融冰雪路面技术介绍
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编辑：佚名
时间：2022-07-28
在寒冷的冬季，许多公路与城市道路经常遭受冰雪的危害，降雪较大时基本呈冰雪路面状态，冰雪使路面附着系数大大降低，导致汽车打滑、制动距离显著延长，甚至刹车失灵、方向失控，造成严重的交通事故。这些问题成为道路交通安全和人民生命、财产安全的重大隐患，因此冰雪路面问题一直困扰着道路养护部门。
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。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。
对路面积雪结冰的处理问题，各国道路管理部门多年来一直非常重视，而且作了大量的研究工作，探索出了多种清除道路表面积雪结冰的方法。融雪技术是通过路面的特殊功能来融冰除雪，该类技术融冰除雪效果更彻底，但需要在铺设路面时就要做相应施工，初始投资较大。
通过在路面铺装材料内添加一定量的弹性颗粒材料(如由废旧轮胎加工而成的橡胶颗粒)，利用弹性材料局部变形能力较强的特性，通过路面在负荷状态下产生的自应力，使路面冰雪破碎融化，有效抑制路面积雪和结冰。这类技术代表就是橡胶颗粒融雪路面技术。这种技术不但可以有效提高路面的除冰雪能力，提高道路安全性能和运输效率，而且为废旧弹性材料的回收利用提供了新途径，该技术在欧美和日本等发达国家已有应用。
对于橡胶颗粒沥青混合料技术的研究开始于上世纪80年代末期。对于此技术的研究，各国的研究和应用情况差别较大。其中美国对于此项技术的研究开展较早。Heitzman尝试将6.4mm~0.85mm的橡胶颗粒直接加入到断级配沥青混合料中用来代替部分石料，并将其用作磨耗层；Van Kirk,Jack L等人将一定粒径的橡胶颗粒掺于密级配沥青混合料中，用来替代部分石料以满足级配要求，同时部分改善沥青性能。该方法要求用于面层铺装的沥青混合料中的橡胶颗粒的掺量不能大于混合料质量的2%，且橡胶颗粒细度较大，基本上是用来替代混合料中的细集料部分。利用该方法，佛罗里达、纽约州、俄勒冈州和安大略州分别修筑了试验路。
美国工程兵寒冷地区工程实验室（The U.S. Army Corps of EngineersColdRigionsResearch EngineeringLaboratory(CRREL)）研究发现，橡胶颗粒沥青混合料可以有效破处路面结冰。研究将4.75mm~9.5mm的橡胶颗粒添加到混合料中，并分别将橡胶颗粒掺量为3%、6%和12%的沥青混合料尽心了马歇尔试验、回弹模量测试和除冰雪试验。室内试验表明，橡胶颗粒参量越高，除冰雪效果越好。但由于未能很好解决混合料成型和耐久性等问题，该方法仍处于室内试验阶段。加利福尼亚州运输部采用细度较大的橡胶颗粒替代混合料中的部分细集料拌制成沥青混合料，修筑了4条试验路段。虽然均不同程度的出现了裂缝和车辙等破坏，但总体情况好于传统的密级配沥青路面。明尼苏达州运输部于1989年开始，陆续修建了两条橡胶颗粒路面用于除冰雪，橡胶颗粒掺量为2%，实践证明，路面的除冰雪效果并不明显，但其他路用性能良好。德克萨斯州也修筑了橡胶颗粒路面，但通车3个月内即发生了严重的破损。华盛顿州、安大略等地也先后修筑了橡胶颗粒路面，但路用性能和除冰雪效果都不理想。
日本从上世纪70年代末期开始橡胶颗粒路面的研究和开发的。
（1）弹性体混入型。日本橡胶颗粒沥青混合料的橡胶颗粒掺量占集料的2%~3%，其中寒冷地区宜采用2.5%~3%掺量，相对温暖地区宜采用2%~2.5%掺量，油石比一般控制在6%~8%。
（2）弹性体混入、散布型。首先在空隙率较高的开级配沥青混合料中掺入橡胶颗粒进行铺筑，铺筑完成后在路表撒布橡胶颗粒并马上进行碾压，这种路面可以起到排水、降噪和抗冻结等多种作用。
（3）弹性体压入型。在刚完工的沥青路面上铺撒直径50px的五角形橡胶颗粒，用压路机将其压入沥青路面。压入路面内的橡胶颗粒有小部分露出路面，增加了路面的摩擦力。同时，车辆荷载的作用使橡胶颗粒变形，车辆通过后的反弹力使冰破碎，从而防止路面打滑。1998年在东京至长野的高速公路上铺筑了试验路段。研究结果表明，此项技术可以有效地清除路面积雪结冰，提高路面抗滑能力。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对热和电的感应和转换能力，将电能转变为热能，热能通过路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，实现融雪化冰的目的。这就是导电融雪路面技术。
导电路面融雪技术的研究开始于上世纪30年代，前苏联在这方面的研究比较全面。近年来，美、英、加拿大等国家开展了关于导电混凝土及在路面融雪化冰应用方面的试验研究。
美国研究人员Sherif Yehia和Christopher Y Tuan提出利用钢纤维混凝土导电性，开展了关于桥面融雪破冰的试验研究，测试并公布了1999年2月到3月的五场雪的降雪量、预热时间、消耗功率、费用及材料性能等数据，从数据中可以看出融雪效果较好，但是随着时间的增长，钢纤维混凝土的电阻率变大，1年后增加了近60倍，这对导电混凝土来说非常不利。
Nebraska公路局在Roca的一座公路桥上进行了掺加1.5%钢纤维和25%石墨产品的导电混合料桥面除冰方面的应用，同时安装了温度和电流传感器进行监控，除冰系统在2003年4次的大降雪中工作性能良好，目前该系统还将继续运行，说明该除冰方法是经济有效的。
由于沥青混凝土是高绝缘材料，改善其导电性能不容易，所以各国研究较少。1968年石墨改性沥青首次由美国联邦航空局与超级石墨公司共同研制，通过掺入导电相石墨提高沥青混合料的导电性能，用于机场路面的除雪化冰，但没有达到预期的效果，1990年超级石墨公司又重新资助该项目的研究，新泽西几个州打算在高速公路和机场上应用该技术。美国联邦航空局专门成立研究室FAA401用于研究机场道面的融雪化冰问题。他们一方面研究环保的除冰剂，另一方面研究新型的道面材料，其中导电混凝土机场道面就是研究的重点。
近年来，芬兰、丹麦、挪威、俄罗斯等国家已经开始有不少单位进行发热电缆的制造、安装和技术研究工作，他们对发热电缆的设计、材料、施工安装、检验、调试和验收都已经具有了相当丰富的经验。发热电缆用于路面融雪在国外已有应用，但对于工程应用的一些主要问题如如何进行实际工程设计没有见到有关标准和详细报到。
化学类冻结抑制路面是指通过再沥青混合料中掺入具有抑制冻结效果的化学类材料所形成的具有冻结抑制功能的路面。此种路面能够降低表面冰点，再较低的温度条件下融化路面表面积雪，使积雪与路面之间变得松散，提高除雪作业效果，从而确保车辆行驶安全。化学类冻结抑制材料的有效冻结成分主要为盐分（氯化钠、氯化钙等），通过不同的加工工艺将盐分加工成颗粒或者粉末等不同形式，添加到沥青混合料中。化学类冻结抑制路面主要是通过盐分的析出来有效降低冰点，使冰雪融化后与路面脱离。
化学类抗冻路面起源于上世纪60年代的欧洲，在瑞士、德国等国家有所应用。日本于70年代末期开始引进这类路面形式，最近十几年伴随着化学类抗冻路面的研究逐渐深入，在日本大部分地区都进行了成功推广。目前日本的盐化物融雪类型主要有：
（1）盐分以水泥固化成粒状、圆球状物体，置换混合料中的粗、细集料，添加量约8%；铺筑后混合物中的盐分慢慢溶出，发挥融冰化学作用。
（2）盐化物以颗粒形式、表面裹油后置换混合料中的细集料，添加量约5%，代表产品：V-260。
(3) 盐化物以粉体形式置换混合料中的矿粉，添加量约6%~8%，代表产品：Mafilon(简称MFL)。
国内很多科研单位和研究人员也对融雪路面的进行了很多研究。
在橡胶颗粒融雪路面的研究方面，交通部西部交通科技项目管理中心于2003年对《橡胶颗粒路面应用技术的研究》项目正式批准立项。2006年9月对哈尔滨工业大学交通科学与工程学院谭忆秋教授等人所承担的该项目进行了鉴定验收，该项目的研究取得了重要的研究成果，为我国今后大规模推广使用橡胶颗粒路面技术奠定了基础。
山东大学曹卫东等人探索将主骨料空隙填充法应用于橡胶颗粒沥青混合料的配合比设计中，并铺筑了试验路。
北京工业大学张金喜教授研究了采用汽车车门的废旧密封条制作橡胶颗粒按不同比例掺加至沥青混合料中，验证了混合料良好的除冰雪性能。
长安大学韩森教授对橡胶颗粒除冰雪沥青路面进行了较为全面的研究。对橡胶颗粒级配与粒径对混合料性能的影响，研发的路面破冰模拟试验仪填补了国内在路面除冰雪试验仪器方面的空白，同时，对橡胶颗粒融雪路面的耐久性进行了初步研究。并且在国内首次将橡胶颗粒沥青路面应用于高速公路上，全面总结了橡胶颗粒沥青路面的施工工艺，试验路使用性能优良。我国在橡胶颗粒抗冻路面研究方面起步较晚，见诸报端的橡胶颗粒沥青路面仅应用于等级较低的路面上，纵观抗冻路面在国外十几年的成功应用及国内的研究进展，我们可以预测橡胶颗粒除冰雪沥青路面应用在我国北方寒冷地区具有很大的潜力，开展这方面的研究可以带来显著社会效益，尤其是应用于近几年迅猛发展的高速公路上。
我国国内学者对导电混凝土的研究也比较多。研究的导电混凝土的种类也涉及到钢纤维、钢渣、石墨、碳纤维、炭黑等几大类。
吴少鹏等开展了掺入石墨来改善沥青混凝土导电性能的研究，为导电沥青混凝土用于路面和机场跑道等的冬季融雪化冰提供了理论基础。
大连理工大学吴志敏等人对碳纤维发热线应用于路面融雪进行了研究，对影响融雪化冰效果的因素进行了试验分析，为对碳纤维发热线用于混凝土路面融雪化冰的工程应用提供了理论基础和参考价值。
北京工业大学李炎峰等人对发热电缆应用于路面融雪技术展开了研究。开展发热电缆融雪化冰的实验研究，建立发热电缆融雪化冰系统传热的数学模型，研究发热电缆融雪化冰系统温度场与相关影响因素(铺装功率、铺装方案、室外气温、室外风速、隔热情况)的关系。
吴少鹏等人对导电沥青混凝土进行了研究。主要对石墨导电沥青混合料材料组成设计、导电机理、路用性能、电学性能进行了研究。研究表明：石墨单位体积对沥青混凝土导电性能改善效果良好，石墨导电沥青混凝土的抗水损害能力强，高温稳定性能良好。
由于石墨吸收沥青能力强，对石墨导电混合料的油石比的设计要考虑到这点。
从国内导电路面的研究来看，目前导电路面对水泥混凝土研究较多，对导电沥青混凝土研究较少，而应用在实际工程的情况更是未见报到。因此，对于导电路面的研究还有很大潜力，特别是在导电沥青混凝土和如何在实际工程中的应用更是潜力巨大。
我国对于盐化物融雪路面的研究还较少，且多是引进日本的技术。长安大学韩森对MFL（Mafilon）的原材料性质、融雪原理、级配设计、路用性能进行了室内试验研究。研究表明MFL沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性均满足规范要求。同时，在蓝商高速公路中得到了应用，并得到了盐化物的投放方式是施工控制的关键的结论。除冰雪效果还有待于进一步验证。
由国内外的研究状态看，路面融雪技术还是一个新兴的技术。对于橡胶颗粒融雪技术工程应用效果有待于进一步研究；导电路面的如何在工程中广泛应用、导电沥青路面研究还有很多急需解决的问题；对于盐化物融雪技术在国内的应用和研究还很少，具体效果还有待于进一步验证。
现今成熟的路面融雪技术有橡胶颗粒融雪技术、导电路面融雪技术和盐化物融雪技术三种。
通过对这三种路面融雪技术的资料查阅。掌握其研究现状、适用条件和使用效果。
主要包括橡胶颗粒性质对橡胶颗粒沥青混合料性能和融雪效果的影响、级配设计、路用性能。
主要包括各种盐化物的性质及融雪效果、级配设计和路用性能的研究。
（3）导电路面融雪技术的资料查阅。包括各种导电材料的性质、发热原理及数值模型、发热温度场、导电材料布局、功发热率和控制技术等方面的研究内容。
包括橡胶颗粒掺量的确定、橡胶颗粒沥青混凝土级配设计、油石比的确定。
包括盐化物掺量的确定、盐化物沥青混合料级配设计、油石比的确定。
导电材料的铺设和分布、发热功率的设计和控制导电路面线路的设备，以及混合料级配和油石比的设计。
高温性能是沥青混合料的重要指标，其与路面车辙、开裂等有重要关系。本项目通过车辙试验，测试三种融雪沥青混合料的动稳定度，对三种融雪沥青混合料的高温性能的优异进行比较。
路面的低温开裂多与沥青混合料的低温性能有着十分密切的联系。本项目通过小梁低温弯曲破坏等试验，通过弯曲破环应变对三种融雪沥青混合料的低温性能进行比较。
进行三种融雪沥青混合料的冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，通过残留稳定度和冻融劈裂强度比，对三种融雪沥青混合料的水稳定性进行对比分析。
对三种融雪沥青混合料进行小梁疲劳试验，研究三种融雪沥青混合料的抗疲劳性能。
①研究橡胶颗粒掺量、温度等因素对橡胶颗粒融雪技术融雪效果的影响。
②研究导电材料的布局、间距、铺设导电材料的层位等因素对导电融雪路面融雪效果的影响。
③研究盐化物掺量、掺配方式等因素对盐化物融雪路面融雪效果的影响。
设计室内融雪试验、化冰试验，从融雪时间快慢、融雪成效等方面对橡胶颗粒融雪技术、盐化物融雪技术和导电路面融雪技术进行融雪效果试验对比。
对上述三种融雪技术，从初期投入、融雪效果及耐久性等方面进行经济成本分析。结合其路用性能和耐久性的研究成果，针对本项目实际情况，选出适合本项目的融雪技术。
对国道309涉县段进行考察。主要包括周围环境、气候、交通荷载、路线设计、路面结构类型和路面材料。在此基础上研究融雪路面混合料的厂拌工艺、运输、压实工艺。
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