中外高速公路融雪化冰技术和方法.doc

中外高速公路融雪化冰技术和方法 刘凯 王选仓 王芳冬天或者冰寒地区的道路结冰、积雪，严重影响国家的交通、经济以及正常的户外活动和工作。2008 年初的一场特大降雪，给我国特别是南方地区带来巨大灾害。降雪量之大、降雪时间之长、受灾区域之广、造成交通中断堵塞时间之长，都是百年不遇的，直接经济损失达537.9 亿元。世界各国为解决冬天道路结冰、积雪这一难题，大多是根据天气预报提早准备扫雪设备和工业盐水（或融雪剂），下雪后立即对主干道公路、城市道路进行清扫或洒盐水或洒融雪剂等，被动除雪化冰以减少或降低其不利影响。人为除雪费时费力，而使用工业盐水和融雪剂又会造成宝贵的水资源浪费并产生环境污染。一旦进入冬天，北美、北欧、西伯利亚及我国北方等地的交通道路积雪结冰现象非常严重，往往造成交通中断或事故。据不完全统计，30%左右的交通事故与道路冰雪有关，严重影响了交通运输和经济建设。路面冰雪问题一直困扰着世界各国交通部门，人们为此作了大量研究，探索出许多抑制、控制和消除冰雪的技术和方法。一、传统融雪化冰技术和方法1. 人工或机械撒布融雪剂通过在路面上撒布化学药剂来降低冰雪融点，使冰雪融化，进而清除积雪和积冰，是国际上较常用的一种路面除冰雪的手段。国内外常用的融冰雪剂主要有盐类和醇类。在一定的环境条件下，撒布融雪剂可以有效清除道路冰雪，改善道路安全状况，提高道路运输效率。但是，醇类融雪剂的除冰雪效果受环境温度影响较大，并具有反结冰现象。一旦环境温度下降，被融化的积雪会再冻结成冰，且如果降雪量过大，融雪剂自身很难快速溶解、融化，使得路面更滑，交通安全更加堪忧，同时还导致综合成本大幅升高。而绝大多数的盐类融雪剂产品都存在腐蚀性，易腐蚀破坏道路结构和机动车辆，还会对土壤、水体和大气等造成污染，破坏生态环境。根据美国和加拿大的一项统计报告，在每年使用1 000 万吨融雪剂的情况下，会对道路、车辆造成29 亿 59 亿美元的损失，对停车场造成0.75 亿 1.5亿美元的损失，导致5% 10%的植物病变甚至枯死。另外，融雪剂的使用曾造成北京2003 年有4 000 多棵大树和4 万多株灌木死亡，草地受害面积达3 万多平方米，直接经济损失1 500 多万元。因此，近年来国内外都不断开发环保型融雪剂，如美国和加拿大的专家开发出的生物降解型融雪剂等，具有无毒性和无腐蚀性的特点，可以起到较好的效果。总的来说，这种中外都采用的传统方法对冰雪清除较彻底，但效率低、费用高，作业时影响车辆通行及行车安全，不能长时间作业，适用于雪量较小时或重点、难点路段的冰雪清除。2. 撒布砂石材料在冰雪路面上撒布一定粒径的砂石材料，如砂、石屑、炉灰、煤渣和砂盐混合料等，能提高冰雪路面的摩擦系数。砂石的存在一方面使冰雪层的冻结强度不均匀，另一方面，砂石在冰雪层的运动使得雪不易压实，达到了抗滑的目的。该方法在注重环保的欧洲，如德国、瑞典、丹麦、芬兰等国应用非常广泛。由于砂石材料既经济又环保，且事后清理也较为便捷，故受到这些国家的青睐。3. 各种机械除冰雪方法中外高速公路机械除冰雪方法大致可分为机械铲冰雪和机械吹雪2 类。机械铲冰雪适合于雪量较大、结冰之前大面积清除作业。机械吹雪适用于未经碾压过的厚度较薄的路面积雪，通常只适用于机场等便于管理的较小范围的除雪。高速公路除冰雪机械有： 抛投式除雪机，抛投式除雪机的除雪效率，一般2 000 8 000 吨小时不等，抛出距离最远达50 米。一般是通过铣刀式或叶轮式转子除雪轴送雪，再利用雪风机和抛雪筒抛雪于运雪车或指定位置。 推移式除雪机，它是通过安装在铲土机械及车辆前部的推雪铲刀、除雪犁( V 形犁)、路面平整板、侧向排雪板等除雪装置将雪推走，开出通道或堆积后用卡车运走，或直接将雪推出路边。另外，还有诸如新型滚轴锥子破冰机、冰雪粉碎机等。对于公路交通而言，在特殊路段比如桥梁、匝道、长大纵坡、山地区域等，大型除雪机械的操作和运行都有其局限性。加拿大在这方面走在世界前列，它地处北纬地区，是交通积雪严重的国家。他们将信息、计算机、机、电、液一体化高新科技成果都应用到除冰雪机械上，向着更加柔性化、智能化、高度自动化的方向发展，发明了不少操作便捷、成本低廉、效率较高的除冰雪机械，如智能铲、吹、洒布多功能计算机控制除冰雪机等。这些机械的发展和应用前景广阔。二、热力和能量转化型融冰雪技术和方法1. 利用外加热源融冰雪外加热源融冰雪方法，是利用热水或者热融雪剂溶液，将其喷洒在积冰雪高速公路上，不仅利用热液体的热能，同时利用和发挥融雪剂降低冰点的作用，更加迅速地使高速公路上的积雪融化，使得交通能快速恢复。近年来，除了上述方法，汽车加热-机械融化法也得到大力研发。通过汽车供热装置加热液体或者融雪剂溶液，将其喷洒到公路上，然后利用汽车上附加的机械设备铲除冰雪和清扫冰雪融化以后的水，这样就将热力、融雪剂、机械除雪三者进行有机结合，大大加快了高速公路融雪化冰的速度和效率，为快速开放交通打下基础。这项工程已经在我国山东省开始研究和应用。还可在普通汽车上装载热源（如锅炉、煤气罐、发动机蓄电加热板等），从热源处接出气管，气管出口端装接在距地面适当高度处的喷气管或煤气燃烧器上。通过从喷气管喷出的热蒸汽或点燃煤气，加热或燃烧冰雪，使之迅速熔化冰雪，被熔化的水流入路边下水道。在瑞士AS 高速公路Darligen路桥段，以及去首都伯尔尼的机场路上，这个方法作为快速恢复交通的手段得到重视和应用。此类方法融雪化冰虽效果较好，但往往会产生大量的融雪液体（水或者融雪剂溶液）以及融化雪水，这些水进入路面结构时，势必会对高速公路带来各种水危害，并且它还是没有摆脱使用融雪剂所带来的负面效应。另外，新型热源（如烧煤或天然气、电加热器等）加热燃烧冰雪，其清除冰雪方便有效，省时省力，但这种方法的使用消耗能源较大，还会污染环境。2. 能量转化型融冰雪技术能量转化型融冰雪技术是通过能量转化设备，将其它形式的能量转化为热能，达到融冰雪的目的。可以利用的能量主要有工业电能、太阳能和地热等多种能量。该项技术可以提高能源利用率，而且清洁环保，适合于机场、桥面和高速公路的长大纵坡等局部路段的融冰雪。常见的有发热电缆法、红外线热源法、储蓄地热源热管融化法、太阳能热管法、储能热流体循环法等。由于受能量来源的限制，利用土壤源热管和热流体循环技术、太阳能电管的融冰雪技术正逐步成为研究热点。土壤源热管融冰雪技术是在路（桥）面内埋置热管，利用土壤源热管，经地下换热器从地下提取热土壤中的低位热能，经热管提升后，通过水泵把温度较高的流体输送到路（桥）面内的排管循环换热系统里面，从而达到路面融冰雪的目的。而太阳能-电能融冰雪技术，是利用太阳能储存转换系统给埋置在路面中的电管加热，在规定的不影响交通安全的时间内，使路面积攒的冰雪迅速融化，从而达到路面除冰雪的目的。在国外，美国、日本及北欧一些国家在道路热源融冰雪技术领域开展了许多研究和工程实践。如美国芝加哥OHare国际机场滑行跑道SNOW FREE 融冰雪示范试验工程，他们进行了循环热流体和热管传递等方式的融雪道面研究；冰岛国利用丰富的地热水资源，推广道路融冰雪工程应用，全国和首都雷克雅未克地区利用面积分别达74 万平方米和46 万平方米；挪威首都奥斯陆GARDEREN机场的地源热管空调系统和停机坪热循环流体融冰雪系统；日本二户市的高速公路弯坡道路全自动热融冰雪系统Gaia 工程（全自动路面集热蓄能循环热流体融冰雪系统）；日本第八技术咨询公司与山口大学合作，对Ushinogou高速公路隧道出口处融冰雪方案进行研究和比较，最终确定以热管附带自然热源（积聚温泉水和地热）的方式为最佳；波兰Goleniow 机场地源热棒地面融冰雪系统等。我国在公路热融冰雪研究方面还处于起步阶段。1997 年，吉林大学率先提出太阳能蓄热融冰雪在我国北方应用的设想，并不断在地下蓄能及公路融雪技术领域开展研究工作。此外，北京市市政工程研究院也在开展发热电缆用于桥梁坡道融雪的工程实践，华瑞科技和爱德姆等公司在发热电缆等方面提供技术支持。但这种能量转换公路融冰雪技术的能源转换储存系统目前还是一个难点。此类研究的不足势必导致单位高速公路工程的造价增大，能源和资源没有得到充分利用，且应用推广价值欠佳。三、新型融雪化冰技术和方法1. 自应力弹性路面铺装技术此类技术主要是通过在路面铺装材料内添加一定量的弹性颗粒材料，改变路面与轮胎的接触状态和路面的变形特性，利用弹性材料局部变形能力较强的特性，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和结冰。弹性材料多指由废旧轮胎加工而成的橡胶颗粒。这不但可以有效提高路面的除冰雪能力，提高道路安全性和运行效率，而且为废旧弹性材料的回收利用提供科学、合理的新途径，利于环境保护，节省资源。水泥混凝土路面露石技术，采用粗石料的水泥混凝土路面，利用粗石料的棱角面，通过设计和施工技术，按一定比例地外露在路面表面，不仅可以增加路面抗滑性能，而且还可以降低噪声。水泥混凝土路面外露棱角，在汽车轮胎的碾压下，薄冰层会被迅速碾碎融化，从而达到抑制冰雪增加路面安全性的功能。2. 导电铺面融冰雪技术该项技术是在路面铺装材料中掺入聚合物类、碳类或金属类导电掺合料，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，实现融冰雪的目的。该方法是武汉理工大学开发和提出的，它耗能较大，路面绝缘材料的研究和应用还尚待完成，其研究和推广值得进一步的探讨和升华。四、高速公路融雪化冰技术展望尽管目前高速公路融雪化冰技术的发展多式多样，但更多的是采用传统型的融冰雪方法。这些技术和方法都有其局限性，随着技术的不断成熟和发展，新型融雪化冰技术必将不断涌现。各国和各地区可因地制宜地去选择和发展，适合区内的除冰雪技术和方法，在能量转换型除冰雪领域，现在更多关注电