道路化冰研究报告

1、路面积雪结冰给交通和行车安全造成严重威胁。欧美、日本等国在道路融冰化雪技术研究及应用方面做了大量的工作，我国在这方面的研究非常薄弱。总结分析了国内外道路融冰雪技术的现状及发展方向，可以看出：使用融雪剂和机械除冰雪是普遍的方法，但存在环境污染和不能及时清除的弊端。地热、电热、改进路面材料等主动方法不普遍，处于研究和小范围试验使用阶段。在当前技术条件下，我国应对冰雪灾害天气的对策：1）交通管理部门应提前制定融雪化冰计划，加强重点路段、桥段的冬季养护；2）发展健全道路冰雪灾害气象预警系统；3）开展环保、智能融雪防冰技术研究。通过科学应对，可以减少我国北方寒区及南方冻雨区的交通拥堵和交通事故。关键词：

2、路面；结冰；融雪技术；冻雨中图分类号：U418文献标识码：A文章编号: 1000-0240 (2011) 04-0933-080引言道路冰雪灾害给全球多个国家每年带来重大损失。我国北方寒区及南方冻雨区每年道路积雪结冰现象严重，造成了严重的交通拥堵和诱发了一系列交通事故。据不完全统计，2010-2011年的冬季，仅贵州、四川、湖南三省因桥面结冰而引发的恶性交通事故就达8起；2005年交通部的统计数据表明，有冰雪月份的交通事故最多，其他月份相对较少1。道桥积雪结冰还往往伴随着巨大的经济损失，这方面的报道更是屡见纸端。1996年1月，美国东北部由于暴风雪交通中断4d，直接经济损失达100108美元。

3、2005年11月，德国西北部连续降雪，导致2000多起交通事故，直接经济损失达1108欧元。2005年12月，山东威海、烟台等地遭遇一次持续15d特大暴风雪，直接经济损失达3.7108元2。2008年南方冻雨的直接经济损失达62108元。正因为道路积雪结冰的危害严重，世界各国都展开了大量的融冰化雪技术研究。总的来说融冰除雪方法可分为：清除法和融化法两大类，其中清除法分为人工清除法（人工机械，人工撒盐、沙子）和机械清除法（除雪机械），融化法分为化学融化法（融雪剂，降低冰点的路面材料）和热融化法（地热、太阳能、电热、导电混凝土、红外线等）。经过近60a的研究，这些技术取得了不错效果，但也存在诸如环

4、境污染、成本过高、使用条件限制等问题。环保、高效的融冰除雪技术还在不断的探索中。我国目前使用的方法仅限在使用融雪剂和机械这两个方面，且很多地方也是机械设备配备不足，撒融雪剂也是靠人工进行，冬季养护缺乏系统规划，道路冰雪预报严重不足，这对冬季保障交通是不利的。在热力融雪化冰方面，我国的研究还处于起步阶段，实际应用更是未见报道。我们对最新的研究成果进行总结分析，以期为我国道路冰冻灾害防治提供借鉴。1融雪剂使用状况及发展趋势使用融雪剂是目前各国使用最广的一种融雪化冰方法。融雪剂主要分为氯盐型、非氯盐型和混合型三大类，基本原理是融雪剂可以降低溶剂（雪水）的蒸汽压，从而使整个溶液的凝固点（冰点）降低。国

5、外于20世纪30年代开始使用融雪剂，主要集中氯盐，氯化钠用量最多。目前，美国有5种通用融雪剂，其中3种是氯盐（氯化钠、氯化钙、氯化钾），另两种为非氯盐型（乙酸镁钙和尿素），但后者由于效率低、用量大、费用高，未能得到广泛应用。日本于20世纪60年代开始使用氯化钠，1995年开始使用氯化钙2-3。我国撒盐融雪有近30a历史，最初采用氯化钠，到2000年以后才逐渐采用氯化钙、氯化钾、氯化镁等融雪剂，而且使用量呈现明显增长趋势。以北京市为例，自2002年以来，每年平均融雪剂用量为800010000t，2010年更是达到3.5104t；但在2011年北京市大大减少了融雪剂的使用，投入3.9108元购置了

6、大量清雪除冰机械，机械化除雪作业率达90%4。沈阳等地也开始逐渐降低融雪剂的使用。这是适应环保要求的良性改变，在有条件的城市应该提高除冰除雪的机械化程度。融雪剂是双刃剑，除雪融冰的同时给环境、建筑物、植被等产生了不利影响。氯盐融雪剂对路面结构（钢筋、混凝土、沥青等）具有强烈的腐蚀性，通常在1015a之内就会严重破坏桥梁结构，是目前威胁道桥安全的主因之一。每使用1t融雪剂，就会造成615美元道桥腐蚀损失、113美元车辆腐蚀损失和75美元植物腐蚀损失5。鉴于氯盐融雪剂的诸多负面作用，世界各国制定了相应的技术规范与约束制度。研发型环保型融雪剂是解决这一问题的发展方向。新型环保型融雪剂是添加非氯化物缓

7、释剂来达到融雪除冰的目的。郭金禹等6确定了磷酸二氢锌-钨酸钠-硫脲-十二烷基苯磺酸钠作为优化的缓蚀剂组方，添加缓蚀剂以后的氯化钙融雪剂融冰速率无明显变化，对碳钢、混凝土的腐蚀性大幅降低，是高效缓蚀型融冰雪产品。融雪剂的开发经历了单一的食盐型、氯化钙型到现今的非氯化物型、复合防腐蚀型，其特点是从单一成分改进为多组分的复合融雪剂；改变传统的无机融雪剂，开发有机融雪剂；在资源上采用制酯、糖工业废水，纸浆工业废液及城市垃圾等7。徐英梅等8选择可生物降解的、低成本的醋酸废液（木醋液）为原料，研究了制备低成本的CMA类融雪剂的工艺方法，所得产品为低碳混合羧酸钙镁盐，通过对融雪剂的一系列性能试验表明，其融雪

8、温度低，融雪效率高，对金属、花草等基本无腐蚀和损害，各方面的性能均优于氯化钠等氯盐融雪剂。林永波等9研究开发显色环保型融雪剂，添加了缓蚀剂和对植物生长有益的植物钙剂，能够减少对金属、路面、植物等的腐蚀，并根据融雪剂颜色的变化，控制融雪剂用量。2机械法使用状况及发展趋势机械法是通过机械对冰雪的直接作用而解除冰雪危害的一种方法，这是人类传统的除雪方法，也是迄今为止应用最为广泛的。研制性能优越的除雪机械成为世界上冬季降雪国家的一个重要课题。除雪机的种类很多，可按工作原理、使用范围、底盘形式和行走方式的不同进行分类10：按工作原理分类根据除雪机械工作原理的不同可以把除雪机分为推移式、螺旋转子式（抛投式

9、）、滚压式、铲剁式、锤击式5种；其中推移式又可分为铲刀（刮刀）式、前置侧铲式、V型除雪犁、除雪卡车等；螺旋转子式又可分为铣刀转子式和叶轮转子式两种。按用途分类按照除雪机械的用途可把除雪机分为泛用除雪机、人行道除雪机、铁道除雪机和高速公路除雪机4种。按底盘分类根据除雪机械的底盘不同可以把除雪机分为专用底盘和兼用底盘两种。按行走机构分类根据除雪机械的底盘差异可以把除雪机分为轮胎式和履带式两种。在实际工作中，人们习惯上将除雪机主要分为犁式除雪机和旋切式除雪机。目前，从除雪的作业过程来看，除雪机理、技术方法已趋于成熟，但在具体工作过程中，往往受到路面状况、雪层薄厚、气温高低等条件的限制，使用一种机械难

10、以清除不同路面的冰雪，从而使除雪机的应用存在许多局限性。国外发达国家除雪机的品种规格较为齐全。近年来，由于社会对冬季道路养护提出了更高要求，各类除雪机的保有量在发达国家迅速增长，在性能方面朝着自动化和一机多能方面发展。一些大型专用除雪机也开始使用，德国SCHMIDT公司TS4抛投式除雪机可以1h处理6000t雪。发展趋势有以下几方面11：1）开发高性能专用底盘，普遍采用液力矩器、动力换档装置和全自动电液控制系统。可在除雪作业时实现自动变速档功能，使作业速度自动适应除雪作业负荷变化，不仅减轻了司机的负担，还能保证高速除雪的要求；2）开发多功能除雪车。如在除雪车上搭载滑雪装置、高雪堤除理装置、药剂

11、撒面装置等多种作业装置，以提高作业效率和减少更换除雪装置的时间；3）由于从城市向郊外运雪费用较大，国外在开发高效率装雪机械的同时，还将研制用气体进行一次除雪的装置；4）重视除雪机械的工作对象雪的研究。对雪的物理性质进行较深入的研究，为设计上充分利用理论进行指导，摆脱目前主要靠实验校核机械性能的做法；5）提高机械的效率及安全性、操纵性和舒适性是近年来日本生产除雪机械的显著技术动向。中国除雪机械的研制起步较晚，真正的研制与开发是从1980年代以后，随着改革开放的不断深入，道路的不断升级与新建，各种机动车辆猛增而开始的，先后有十几种型号的样机被生产出来，在除雪作业中发挥了一定的作用。关明慧等12对利

12、用微波加热原理清除道路结冰进行探索研究，并设计出了专门用于清除道路积冰的微波除冰机原理图。刘长生13针对南方冻雨凝冻结冰的特点，对振动除冰滚筒、除冰羊角、振动液压系统以及振动轴和偏心块式振动机构进行了比较详细的理论分析设计计算。2010年胡雅灵10研制出了一种多功能除雪铲，该技术是为满足高寒地区道路冬季除雪的需要而设计的。它适宜安装在多种车型的前端，除雪铲可以上、下、左、右自如摆动，梳状铲式破冰器能自动收回或放下。它适应各种除雪的场合，能够彻底快速清除路面的积雪与冰层。科技的不断发展为除雪机械的发展提供了技术条件。机、电、液一体化高新科技成果不断地被应用到除雪机械上，电脑和高灵敏传感器等现代高

13、新技术在养护机械的各种装置和机具的操纵、计量、控制报警、排障和作业智能化等方面得到了推广应用14。这些高新技术的应用将使除雪机更加可靠、多能和高度自动化。多功能化、自动化和安全舒适化是今后除雪机械的发展方向。3热力融雪化冰技术现状及发展趋势热力融雪化冰技术是一种主动预防和清除道路积雪结冰的方法，其原理是利用外界提供的热能对路面进行加热，使路面温度高于0，从而防治道路积雪结冰。根据热能的性质不同可以分为地热、电能、红外线、太阳能等融雪化冰技术。3.1地热加热系统地热的形式可以是浅层土壤内的热能，或者是地下热水、蒸气。土壤蓄积的热能通过热管传送到地面，地下热水或蒸气通过循环管路输送到地面对地面进行

14、加热。利用地热融雪除冰技术在欧洲、美国、日本、阿根廷、加拿大相对比较普遍，目前在我国还未见有使用的报道。3.1.1热管技术利用地热的热管技术原理是利用浅层地热能对热管进行加热，由热管内的工质将热量送往路面，使其表面温度高于0，从而达到融雪化冰的目的（图1）。这种技术最早于1969年在美国新泽西的Trenton道路上进行试验15，管道埋于路面下5cm，垂直管道间距60cm。在冬季，2m左右深度的地温为8.813.8；暴风雪天气管道内循环不冻液温度为4.411.1。在空气温度为-6.71.7时，融雪速率为0.61.25cmh-1。后来这一试验结果被用于另外的试验项目，这次试验的内容是考察垂直或者重

15、力热棒的效率，其工作介质由原来的乙烯乙二醇混合物换为氟利昂和氨。11比例的试验在西弗吉尼亚橡树山一个公路坡道和国怀俄明州夏延附近的两个坡道上进行16，这两个坡道坡度达7%，试验共计使用了177根热棒用于加热984m2的路面。每根热管有30m长的蒸发段和多支管冷凝段（共计36m），试验路段的地温为12.2，系统运行效果理想。两个设计更加细致的热管融化路面积雪地试验工程分别在1976年和1980年在拉腊的Sybille峡谷和春溪桥实施了，并进行了长期观测。类似的热管系统在日本和科罗拉多Glenwood Springs进行了测试，科罗拉多Glen-wood Springs的系统加热采用水井替代了地源

16、15。图1利用地下热能的热管加热路面示意图3.1.2地热流体加热技术地热流体加热技术将地下热水和地热蒸气用管道输送到路面或者直接将热水流过路表面进行加热融雪化冰。日本福井市曾将地下热水直接喷撒在路面上用于滑雪除冰，地下水初始温度约15，在经过埋设在人行到下的换热管道时温度降低到了7.2。在融化了人行道上的积雪后，热水喷洒到临近的路面上。这种方法容易引起路基沉降，流水需要进行收集，使用的环境温度不能过低，否则流水结冰会引起更严重的问题。因此在1990年后，日本开始采用其他热能加热方式进行路面融雪除冰。2005年前整个日本安装管道地热融雪系统数量已经超过了25套，这些系统大都安装在停车场、公路坡道

17、和人行道上。札幌早在1966开始利用地下水加热道路，该系统最早使用钢管，于1973年更换为聚丁烯塑料管，地下热水进入管道的温度达7681。位于Ninohe市的Gaia道路融雪系统采用3根外径89mm、长度150.2m的同轴套管换热器，热泵机组由一台15kW电机和两台0.75kW循环泵驱动。加热管道采用16mm内径聚丁烯管，埋设于沥青混凝土下10cm位置，间隔20cm，整个系统的热功率为50kW。系统已经成功运行了多年，比电缆加热方式相比节能超过20%2。美国是最早使用地下热水加热路面的国家，在1948年俄勒冈州克拉马斯安装了地热融雪系统。该系统最早期使用铁管，水泥路面长度约137m。融雪管道采

18、用直径1.8cm的铁管，埋深7.5cm，管道间距45cm，防冻剂采用40%乙二醇水溶液，循环流量约300ts-1。系统热源来自附近的地热井，供水温度约为37.754.4，在循环终端降低为-1.11.7。由于管网腐蚀渗漏，该系统运行了近50a后于1997年停止服务；1998年进行改造，将原混凝土路面和桥板拆除，加入碎石基层。融雪管道换用1.8cm聚乙烯管，与路面加筋钢筋并行，以得到保护。整个改造成本为43104美元，预计年维护费用为500美元，年运行成本为3000美元15。2003年俄勒冈州交通运输部投资130万美元，改建克拉马斯福尔斯市的Eberlien街桥和Wall街桥，其中Wall街桥由于

19、坡度13.25%，采用了地热能融雪系统，整个系统管路建设与机械装置成本分别为17104和3.6104美元。该系统的总融雪面积960m2，其中桥面与人行道面积为346m2，设计融雪热负荷为189Wm-2。热源由附近的换热站提供，换热装置为316型不锈钢板式换热器，热功率174kW，工作压力1.03MPa。此外，俄勒冈市技术学院也在其综合主楼前的梯型道路上安装了一套融雪系2。在阿根廷Copahue-Caviahue地热区，地热蒸气被用于加热城市道路和一条通往Villa Copahue滑雪场的道路17。地热蒸气来源于深达1400m的地热井，蒸气通过2.6km的管道运送到城市路面下。该区冬季气温最低约

20、为-12，风速可达160kmh-1，平均降雪厚度为32.5cm。利用地热蒸气加热冬季路面温度可持续在12.21611。波兰在1998年建成了一个利用地下热水的机场道路融雪系统，平均温度为68，流量为50150m3h-1。考虑到温带海洋性气候的影响，系统设计参数如下：相对湿度80%，平均降雪2mmh-1，平均风速3.4ms-1。系统最大热负荷为200Wm-2，进出水温度分别为55和25。当系统处于待融状态时，热负荷维持为100Wm-2，进出水温度分别为30和5。系统流量恒定为5.7Lm-2h-1。融雪管道采用DN20HDPE管，间距250mm，埋深80100mm，防冻剂采用乙二醇溶液。冰岛是一个

21、地热资源十分丰富，截至2000年冰岛地热能道路融雪系统的安装面积已经超过3.5106m2。地热水的利用比例约占33%。3.2非地热加热系统非地热加热系统是指管道循环系统的热量来自地热以外的热能，如：城市供水余热，生活废水、燃气加热等。弗吉尼亚交通部在阿默斯特县建立了一座非地热热源系统的桥梁，该桥用燃烧丙烷为热源，加热丙稀乙二醇与水的混和抗冻循环系统，由此循环系统将热量送往热棒底部的蒸发端，再由热棒里的工质将热量送往桥面（图2）。早期的工质为氟利昂，热效率较低，在1999年的时候更换为氨。整个桥长约35m，宽约13m，使用了约3.2km长的钢管，和241根热桩。整个加热系统造价为18.15104

22、美元，占总造价的27.3%。冰冻利用城市居民生活废水来加热城市道路。Rauber18报道瑞士在8号公路的一座桥梁进行了太阳能融雪试验项目，该项目的目的是收集夏天桥面因太阳辐射产生的热量并将之储存起来，冬季利用储存的能量加热桥面防止结冰。整个系统由埋设在1300m2桥面下的热交换管道、地下蓄热池、水力循环系统组成，包括前期研究费用在内的总造价约为300104美元，这一技术目前还不够成熟。王庆艳19对太阳能-土壤蓄热融雪系统融雪机理进行了分析，得出了融雪过程中温度场和相界面移动规律；刘益青等20对太阳能-土壤蓄热技术用于公路融冰的经济及环境效益进行了分析，建议推广使用此技术；王华军等21进行了阳能

23、-地热道路融雪系统路面传热特性的数值研究，初步建立了道路融雪系统的路面传热模型，并基于典型年逐时气象数据与复合边界条件，进行了稳态传热数值模拟，分析了不同埋管深度和加热温度对道路融雪性能的影响，得到了最大和待融热负荷与降雪量、环境温度、相对湿度以及风速等因素之间的关系。图2非地热加热桥示意图使用这种技术的问题在于保证各个部位的密封和管道的防腐保护。另外成本比较高，主要体现在管道埋设过程的挖掘钻探中。3.3电加热系统利用电能通过电缆或者导电路面材料加热路面。北欧在电缆加热道路融雪方面技术相对比较成熟，已经出现了一些从事专业设计安装和售后服务的公司。美国是最早将电缆加热技术用于桥梁融雪化冰的国家，

24、美国ASHRAE的设计手册也对电缆加热融雪系统设计、电缆布置、线路连接、安装测试等问题进行规范性描述，具有一定的指导意义22。这一技术在我国还处于探索阶段，唐祖全等23-25对导电混凝土融雪化冰机理、热功率以及有限元分析等问题进行了研究；李丹等26对钢纤维石墨导电混凝土的融雪性能进行了研究，得到了温度和功率消耗等实验结果；侯作富等27-32对碳纤维导电混凝土进行了大量研究，为其应用打下了坚实基础。武海琴33开展了把发热电缆用于路面融雪化冰的技术研究，认为发热电缆融雪化冰系统的设计功率主要受结构层的材料物性、气象条件、铺装方案等影响。在其他融雪方式中，陈光等34对红外线融雪除冰系统进行了数值模拟

25、；关明慧等12研究了微波加热技术并设计了附加微波加热的除雪机械图。另外，还有一种通过改变路面材料凝固点的方法。该方法主要是将防冻结材料混入到沥青混凝土中，使其形成的路面具有一定程度的融化降雪、防止路面水膜结冰的作用。防冻结沥青混凝土能提高冬季寒冷地区道路路面的摩擦系数，是一种具路面自身抑制功能的方式。实现这一目标有两种途径35：1）化学法。在路面铺装材料中掺加抗冻消融化学材料，通过毛细作用化学材料缓释溶出，达到路面冰点下降和冻结体破坏的目的。从而在一定程度上降低路面水的结冰率。由于融雪化学材料混入的是整个铺装体，即使表面层被不断消耗，体内的化学材料也会不断出现，能保持冻结抑制效果的持续性。良好

26、的材料能达到6a以上的抑制冻滑期；2）物理法。主要是通过在路面铺装材料内添加一定量的弹性材料，改变路面与轮胎的接触状态和路面的变形特性。利用添加的弹性材料变化能力较强的特性，通过路面在外荷载作用下产生的自应力，使路面冰雪破碎融化，从而有效抑制路面积雪的结冰，这种方法主要是通过面层变形达到防冻结目的。缺点是在降雪量大的时候效果不理想。4路面结构温度研究现状及发展动态热力融雪研究主要集中在路面结构温度场和热负荷上，路面温度场是解决这一个问题的一个重要方面。这一问题的研究归纳起来主要有两种方法：1）统计分析法36-39，即通过大量实测数据分析，建立路面温度同当地气温和太阳辐射量之间的关系。这种方法依

27、赖于实测，花费大量的人力、物力和财力，建立的经验公式适用性也受到了限制，一般仅满足测量地域的情况；2）理论分析法，即根据气候资料通过传热学原理来确定路面结构温度场。理论分析法由美国学者Barber40首先提出，他将路面视为半无限体，大气温度和太阳辐射量假设为正弦函数，进而推导出路面温度场计算公式，但计算结果不适用路面低温过程中温度的估计。Preto-rius41在他的博士论文中采用有限元法对层状路面结构温度场进行了研究；严作人42视路面结构为层状，从气候学和传热学基本原理出发，用解析法对一维水泥混凝土路面温度场进行了深入研究，分析了不同基层材料对路面温度场的影响，提出的气温和太阳辐射量模拟函数仅对正常天气有一定准确性。吴赣昌43-45也视路面为层状体系，系统研究了二维沥青混凝土路面结构温度场，但是计算过程复杂，工程应用比较少。宋存牛46指出，求解方法主要集中于周期性气候条件下路面结构体温度场的理论解，而没有对非周期性气候条件下（如持续低温和大幅度降温气候等）的温度