国内外公路防冰除冰技术现状综述

任 毅，袁铜森，万 智，秦 敏

(湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

0 前言

随着高速公路和桥梁建设的快速发展，高速公路网及其桥梁在国民经济和社会生活中的作用越来越重要，尤其是每年春运期间，公路运输承载着全国客运总量的90%以上，2014年更是达到32.4亿人次(湖南省为9 176.131万人次)，海量的客运流行驶在全国10多万km的各条高速公路，如何保障高速公路的畅通，满足人们出行的安全需求，是交通运输工作者亟待解决的严峻课题。特别是冬季桥梁冰雪状况是影响高速公路交通安全，造成高速公路交通事故的一个重要因素。

资料表明:冬季的降雪通常会以浮雪、积雪和积冰三种形式滞留于路面。正常干燥沥青路面的摩擦系数为0.6，雨天路面摩擦系数降为0.4，雪天则为0.28，结冰路面只有0.18，结冰路面汽车制动距离为正常道路的6～7倍，极容易造成交通事故。在寒冷地区，冬季交通事故率比其他季节高出20%左右。根据对世界主要大中城市进行调查得出的结论，因道路结冰造成的交通事故占冬季交通事故总量的35%以上。

1 国内外防冰除冰技术概述

冬季低温雨雪天气下，路面易结冰和积雪，导致摩擦系数降低，车辆行驶困难，制动距离增大，极易造成交通事故。为了消除冰雪危害，保证道路交通安全，国内外研究和应用了一些有效的预防和清除道路冰雪的方法，大致分为以下几类，见图1。

图1 道路冰雪清除方法

1.1 人工清除

人工铲除清扫路面冰雪需要动用大量人力，清除效果一般，效率很低，影响车辆通行，不能长时间作业，不适合需要快速清除大面积冰雪的场合。见图2。

1.2 撒融雪剂

往路面冰雪中撒入盐类化合物可以降低冰的融点，使冰雪自行融化，这是目前国际上普遍采用的方法，实施方便、效果好。融雪剂的种类有两种，对环境的影响不同。

图2 人工除雪

1.2.1 氯化物融雪剂

“氯盐类”融雪剂溶于水(雪)后，放出热量促进冰雪融化，且形成的盐水溶液其冰点在零度以下，如氯化钠(食盐主要成分)溶于水后冰点在－10℃，氯化钙在－20℃左右，醋酸类可达－30℃左右。但氯化钠(工业盐)、氯化钙、氯化钾、氯化镁等虽然价格相对便宜，但其对路基、混凝土、沥青路面、钢筋都有腐蚀破坏作用，长期使用容易导致沥青表面脱落、大面积路面破损、钢结构老化。氯化物溶于水后流入附近的农田绿化带，会引发土壤盐碱化，破坏植被的灾难性后果。而且氯化物进入地下后还会污染地下水，饮用后对人体健康产生危害。

1.2.2 环保融雪剂

以醋酸钾为主要成分的新型无腐蚀、环保融雪剂效果好，且对路面桥梁无腐蚀，对土壤植被水源无污染，但价格高，目前主要用于机场等重要场所。

1.3 机械清除

使用大型机械车辆清除路面冰雪，机械铲雪适用于雪量较大、结冰前大面积清除作业;机械吹雪适用于厚度较薄未经碾压的积雪，不能除冰作业。

1)铲雪车:常见的铲雪车分为铲刮式、刷打式、旋切冲击式等类型，适用于不同厚度、压实程度的积雪清除。铲雪刀具需要铲、切、刮、锤、刷冰雪，因为路面不平整总会受到一定程度的铣刨破坏且容易损坏路面交通设施(如标线、路钮)。见图3。

2)吹雪车:采用喷气式飞机发动机喷射出500℃、相当于10级大风的高速高温气流，瞬间融化和吹飞路面冰雪。但需要消耗大量昂贵的航空燃油，且为了避免损伤吹雪车周边不能有其他人员和车辆。一台大型的吹雪车市场价格为65万元左右，除雪宽度:290 cm，除雪高度:110 cm，除雪量:3 500 t/h。见图4。

3)融雪车:

图3 铲雪车

图4 吹雪车

微波融雪车:微波除冰只融化贴近路面的冰层，能耗高;对路面无损坏;但其加热速度慢效率低，除冰效果不能持久，至今未得到推广应用。

热力融雪车:在运载卡车上加装电阻丝加热或蒸汽制作装置，将电阻热能或蒸汽热能直接传递到路面冰雪上，使冰雪融化，一般还具有将融化的冰水吸干或吹干的功能。融雪车每次作业宽度为2.5 m，行驶速度为5 km/h，加热温度为100℃，能耗较大，速度较慢，效率较低，除冰效果不能持久，适合大交通量的城市道路桥梁除冰。

1.4 智能防冰除冰系统

智能防冰除冰技术是近年来从欧美等国首先兴起的综合性技术。智能除冰系统通过对结冰条件的智能预测技术，先发制人不让冰雪封路，把冰雪对交通的危害消灭在萌芽状态;或者是在出现交通事故、交通拥堵之前就把冰雪融化，以极快的响应时间来解除冰雪灾害对交通的影响。

工作原理:自动接收气象信息和路面状态传感器的检测数据，并将检测数据与设定的判定条件比较，以确定是否启动喷淋系统。喷淋系统启动后根据喷洒时间自动控制各个单元喷嘴的启动。喷淋完成后，系统自动监测路面抗滑系数的变化，若由大变小则进行第二次喷淋。见图5。

湖南省交通科学研究院联合湖南省高速公路管理局、美国德克萨斯农工大学、华中科技大学、上海海事大学，自主研发的桥梁智能除冰系统在湖南某高速公路特大桥上作为试点项目已经安装实施，具有较好的防冰效果。见图6。

图5 智能防冰除冰系统组成

图6 防冰效果图

图6所示为智能防冰除冰系统在冰雪天气前提前开启系统后的防冰效果，由图可见此系统对于主动防冰效果明显，桥面未出现积雪及结冰情况。

图7为智能防冰除冰系统在冰雪天气后开启的除冰效果，由图可见此系统有一定的融冰化雪效果。

图7 除冰效果图

此系统的智能化、信息化程度高，最大特点在于主动预防冰雪，通过自身的路面气象信息子系统对路面、大气的温度、湿度进行实施监测，在路面结冰临界点，及时响应，自动启动喷洒，预防结冰。

1.5 热力融雪

1)发热电缆:在路面下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，融化冰雪。具有无污染、稳定性好、控制方便等优点。但该方法总体来说国内外应用较少，原因主要有:①耗能较大，运营费用高;②安装、维修复杂，初期投资大;③电缆强度难以保证。

2)地热管:在路面内部铺设换热管道，将地热传导至路面，融化冰雪。

3)太阳能加热:在路边建造太阳能转化储热装置，夏季把太阳能存储在路基下的土壤中，在冬季释放能量融雪除冰。该技术能耗低、环保无污染，但系统庞大复杂，建造难度大，建设成本很高，不适合路面下方没有土壤的桥梁，灵活性差，没有得到广泛应用。

4)导电混凝土:在水泥混凝土中加入导电碳纤维，使路面混凝土具有一定的导电性能，利用电能使之发热，从而除冰融雪。

2011年12月建成通车的湖北恩施州省道南(湖南省石门县南北镇)鹤(湖北鹤峰县)线大垭桥隧群采用了导电混凝土除冰的技术。该工程位于湖北省恩施州鹤峰县五里乡至走马镇，由紧密相连的两隧两桥及接线工程组成，全长3.7 km。该工程首次在桥面混凝土中设置自动控制的碳纤维远红外加热融雪系统，有效防止桥面结冰，确保过往车辆的行车安全。见图8。

图8 采用导电混凝土除冰技术的桥梁

导电混凝土除冰技术相比于其他除冰技术建设施工成本高，运行能耗大成本高，技术不成熟，对路面材料、结构和施工都有要求，只适用于特殊路段，对路面力学性能和耐久性有影响;优点在于不影响环境，清除速度快，清除干净彻底。

5)相变材料:利用一种特殊有机物相变材料(PCM)由液态转化为固态时释放大量热能的原理来融化冰雪。在路面下方埋设封装有相变材料的钢管，气温高时材料转化为液态吸热储能，当气温降至4℃左右时材料开始由液态往固态转化，释放出的热能使路面温度长时间保持在冰点以上，抑制路面结冰，融化积雪。

2012年11月，此种新技术在湖南省某高速公路连接线匝道桥面进行了实际试验段施工，一次性浇筑85 m桥面。其融冰效果较好，但建设施工成本较高，技术不成熟，对路面材料、结构和施工都有要求，且养护困难，只适用于短期低温少量冰雪环境，其优点是无损路面，不影响环境。见图9。

图9 相变材料埋设施工

1.6 添加抗凝冰材料

在沥青混合料中添加氯化钠和氯化钙等盐化物，路面经水浸泡后能释放抗冰盐物质，可降低冰点有效阻止和延缓路面结冰，从而达到防冰冻效果。此技术难点在于在保证沥青路面本身性能的前提下，能够用于添加的盐化物种类稀少，所以融雪化冰效果不会太明显，并且盐化物在沥青混凝土中的持久问题尚待解决。

2012年11月，湖南省某高速公路高架桥应用了此技术，全长 120 m，双向六车道，单幅桥宽15.75 m，与隧道紧密相连。采用加入了“重庆鹏方”抗凝冰外掺材料的SMA－16沥青混合料进行高架桥全桥和桥隧相连段路面的上面层铺装。

通过对图10、图11的对比可以看出，掺加了抗凝冰材料的桥面防冰雪效果明显，其中行车带在有车辆通行的状况下未出现积雪结冰现象，而未掺加抗凝冰材料的桥面积雪严重，桥面安全隐患较大。

图10 添加抗凝冰材料的高架桥防冰效果

1.7 抑制冻结铺装

该类技术在路面铺装材料中添加一定量的特殊材料，改变路面与轮胎接触状态和路面形变特性，利用所添加的特殊材料变形能力较强的特性，通过路面在外荷载下产生的自应力，使路面冰雪破碎融化，从而有效抑制路面积雪结冰。

图11 未添加抗凝冰材料的桥面

1)添加橡胶颗粒。

橡胶颗粒填充的沥青混合料是将废旧橡胶轮胎破碎成一定形状和粒径的颗粒，以骨料的形式直接添加于沥青混合料中，用以代替部分集料而形成的新型的沥青混合料，用于路面铺装工程。在有积雪的情况下有较好的防滑性能，但由于橡胶颗粒的混入，路面不易达到充分的密实度。

2)镶嵌类技术。

在普通沥青路面铺筑完成后，通过一定的施工工艺将弹性材料镶嵌在路面表面，单纯利用弹性变形降低冰雪对路面的粘结程度，从而提高冰雪破碎的机率，破除路面积雪结冰。

镶嵌类铺装技术虽然具有一定的效果，但由于在镶嵌橡胶块的过程中会破坏路面原有的状态，橡胶块周围会出现薄弱面，在行车荷载的作用下，橡胶颗粒极易从路面表面脱落，造成路面平整度下降，甚至松散、坑槽。

3)粗糙路面。

采用大粒径沥青混凝土铺筑面层，增加面层的粗糙度。冰冻后，行车辗压时，水平力的作用使结冻层很快被磨耗掉，也增加了制动效果。

1.8 路面涂层技术

路面抗凝冰涂料是基于乳化沥青的生产机理，在生产过程中用乳化剂、抗凝冰剂对重交沥青进行乳化－改性－融合作用，后期经保护胶处理而得到的一种新型路面喷洒型抗凝冰材料。通常在温度不低于－5℃，或是冻雨量和降雪量较小时，可有效避免路表水结冰，及部分结冰但不形成结实的连续冰层。在冻雨量或降雪量稍大且温度较低时，能有效降低冰与路表的粘附力，使路表薄冰层在车辆的碾压下容易破碎，不使结冰路面形成连续的光滑冰面，提高行车安全。

抗凝冰涂层技术在国内的雅西高速下鲁坝桥、国道108线巫山脚下、贵阳市西南环线沙河特大桥等地有投入试用。见图12。

图12 路面防冻涂层施工

此类涂层技术涂料作用时间短，通常为一个冬季，需要在冰雪天气来临前重新进行喷涂，建设施工成本不高，运行成本低，施工简单，无损路面，不影响环境，但其抗冰融雪效果一般。

2 总结和展望

目前，世界范围内常用的路面材料为水泥混凝土和沥青混合料两种，这两种路面材料的模量相差很大、温度敏感性不同、施工工艺迥异，因此所适用的融冰雪机制、方法有着本质的差别。从本文对国内外防冰除冰技术的投入成本、技术特点、施工难度、除冰效果等方面的综合对比分析可以看出，传统的人工机械除冰方法已经很能满足当前交通建设和社会发展的需求，信息化、智能化交通安全保障体系建设将是我国交通运输安全与应急保障领域未来的发展趋势。而新型的智能防冰除冰系统能够较好的达到主动防治冰雪的效果，但其成本、技术两方面的原因约束了大范围推广使用的可能性，但在一些特殊路段(如特大桥梁、长上坡、长下坡、桥面、迎风面和风口路段)或具有较大社会知名度的特大型桥梁等地方可以推广实施。路面涂层技术虽然抗冰融雪效果一般，但施工简单，成本低，对路面及环境的影响较小，如果能开发出一种抗冰融雪效果较好的涂层材料，并改进其施工方法，提高施工效率，可考虑将其作为主要抗冰技术进行推广使用。

总之，道路交通部门多年来一直都非常重视道路桥梁防冰除冰的问题，研究开发的防冰除冰技术众多，各部门用于防冰除冰的投入也较大，那么如何有效整合现有资源和技术达到更好解决这个问题，是困扰交通运输决策者的一个难题。破解这个难题的关键在于思维方式的转变，必须站在高层次的、宏观的、全局的角度考量，要上升到信息化、智能化交通安全与应急保障体系建设的战略层面思考，微观层面则应以社会实际需求为轴心开展工作。

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