道路融雪除冰技术现状与发展趋势分析

摘要：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：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) 04-0933-08
0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100×108美元。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1×108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3.7×108元[2]。2008年南方冻雨的直接经济损失达62×108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8000～10000t，2010年更是达到3.5×104t；但在2011年北京市大大减少了融雪剂的使用，投入3.9×108元购置了大量清雪除冰机械，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10～15a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）、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。