除雪抗凝冰技术发展现状及趋势

2022-07-13 02:03王晓丽

交通世界 2022年17期

王晓丽

（麻城市公路管理局，湖北麻城 438300）

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，公路和城市道路建设规模不断加大。截至2019 年底，中国公路总里程达到484.65 万公里，高速公路总里程达到14.26 万公里，居世界第一。但相应的配套设施建设仍然不足，交通安全设施配套不完善，监管制度存在缺陷，设施领域的研究跟不上道路建设的发展。近年来，由于恶劣天气，特别是冬季路面积雪结冰造成的交通事故频发，给交通安全带来了不利影响，影响了交通出行，阻碍了经济发展。发展更科学、高效、绿色的除雪融冰技术，解决道路路面积雪结冰导致路面打滑的问题成为业界研究的重要课题。

1 路面积雪凝冰的危害

我国约60%的高速公路冬季存在积雪结冰现象。路面积雪结冰时，道路附着系数大幅降低，严重影响车辆的行驶安全。据资料显示，干燥沥青路面的附着系数为0.6；凝冰沥青路面的附着系数为0.15，仅为干燥沥青路面附着系数的1/4；积雪沥青路面的附着系数为0.2，仅为干燥沥青路面附着系数的1/3。因此，车辆在凝冰积雪路面上行驶时容易打滑，事故发生率高，严重影响车辆行驶安全和人身安全。因此，有必要采取有效的方法对道路上的积雪凝冰进行清除，降低交通事故的发生率，提高道路的通行效率[1]。

2 除雪抗凝冰技术

2.1 被动除冰雪技术

2.1.1 人工、机械清除冰雪法

人工除冰雪法是利用人工将路面积雪凝冰破碎并转移至其他场所。人工除冰雪法的优点是对冰雪的清除彻底、道路建设阶段无需额外投入，缺点是效率低、成本高、作业时影响交通通行、安全性低。人工除冰雪法一般与机械除冰雪法相结合，适用于弯道、大纵坡等重点道路。

机械除冰雪法是指通过某些机械对路面上的冰雪直接作用，使凝冰积雪从道路表面脱落，直接达到清除冰雪的效果。所用机械主要分为吹雪式机械、扫雪式机械、推雪式机械等。机械除冰雪法的优点是相较于人工除冰雪法速率更快，缺点是：①机械设备作业会影响交通通行；②当气温较低时，由于冰与路面的黏结力较大，除冰机械容易对路面造成磨损，影响路面使用寿命[2]；③除净率低，虽能大致清除路面上的冰雪使路面裸露，但从微观上看，道路凹凸处仍有冰雪堆积，于路面上形成了冰雪层，车轮与路面间的附着力依然很小，行车安全得不到有效保障；④路面的防滑能力无法从根本上提高，除去积雪后，大都需要再在路面撒防滑剂和除冰盐等；⑤机械除冰雪需要大量的物力和人力，需要较长的时间才能恢复正常交通；⑥国内生产的铲雪机功能单一，设备利用率较低，而国外的综合除雪机价格高，维护费用高，经济效益差，适用范围受限。

2.1.2 撒布融雪剂法

融雪剂技术属于传统化学类的除凝冰积雪技术，通过撒布除雪剂降低冰点，达到融雪抗冰的目的。融冰雪剂的撒布方式分为干式撒布和预湿撒布，其融雪机理是融雪剂与路面的凝冰积雪发生化学反应，降低道路表面水的冰点使冰雪融化。不同的是，干式撒布时融冰雪剂需要吸收地上的湿气形成溶液，而预湿撒布则是将融冰雪剂与撒布机里一定比例的水混合形成溶液。

根据主要化学成分不同，融雪剂分为氯盐融雪剂和有机融雪剂。氯盐融雪剂的主要成分是氯化钠或氯化钙。这种融雪剂由于冰点低、除雪效果好、价格低廉等优点，目前是我国公路、城市道路主要采用的融雪剂。随着氯盐融雪剂的广泛应用，其对环境和基础设施的负面影响也逐渐显现。由于氯盐融雪剂的主要成分是氯离子，对植物、土壤、水质都会产生不良影响。氯盐融雪剂融化后渗入土壤，土壤内累积的盐分含量过高，使土壤板结形成片状或块状结构[3]，融雪剂中的氯盐长期滞留在土壤中，将影响植物的正常生长、代谢。随着雪水、雨水的冲刷，原本散布在路面的融雪剂融化后，伴随着水的自然循环进入河流、湖泊、地下水等水域，水质受到污染将发生不可逆的变化。氯融除雪剂还会使道路及其附属设施产生严重破坏，包括物理破坏（如：氯盐的溶解和结晶过程中发生冻胀，会造成沥青、水泥混凝土出现剥蚀、开裂、剥离等病害）和化学破坏（指氯盐与混凝土中的碱骨料发生化学反应，产生复盐，从而降低混凝土的碱性，降低其附着能力，导致石材剥落，产生一系列病害）。此外，氯离子还会破坏钢筋，钢筋在混凝土的碱环境下形成钝化膜，钝化膜被破坏后变得活跃，导致钢筋混凝土出现锈胀、漏筋等病害，强度降低，寿命缩短[4]。

为了减少融雪剂对基础设施和对自然环境的危害，有机融雪剂被研发并投入应用。有机融雪剂的主要成分是酒精类、醋酸盐类等，但是其冰点高、成本高、除雪效果不强等问题仍难以解决。目前，有机融雪剂只用于国内部分机场路面。

2.2 主动清除冰雪技术

2.2.1 高弹抑冻类

高弹抑冻类主动除冰雪技术是通过在铺装道路表层时，将以橡胶粒子为主的高弹性材料嵌入，利用路面结构材料与高弹性材料弹性模量的不同，使路面和轮胎的接触形态发生变化，因此添加的弹性材料具有很强的变形能力，此时路面在行驶荷载的作用下产生自应力，利用路面层的变形差使路面的结冰破碎，加速冰雪融化，从而达到消除路面积雪结冰的目的[5]。

目前，该技术主要采用镶嵌铺装技术，将直径约为2cm的橡胶块均匀撒布至刚摊铺完成的沥青混合料路面表层，压路机将橡胶块压入沥青路面。此技术于20世纪70 年代由瑞典道路研究所研发。研究表明，该技术具有较好的融雪抗冰效果和一定的防滑效果，提高了道路的舒适性，减少了道路噪声。但是，当周边环境温度过低，冰膜、积雪厚度过大时，其除冰雪性能受到很大限制。并且该方法需要在冰膜破裂后与除雪机械设备配合作业。由于橡胶粒子与沥青混合料间结合不紧密，因此在行车荷载或外部因素的作用下容易脱落，影响路面平整度，发展成松散、坑槽等病害[2]。

2.2.2 热力融冰雪类

热力融冰雪技术是利用外部热源加热路面，使路面温度高于0℃，减少路面结冰时间。根据加热源的不同，分为电缆加热、导电混凝土、热管加热等。

热电缆融冰雪技术是指在路面下敷设发热电缆和电热材料，以电力为能源，将电能转换为热能，加热路面，预防道路积雪冻结，快速清除道路上的冰雪[6]。1961 年，这项技术在美国首次应用于道路融雪，获得了良好的效果。2006 年，我国首次引进“电加热温控制融雪技术”，应用于哈尔滨文昌大桥的转弯处。这种方法具有热稳定性好、融雪效率高的优点。但是，由于电热材料自身条件限制，致使其埋置深度较浅，连续温差容易影响路面沥青混合料的稳定性，使其易受车辆荷载的影响，限制了其使用寿命以及后期养护工作的开展。

导电混凝土法是在混凝土中直接添加铁屑、钢纤维、石墨等导电纤维，使混凝土成为稳定的导体，再通电到至路面，使电能稳定转化为热能。导电混凝土具有良好的导电性和电热性，但存在导电纤维材料在混合料中分布不均匀、被腐蚀等技术问题，并且由于混合料中掺入大量的导电纤维导致混凝土强度下降。

热管加热除雪法是利用预先铺设在混凝土内部管道中的流体材料的相位变化，将地下热量传递至路面，融化消除路面冰雪。热管系统由蒸发段、绝热段、冷凝段组成。蒸发段设置于地下深处，冷凝段设置于路面层，绝热段设置于结冰层附近。内置流体材料通常为氨和氟利昂等。管内流体于地下深处的蒸发段中吸热蒸发，上升至冷凝段液化散热后回流到蒸发段，通过这一循环将地下热量输送到路面。热管加热系统无需外置驱动系统就能自动运转，当路面与埋置蒸发段的土壤存在温度差时便开始启动，缺乏可控性。周边环境过低时，其应用效果会受到很大限制。

2.2.3 添加盐化物混合料类

添加盐化物混合料类即蓄盐混合料，蓄盐路面是预先在混合料中添加蓄盐添加剂，使蓄盐混合料具有自发性除雪效果的路面。其除冰雪机理主要通过降低冰点和降低冰与路面间的黏附力从而实现融雪抗凝冰目的。

蓄盐材料大部分是可溶性盐。在雨雪天气初期，路面的降雪未堆积或未凝结成冰时，在汽车荷载与轮胎摩擦作用下融化成水。由于毛细孔作用和盐的吸湿作用，盐的表面被薄膜状的饱和盐溶液包围，形成“盐水”，从而降低道路表层水的冰点，缓解早期道路结冰现象。在雨雪天气后，该层的“盐水”在冻结后期作为上层冰与沥青路面层之间的“第三过渡带”发挥作用。由此，蓄盐路面结冰时的“沥青层-蓄盐冰膜层-表面冰”结构与通常沥青路面冻结时的“沥青层-表面冰”结构不同。由于蓄盐路面各层结构的压缩率不同，因此在外力作用下各层的结构，特别是蓄盐冰膜层的结构的变形比上下结构层的变形大，从而导致各结构层之间的黏附力下降，也有效降低了冰与沥青表面层间的黏附力，达到除冰的效果。蓄盐路面在冬季温度低的情况下适用范围广，冰点可以降低到-15～0°C，且0°C 时冰雪冻结抑制效果显著，能够达到“小雪不堆积，积雪易剥离”的效果。

蓄盐路面的优点主要有：

（1）路用性能良好。与高弹沥青路面、热力融冰雪技术相比，蓄盐材料以外加剂的形式添加到混合料中，未改变混合料的配合比、未改变混合料所处环境温度区间，更好地保持了混合料的路用性能。

（2）施工简便。由于蓄盐材料是以外加剂的形式添加到混合料中，适用于各种混合料且施工中不需要配备专业的施工机械，因此施工流程简单。

（3）长效性好，成本低。与人工、机械清除道路冰雪花费的时间、人力、财力相比，蓄盐路面的除雪抗冰能力可持续性强，除雪抗冰效果可以保持更久，并且为一次性投入，后续不需要持续投入，因此可以为管养单位节省大量的维修管理费用。与撒布融雪剂对沥青路面及环境造成的严重破坏相比，蓄盐材料属于环境友好型材料，对自然环境和道路设施没有损害。