路面技术研究[D].西安：长安大学，2011.