路面积雪结冰清除技术综述

余进华， 李　婕， 袁铜森， 孙大权

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700；

2.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015;　3.同济大学, 上海　200092)



路面积雪结冰清除技术综述

余进华1， 李婕1， 袁铜森2， 孙大权3

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700；

2.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015;3.同济大学, 上海200092)

摘要：路面积雪结冰及时清除对于保障行车安全、提高路网通行能力具有重要作用。国内外围绕路面积雪结冰清除技术开展了大量研究，并形成了机械清除和融化清除两大类技术。机械清除技术采用专用设备清理路面冰雪，而融化清除主要有化学融化和加热融化两种技术。对各种路面积雪结冰清除技术原理和特点进行了总结，并提出了当前路面积雪结冰清除技术存在问题和发展方向。

关键词：路面； 积雪结冰； 清除技术； 机械清除； 融化清除

0前言

雾、强降水、大风、高温、暴雨、积雪、结冰等天气是公路交通运输的主要气象灾害。在这些诸多气象灾害中，路面结冰积雪对公路交通的影响是不容忽视的。其主要危害有以下两个方面：

首先，结冰积雪会使路面摩擦系数大大降低。据统计，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[1]。这使得在结冰路面上，汽车制动距离为正常道路的6～7倍，极容易造成交通事故。同时，低温还会引起沥青面层的收缩开裂和反射裂缝，从而进一步加大对交通行驶造成的危害。据2005年交通部的统计数据显示，岁末年初有雪季节时交通事故较多，其他月份相对较少[2]。

其次，路面的结冰积雪会导致高速公路实施限速通行，甚至封路。严重影响了交通运输的效率。与此同时，驾驶员每年由于公路上的积雪和冰冻，不得不忍受将近500百万小时的延滞。此外，如果一条线路出现问题，常常还会波及到其他的公路干线。由此可见，路面的结冰积雪将极大的降低道路交通的效率，给整个交通运输系统带来不便。

为了保障车辆的行驶安全，提高公路的运营效率，世界各国均采取了措施对路面进行及时的融雪除冰。总体来说，这些方法可分为机械清除和融化清除两大类技术。机械清除主要依靠专用设备清理路面冰雪，而融化清除主要通过加热或撒布融冰雪剂等方法实现路面融雪除冰。

1机械清除技术

机械清除技术是采用特殊的器具或机械对冰雪进行清理。最初采用人工方法，目前已经采用机械化作业方式实现路面冰雪快速清除。按照除冰雪机理，冰雪清除设备直接的作用，从而消除路面结冰积雪的危害，是人类最早使用的一种融雪除冰的方法。从方式上又可以分为人工法、机械法以及微波除冰法。

人工清除法虽然技术简单，也可以保证较为彻底的除冰，但是会消耗大量的人力，效率低下，且严重影响交通。目前在我国，只被用于一些中小城市。

机械法按除冰方式的不同可以分为击破冰、多节鞭抽打除冰、滚轮旋切除冰(图1、图2)和铲剁除冰等[3]。虽然其种类繁多，但是总体的效果并不是很理想。其原因有如下两点：

1) 由于车辆不断地在公路行驶，使得路面上多是积冰和压实雪，冰层与路面的粘结力很大。这就导致如果机械法的作用力太小，则不能将其完全清除；而太大则又可能损坏路面。这一矛盾直到现在也还未能得到很好的解决。

2) 对于不同种类的道路类型以及不同厚度的冰层，所需的机械往往是不一样的。这就导致用机械法融雪除冰必须配置多种型号的除冰车。从而使得机械闲置率升高，除冰成本上升，效率下降。

图1　滚轮旋切式除冰机[3]

图2　滚轮旋切式工作装置的结构图[3]

微波除冰法是机械法的一种改进。其除冰原理是基于冰层不吸收微波，而道路材料却要吸收。因此在车辆上装备一个微波发射器，向路面发射微波，可以穿过冰层，直接对路面进行加热。从而使得道路表面的温度升高，率先融化与路面接触的冰，达到降低冰层粘着力的目的。继而再使用机械法的方式将剩余的冰雪铲除。

此方法虽然较机械法有很大的改进，但是至今，微波除冰法也未获得实际的应用。最主要的原因就是微波除冰效率过低。对于目前大多数的路面材料而言，微波的穿透能力都较强，因此其加热的深度会很大。这使得在路表1 cm范围内的道路材料吸收的能量仅仅为微波总能量的4%～5%[4]。低下的能量转化效率造成了路面表层升温慢，冰层需要很长的时间才能脱离路面，这也最终导致了微波除冰法的效率降低。目前，美国一些研究机构已将此方法的研究重心转向了在道路中添加一层吸收微波能力较强的铁磁性材料。

总体来说，清除法虽然是最为简单直接的一种融雪除冰的方法。但是其具有滞后性，不能及时除冰；人力的需求也较多，融雪除冰的总体效率偏低，对交通影响较大等劣势。

2融化清除技术

2.1化学融化法

化学融化法主要是使用融雪剂除雪。融雪剂可分为无机和有机两大类。其基本原理是让融雪剂溶于雪中，使得整个溶液的冰点降低从而消除积雪。氯化物融雪剂因其价格低廉，融雪效果较好为目前国内外使用最为广泛的化学融雪剂。但在融冰的同时，它对植物、动物、水环境、大气质量也会造成很大的化学污染，并且还会对道路桥梁和车辆造成腐蚀。2004年，美国弗吉尼亚交通研究机构发布报告[5]，指出美国每年用于路面融雪除冰的直接费用高达15亿美元，但与此同时带来的间接经济损失又高达50亿美元。其主要的原因就是由于对环境的污染和路面的腐蚀。近年来，我国对氯化物融雪剂的规范化使用越来越重视，哈尔滨和北京等城市已相继出台了地方融雪剂使用标准，对其使用加以指导和限制。

目前，研究一种新型的低污染低腐蚀性的融雪剂是此技术的发展方向。王宝民等人[6]研发的DWG环保型除冰剂，不仅能有效融雪除冰，而且对沥青和混凝土路面以及道路管网、动植物无腐蚀性。朱校斌等人[7]也研制了一种以有机材料为主，合成生产的安全、绿色、高效、环保的融雪除冰剂，其成本甚至低于氯化钙等产品。周密等人[8]研发的显色型环保除冰融雪剂，添加了贝壳灼烧物、缓蚀剂和对植物生长有益的植物钙剂，不仅降低了其对金属的腐蚀性，而且可以根据冰雪融化后溶液颜色的变化来控制除冰融雪剂的用量，避免浪费。

总体来说，化学融化法仍在朝着高效无毒，绿色环保的方向不断发展与改进。其融雪除冰效果较机械法好，但是同样有滞后性，使用时也需要大量的人力投入。另外，不当的使用会给交通和生态环境造成很大的污染。

2.2热融化法

热融化法是一种利用外界的热量对路面进行加热，使温度迅速升高，从而实现融雪除冰的方法。其普遍具有预防性、自动性和主动性。根据热源的不同，又可以分为： 地热管法、流体加热法、电热丝法、导电沥青混凝土法等。

2.2.1地热管法

地热管法通过将热棒插入地下，吸收地热，并且通过管道将地热传到地表面用于道路的融雪除冰(图3)。1984年有Wyo的Laramie[9]进行了此类试验，使桥梁表面温度升高了2～14 ℃。类似的热管系统在日本和美国Colorado的Glenwood Spring也进行了试验和改进。而在Glenwood Spring的地热源就替换成了水井[10]。

图3　利用热棒收集地热的热熔法示意图[11]

由于地热资源分布不均，并且利用起来技术难度较高。研究人员又提出了蓄能式的热融冰技术，即通过埋置热管、热泵等储能设施，对夏天的太阳能进行收集，并在冬天进行使用。这样既能在夏天降低路表的温度，还能有充足的热源储备在冬天进行道路的融雪除冰。

目前，美国，日本及一些欧洲国家对这个技术的研究较多。在1998年，美国的Oklahoma State University(OSU)大学就已经在政府的支持下进行了类似的研究并建立了相应的试验系统。而日本的北海道大学[12]也对日本早期的19项路面蓄能融雪除冰试验工程进行了比较分析。并指出该方式是一项很有应用前景的新能源技术。尽管初期投资较大，技术难度较高，但利用的是无限量的自然可再生资源，节能效果显著，并且便于实现自动化。2007年，他们又发表了最新的研究进展报告[13]，结果显示其开始研究将道路的融雪除冰与楼房的空调系统相连接。

总体来说，地热管法虽然有良好的加热效果，且利用的是自然可再生资源，后续成本低。但是对于已建成公路而言，其初期投资和对交通的影响都很大，而且技术难度较高，安装与建造过程繁杂，而且耐久性较差，不易维修。这些环节还是阻碍了它的推广。

2.2.2流体加热法

流体加热法主要是利用地下的热水，热蒸汽或经过加热的自然水源，通过管道运输流过路面来达到融雪除冰的目的。在使用时，水中需要添加防冻剂，避免水在循环过程中结冰。早在1950年，Zcnncwitz,J .A就进行了实验[14]，但因为系统本身与安装价格昂贵、换热管道易渗漏等问题而被迫中止。后来技术得到了改进，被日本福井市应用于路面及人行道的融雪除冰。但由于可能引起地基沉降，加速道路损坏等原因，流体加热法并没有完全推广到道路上。目前多用于停车场、人行道等地段。在我国也有类似的研究，王华军、赵军[15]建设了一套小型室外实验系统，在路面和地下传热、冰雪传热传质、系统运行控制等方面进行了探索。并提出了采用35～40 ℃的地热尾水来实现道路融雪化冰是可行的，且有利于能量梯级利用，提高能源效率。

总体来说，流体加热法理论和实验已经较为成熟，但受制于成本，可能引起地基沉降，以及水会对道路带来一定的副作用等因素仍没有被广泛的使用。

2.2.3电热丝法

电热丝法的原理是将电热膜，电热发热电缆等设备埋置在路面以下，通过把电能转变为热能，用于道路的融雪除冰。该融雪化冰方式对环境没有污染、除冰效果好，易于控制，且初次施工方便。电热丝法技术在北美的应用较多，芬兰、丹麦、挪威、美国等国已经进行了发热电缆制造、安装和应用研究工作，在地板辐射采暖系统、草坪供热系统和屋顶天沟融雪化冰系统中得到了广泛的应用。2006年底哈尔滨文昌大桥作为国内首例路面铺设加热电缆进行融雪的试验段，从丹麦引进了电加热温控融雪技术，在上桥匝道的部分地面铺设电缆线，发热电缆可使道路表面温度升高1～10 ℃，专门用于融化引桥匝道处的积雪。

虽然电热丝法具有融冰效率高，对环境无污染，技术难度相对较低的优点。但是对于已建成的公路来说，电热丝需挖开路面重新安装，且易被行驶的车辆荷载压坏，不易维修。

2.2.4导电沥青混凝土法

导电沥青混凝土法的原理是通过向普通的沥青混凝土中添加一定量的石墨、碳纤维或钢渣等导电相材料，使其成为导体。从而能够对其通电发热来进行路面融雪除冰的一种方法。其关键在于导电沥青混凝土的制备与性能。

导电混凝土技术产生较早。在20世纪30年代，苏联，德国，美国等国就已经开始探索混凝土导电的可能性。到了20世纪70年代，美国，加拿大等国开始研究能否利用导电混凝土解决路面桥面结冰的问题。在1999年，美国Sherif Yehia和Christopher Y.Tuan[16]则通过小尺寸的导电混凝土板试验得出：平均功率为520 W/m2的导电混凝土板可在30 min内使其温度从-1.1 ℃升至15.6 ℃。

在不断的实验中，研究人员发现钢屑和钢纤维等金属导电相材料由于容易受到腐蚀，而影响整个导电混凝土的性能。因此，逐渐减少了金属添加量，而增加了碳质材料的使用。2001年，Sherif Yehia和Christopher Y.Tuan又开发了另外一种导电混凝土，他们用石墨和碳质产品部分地代替了钢屑，使其总的体积分数达到了25%，并加入了体积分数为1.5%的钢纤维。同年，于美国内布拉斯加州的77号公路上的Roca Spur桥上设置了世界上第一座在桥面上铺设导电沥青混凝土融雪的示范工程(图4)。数据显示，通电时路面平均温度比周围空气温度要高10 ℃左右，能成功将冰雪融化。研究人员通过5 a的跟踪记录发现，用导电沥青混凝土法融冰的成本低于同时期的其他方式。

图4　Roca Spur桥上的导电沥青混凝土效果图[17]

而在国内，吴少鹏等从2002年就开始对导电沥青混凝土进行了大量的深入的探索与研究[18]，其主要包括导电沥青混合料的组成设计及其制备[19]，导电机理分析，电学性能以及路用性能等等。与此同时，武汉理工大学的侯作富，李卓球等人也开展了类似的研究，并论证了碳纤维沥青混凝土用于融雪除冰的可行性[20]，以及电极对导电沥青混凝土的极化作用[21]等。

总体来说，导电沥青混凝土法是一种很有潜力的融雪除冰的方法，具有效率高，成本相对较低，对周边环境无污染，不影响交通等优点，并且现在已经能制备出同时满足路用性能和电学性能的产品。但对于已经修建好的道路却很难再进行推广。

3结论与建议

总体来说，冬季路面的积雪结冰对道路行车安全以及交通系统运营效率有很大的影响。必须采取措施尽快的融雪除冰。而传统的方式如人工法和机械法由于其效率低下，对交通影响较大，已经越来越不能满足人们的需求。目前，世界各国均在积极地寻求一种主动化，自动化，对环境无污染，对交通无影响的高效的道路除冰方法。我国在机械法和化学融化法方面与发达国家相差不大，但是在一些基于热熔法原理的绿色、环保型技术方面的研究才刚起步，距离投入实际应用还有一定的距离。

对于目前的产品来说，融雪除冰的原理和方式是多种多样的，但普遍都是针对的尚未建设的道路，大多都需要在道路的修建时期进行作业。而对于已经修建好的道路，这些方法会也会由于施工成本过高而变得难以实施。所以，未来的道路融雪除冰技术研究应多针对已建成的道路，以获得更大的应用范围。

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中图分类号：U 418.3+26

文献标识码：B

文章编号：1008-844X(2016)01-0051-05