中国道路融冰除雪技术发展现状及未来趋势

第６期　１４２　２０１３年１１月　中国道路融冰除雪技术发展现状及未来趋势　韩志斌　（山西协力公路工程监理有限公司，山西晋中０３０６００）　摘要：文中总结分析目前国内外道路融冰除雪技术的发展现状及趋势，得出人工、机械和融雪　剂除冰雪等传统被动型除冰雪技术是目前普遍的方法，电热、地热、新型路面材料等主动融雪技术　Ｈ　ｇ　尚处于研究和小范围试验阶段。建议根据道路所处地理位置、降雪量、气温及经济条件等因素，在　实时除雪的理念上做到因地制宜、合理运用各种环保及智能融雪防冰技术，以保障中国交通冬季　运输效率及交通安全，改善城市环境，促进城市建设和经济发展。　关键词：公路；融雪除冰；融雪剂；防冻抗滑　．公　路＆　Ａ　中图分类号：Ｕ４１８。４　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—２６６８（２０１３ｌ０６—０１４２－－０４　与　低温寒雪季节，中国许多北方城市的公路与城　市道路经常遭受冰雪的危害，导致路面抗滑性能急　剧下降，容易诱发交通事故，给人们生产生活、交通　运输及安全带来很大影响。２００８年中国南方多个　省市都遭遇了罕见的雪灾及冻雨天气，２０１２年贵州　目前，国内外常用的路面除冰雪技术主要有被动　型和主动型两种（见图１）。其中，被动型除冰雪技术　主要是指采用人工、机械和融雪剂３类方法，而主动　型除雪技术则是在工程建设期预先采用相关技术使　路面具有特殊功能以达到后期融雪除冰的目的。　汽　Ａ　运　ｎ　大范围冻雨使得多条高速公路被迫封闭，造成大量　出行旅客滞留。因此，冬季对于路面积雪结冰的处　．以　１被动除雪技术　（１）人工除雪。人工除雪是采用铁锹、镐头等　除雪工具除雪。该法灵活但劳动强度大，作业时间　（４）边坡安全系数随上部土体密度的增大而减　小，变化较明显；而随软弱下层土体密度的增大而增　∞　理一直都受到高度重视，这也成为一个困扰着中国　公路与城市道路养护部门的难题。　４结论　采用强度折减法计算边坡的安全系数，无需事　大，变化不明显；且随着上部土体和软弱下层土体密　度的增加，滑动面变化不明显。　参考文献：　［１３陈育民，徐鼎平．ＦＬＡＣ／ＦＬＡＣ　基础与　工程实例　［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００９．　先假设滑裂面的形状和位置，能够反映岩土材料应　力、变形等信息。该文采用ＦＬＡＣ∞有限差分软件　实施强度折减来分析边坡稳定性，得到如下结论：　（１）边坡安全系数随上部土体粘聚力和内摩擦　角的增大而增大。随着粘聚力的增大，边坡的滑动　面向软弱土层内深入，边坡滑动转变为深层滑动，滑　［２］严利娥．岩质高边坡稳定性评价研究：百色田林洞巴水　电站左岸边坡稳定性评价研［Ｄ］．南宁：广西大学，２００６．　动面越来越缓，并且内摩擦角增大使滑动面呈现增　大的趋势。　［３］　陈祥军，汤劲松．用ＦＬＡＣ　进行马崖高边坡稳定性分　析［Ｊ］．石家庄铁道学院学报，２００２，１５（３）．　［４］寇晓东，周维垣，杨若琼．ＦＬＡＣ。。进行三峡船闸高边　坡稳定分析ｌ－Ｊ３．岩石力学与工程学报，２００１，２０（１）．　［５２　张雪东，陈剑平，黄润秋，等．呷爬滑坡稳定性的　（２）边坡安全系数也随软弱下层土体粘聚力和　内摩擦角的增大而增大。随着粘聚力和内摩擦角的　增大，滑动面因下层土体的抗剪能力增强只在上部　土体中形成，边坡滑动转变为浅层滑动，滑动面越来　ＦＬＡＣ。。数值模拟分析［Ｊ］．岩土力学，２００３，２４（增１）．　［６３孙书为，林杭，任连伟．ＦＬＡＣ。。在岩土工程中的应用　［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２０１１．　越陡，滑体的体积越来越小。　（３）上部土体和软弱下层土体弹性模量和泊松　比的改变对安全系数的影响均可以忽略不计，且滑　动面的位置大小均没有明显变化。　收稿日期：２０１３－－０５－－２３　公　路　与　汽　运　总第１５９期　Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　１４３　人工除雪　大，使用与维护费用高，并不适合中国国情。　（３）融雪剂除雪。融雪剂的除雪原理就是通过　被动型　路　面　机械除雪　融雪剂除雪　弹性路面融雪技术　能量转化型融冰雪技术　降低冰点来加速积雪的融化，优点是工艺简单且工　融　冰　雪　作量较小，因此是国内外广泛采用的除雪方法。１）　盐类融雪剂。目前融雪剂都是以盐类为主，一种是　以ＣＨ。ＣＯＯＫ为主要成分的有机融雪剂，但其成本　较高（１万～２万元／ｔ），一般只用于机场等重要场　所；另一种是以ＮａＣ１、ＣａＣ１。等氯盐类为主要成分　的无机融雪剂，其价格便宜（１　０００～１　３００元／ｔ）。　技　术　主动型　化学类冻结抑制技术　耐磨抗滑技术　融冰雪路面涂层技术　目前中国道路除雪主要采用的是无机融雪剂，但长　期大量使用氯盐类融雪剂会污染环境，使土壤盐碱　图１路面常用融冰雪技术　化，腐蚀路面和桥梁中的钢筋，对于道路的耐久性产　长，工作效率低，耗费大量人力物力，又影响车辆通　生不可逆的破坏。２）环保型融雪剂。环保型融雪　行和行车安全，具有很大的滞后性。　剂中不含氯化钠，且ｐＨ值适中，重金属含量极低，　（２）机械除雪。机械除雪法是利用机械设备将　与盐类融雪剂相比，融雪速度更快，使用剂量更小，　路面的积雪或冰与路面分离并移出路面，按照工作　融雪时间长，工作温度低（一４０℃），价格更加合理　机理和除雪方式可分为刷扫式、吹扫式、抛扬式、犁　（３　０００～４　０００元／ｔ），对道路设施的腐蚀率降低至　板刮铲式和热熔式等。目前，中国除雪机械燃油　少５Ｏ　９，６，降低了对道路及环境的影响和破坏。常用　消耗较大，除净率低，使用效果不理想，且设备投入　融雪剂性能对比见表１。　表１常用融霄剂性能对比　近两年国内已开发出以玉米秸秆为原料，经生　２．１弹性路面融雪技术　物化工技术加工而成的植物基非氯环保融雪剂，其　弹性路面融雪技术主要是通过在路面铺装材料　主要由多元有机酸盐和多元醇组成，已在北京、哈尔　内添加一定量的弹性颗粒材料（如由废旧轮胎加工　滨、吉林等地的市政道路使用，但其使用成本较高，　而成的橡胶颗粒），利用弹性材料的局部变形能力较　即便称之为“环保型”融雪剂也多少会对路面和环境　强的特性，通过路面在行车荷载作用下产生的自应　造成一定的影响和破坏。　力，使路面冰雪破碎融化，有效抑制路面积雪和结　２新型路面主动除雪技术　冰。旧轮胎橡胶颗粒干法改性沥青砼就是采用粒径　大于１　ｍｍ的橡胶颗粒作为一部分细集料，与集料　人工除雪费时费力，机械除雪费用高、效率低，　干拌，喷入沥青拌和成橡胶颗粒的改性沥青混合料，　而使用融雪剂又会污染环境。为此人们针对路面融　混合料级配采用骨架密实结构，不仅可有效提高路　冰雪问题作了大量研究，探索出许多抑制、消除和控　面的除冰雪能力，同时可为废旧轮胎的回收利用提　制冰雪的主动除雪技术。　供一个新途径。但如果路面冰雪达到一定厚度，该　公　路　与　汽　运　Ｈｉｇｈｗａｙｓ　８Ｌ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　第６期　１４４　技术效果不显著，其只适合长期结冰的低速道路。　２．２能量转化型融冰雪技术　能量转化型融冰雪技术主要是在路面铺装材料　中预先埋设管道和相关恒温器以及控制系统，通过　能量转化设备，将其他形式的能量（地热能、太阳能　等可再生能源以及电能等热源）转化为热能，热能通　过路面材料与冰雪的接触面向上传导，达到融雪化　冰以及防止结冰的目的。　（１）土壤源热泵法与电热丝法。土壤源热泵融　冰雪技术是在路（桥）面内埋置热管，利用土壤源热　泵，经地下换热器从地下提取　土壤中的低位热能，　经热泵提升后，通过水泵把温度较高的流体输送到　路面内的排管里面。高温热流体在排管内流动时，　把热量通过对流换热方式传人路面。路面的温度达　到０℃以上时，其表面上的冰雪就会融化。但其缺　点是安装加热管道比较复杂，而且地热法的应用受　到地热源限制。电热丝法即在路面材料中加入电热　丝用于加热，此方法加热效果很好。　（２）太阳能蓄能道路除雪融冰。太阳能融雪系　统一般由集热装置、蓄热体和融雪装置三部分组成，　其中集热装置用于收集阳光的热量并将其输送到蓄　热体中，热量在蓄热体中积聚和保存。该技术具有　较高的环保效能，但太阳能融雪系统对于降雪时间　长、日照时间短的地区使用效果不佳，且太阳能蓄热　系统的建设成本比较高。　（３）导电砼技术。导电砼是在路面铺装材料中　掺入一定含量的聚合物类、碳类或金属类导电掺合　料，目前最常用的是碳类和金属类（如碳粉、石墨粉、　碳纤维、钢纤维、钢屑等），国内外研究较多的主要是　碳纤维砼。使高绝缘性的路面铺装材料具备热和电　的感知和转换能力，将电能转变为热能，热能通过铺　面材料与冰雪的接触面向上传导，冰雪吸收热量后　温度逐渐升高，实现除冰融雪，但该方法耗能较大。　（４）微波加热技术。所谓“微波”是指波长范围　为１　ｍ～ｌ　ｍｍ、频率范围为１０８　１　０１１　Ｈｚ的电磁　波。微波加热技术是采用微波加热车，依靠冰雪不　易吸收微波，而路面材料能够大量吸收微波，因此微　波能够透过冰层加热路面，随着路面温度的升高而　使与路面接触的冰层融化并形成水膜，最终在行车　荷载外力的作用下将冰层脱离，达到除冰雪的目的。　但其仅适用于范围较小的重要路段区域如机场跑道　的除冰雪作业。　（５）发热电缆技术。发热电缆加热技术是以电　２０１３年１１月　力为能源、发热电缆为发热体，将电能转化为热能，　在路面结构内将铅笔粗细的发热电缆“弓”字形结扎　在直径８～１０　ｍｍ的钢筋网上，每个结扎点距离１５　ｃｍ，在额定电压下，发热电缆每米的功率是２５～３５　ｗ，系统可通过人工或者自动控制电路的接通，通过　路面结构层内的发热电缆将热量传到路表，从而起　到融雪化冰的作用。与其他４种能量转化型融冰雪　技术相比，该技术具有运行费用低、无污染、热稳定　性好、控制方便等优势，能源供应充沛，尤其是对于　中国冰雪期较长的北方地区，具有很大的适用性。　２．３化学类冻结抑制技术　化学类冻结抑制路面通过在沥青混合料中掺入　具有抑制冻结效果的颗粒或者粉末状盐分所形成，　该技术能够降低冰点，在较低的温度条件下起到融　化路表面积雪效果。在雪水的作用下，渗进路面孔　隙的水将盐分析出来，起到降低冰点的作用。目前　日本的盐化物融雪类型主要有：　（１）将盐用水泥固化成颗粒，呈圆球状，具有一　定的粒径，用它来代替沥青混合料里面一部分集料，　一般添加量约８　。　（２）盐化物以颗粒形状、表面裹油后置换混合　料中的细集料，添加量约５　９／６，代表产品为Ｖ一２６０。　（３）盐化物以粉体形式置换混合料中的矿粉，　添加量为６　～８　，代表产品有日本的“Ｍａｆｉｌｏｎ”　以及瑞士的“Ｖｅｒｇｌｉｍｉｔ”。　２．４耐磨抗滑技术　提高路面的抗滑能力，必须使路面的抗滑表层　有粗糙的表面，即较大的宏观粗糙度及微观粗糙度，　为此需要铺装摩擦系数高的路面材料。　（１）ＳＭＡ沥青路面磨耗层。ＳＭＡ是一种热拌　热铺的间断级配骨架型密实沥青混合料。ＳＭＡ采　用坚硬、粗糙、耐磨的优质石料，粗集料含量高（７０％　以上），且矿料采用间断级配，通过碎石间的直接接　触和相互嵌锁来增强路面的强度与稳定性，路面压　实后表面形成大的孔隙，构造深度大，一般超过１　ｍｍ，这两方面特点可大幅提高路面抗滑性能。　（２）露石砼技术。露石砼技术（ＥＡＣＣＰ）是在　水泥砼路面铺筑完成后，在路表面喷洒一层露石剂，　目的是使表面２～３　ｍｍ厚的水泥砂浆的凝结硬化　速度延缓，延缓不影响主体砼的凝结硬化。当主体　砼达到一定强度后，用水或者机械、扫帚等清扫路　面，把表面除浆，露出均匀分布的２～３　ｍｍ粗集料，　由此形成露石水泥砼路面。这种路面具有优越的抗　公　路　与　汽　运　总第１５９期　Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　１４５　滑性能、优良的降噪性能、优良的散光和防眩性能、　一定的破冰作用，从而使路面在雪天能够结冰晚、结　冰后融雪快，大大提高冬季路面抗滑性能，使得冬季　行车安全性得到改善。　２．５融冰雪路面涂层技术　融冰雪路面涂层技术是在可能发生冰冻的路段　涂上一层特殊的温控智能型抗凝冰涂料。在低温雨　雪天气条件下，涂层能融化路面积雪，并使路表面无　法结冰。与其他技术相比，该技术的优势在于：首先　避免了传统抗凝冰砼只能在新建或大修时才能使　用，以及因抗凝冰材料腐蚀而使混合料过早脱落的　缺点；其次不破坏原有路面的结构，而且可使用成熟　的道路雾封层铺洒设备进行涂装，对施工设备的要　求低，施工简单快捷、成本低，施工质量可控，能够在　不同低温（Ｏ～一４Ｏ℃）条件下发挥融雪作用，一年　内持续融雪除冰，具有灵活性、可操作性和耐久性。　３发展趋势及应用展望　（１）建立“寒时除雪”理念。由于传统的除雪理　念是雪停后才开始除雪，从工程学的角度看，积雪被　压实的过程需要消耗大量能量，雪被行车压实后再　把它从地面清除掉就要加倍消耗更大能量和更多时　间。除雪工作首先是一种理念的转变，而机械化“实　时除雪”才是比较科学合理的除雪方式。除雪机械　在降雪过程中实施除雪，在不中断交通的情况下及　时地完成除雪工作，是未来城市、机场、高速公路等　道路除雪的发展方向。　（２）实行“因地制宜”原则。根据降雪情况和　“因地制宜”的原则，分别采取小雪防滑、中雪及时　扫、大雪机械清、暴雪局部适量撒环保型融雪剂的方　式来进行。尤其是融雪剂，应尽量少用或者不用，只　在强降雪及低温天气时，在市区主干道、高速公路陡　坡路段适量撒施环保型融雪剂，尽量减少对基础设　施和生态环境造成的损害。此外，应规范融雪剂的　配备策略、使用技术、使用范围和市场，禁止使用工　业盐和劣质融雪剂，严禁将已混合融雪剂的积雪推　到人行道或绿化带内，并提出相应的防“盐害”措施；　同时注重引进与研发低价、环保型融雪剂。　（３）多种技术综合运用。由于不同的除冰雪技　术特点和适应的情况不尽相同，应依据道路所处地　理位置、降雪量、气温及经济条件等合理发展与应用　除雪技术。人工除雪低效落后，融雪剂除雪会损坏　道路、桥梁、车辆、污染城市环境等。中国道路融冰　雪技术的发展多式多样，尽管目前应用更多的还是　采用传统型的融冰雪方法。目前新技术和方法都有　其局限性，各地区应按照“因地制宜”的原则合理地　去选择、发展和推广。　借鉴国外在化学除雪、机械除雪、物理除雪、除　雪优化决策等方面的先进技术与经验，根据中国的　实际情况加以应用。例如在道路建设过程中，可考　虑在特殊路段（桥梁、隧道进出口、弯道和坡道路段）　应用物理除雪技术。以经济、高效为原则，多元化、　多模式、科学地研究与应用除雪技术、设备和管理方　法，加强现有道路清除冰雪设备研究成果的优化组　合，同时注重研究新型优质、高效、低成本的道路清　除冰雪技术。　中国在除冰雪技术与设备、管理方法等方面存　在着很多尚待解决的问题，为了满足中国道路除冰　雪的需求，冬季除冰雪应在实时除雪的理念上做到　“因地制宜”、综合运用多种技术，这样才有利于保障　中国冬季交通的运输效率及交通安全，改善城市环　境，促进城市建设和经济发展。　参考文献：　［１］骆虹，罗立斌，张晶．融雪剂对环境的影响及对策口］．　中国环境监测，２００４，２０（１）．　［２］　田晋跃．国外道路除雪机械技术发展概况［Ｊ］．专用汽　车，２００１（４）．　［３］　Ｓｈｅｆｉｆ　Ｙｅｈｉａ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ，Ｙ　Ｔｕａｎ．Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｏｖｅｒｌａｙ　ｆｏｒ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋ　ｄｅｉｃｉｎｇ［Ｊ－］．ＡＣＩ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｊｏｕｒ—　ｈａｌ，２０００，９７（２）．　［４］洪乃丰．氯盐类融雪剂的腐蚀危害与试验方法的讨论　［Ｊ］．工业建筑，２００６（１０）．　［５］张洪伟，韩森，刘洪辉．沥青路面除冰雪技术综述［Ｊ］．　黑龙江交通科技，２００８（３）．　［６］李炎锋，武海琴，王贯明，等．发热电缆用于路面融雪化　冰的实验研究［Ｊ］．北京工业大学学报，２００６，３２（３）．　［７］高一平．利用太阳能的路面融雪系统口］．国外公路，　１９９７，１７（４）．　［８］唐相伟，焦生杰，高子渝，等．微波除冰应用及分析［Ｊ］．　筑路机械与施工机械化，２００８，２５（７）．　［９］吴少鹏，磨炼同，水中和，等．导电沥青混凝土的制备研　究［Ｊ］．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，２００２，　２６（５）．　．　［１Ｏ］高青，于鸣，刘小兵．基于蓄能的道路热融雪化冰技术　及其分析［Ｊ］．公路，２００７（５）．　收稿日期：２０１３－－０６—１６