路面除冰方法综述

杨朝晖，常晓峰,，赵 悦，李新建

(1. 阿拉斯加大学 安克雷奇分校，阿拉斯加州 安克雷奇 99508；2. 黑龙江大学 a.寒区地下水研究所；b.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

在寒冷地区特别是暴风雪多发的时期，城市街道和高速公路的冬季维护，对行人、汽车司机以及公共交通安全至关重要。Hansen B B等[1]预测，全球变暖会导致冬季变得更温暖潮湿，北极地区路面结冰情况增加，从而增加北极地区冬季对于路面的维护成本。Shi X M等[2]对高速公路在极端低温状态下的冬季维护作业进行了介绍。但目前来说，对于十字路口和人行道的冬季维护相关研究十分有限[3]。

1 现有路面除冰方法综述

传统的路面除冰方法有机械法、化学法和加热法。本节对这些方法进行全面的回顾，着重介绍新兴的除冰技术。

1.1 机械与化学除冰法

在机械除冰中，常使用大型设备和车辆来铲刮路面上的冰雪。由于雇用设备操作人员的费用较高，使得机械除冰总费用较高。用铁锹或吹雪机清除压实的冰雪并非容易的工作，因为冰和路面之间的黏结很牢固。化学法则可以通过融化冰雪来解决冰与路面的黏结问题[4]。此后，道路除冰通常是通过机械与化学方法结合完成。将盐与沙和碎石混合，用扫雪车或者自卸卡车铺在路面上。路面上的冰因为与盐结合而融化，然后用除冰车将其清除。氯化钠、氯化镁和氯化钙等氯化物盐是除冰最常用的化学品，既便宜又有效[5]。然而，这些氯化物盐会腐蚀车辆和混凝土中的钢筋，并污染环境[6-9]。

为了减少对混凝土结构的破坏，一些复杂的化学溶液被投入使用[10-11]。近年来，醋酸酯基除冰剂如醋酸钾，醋酸钙镁，醋酸钙镁钾被优先考虑作为除冰剂，它们分解更快，不含氯。然而，醋酸酯会降低混凝土和沥青路面的耐久性，而且成本较高[2,12-15]。醋酸钙镁(CMA)对钢筋无腐蚀性，但需要用大卡车运输，而且比盐的效率低，适用温度范围较小[13,16]。

作为农业生产副产品产生的一些有机化合物，如提炼甜菜、生产乙醇的蒸馏过程中产生的副产品，也被用于冰雪融化[17]。这些有机化合物与其他氯化物(如氯化镁)混合后，能更长时间的留在道路上。此外，将普通岩盐与某些有机化合物和氯化镁混合，可以在温度较低(如-34 ℃)的情况下有效地将融冰材料铺开，同时也更能长时间的停留在路面上。但与氯化物混合的有机化合物会危害环境，而且成本高昂。值得一提的是，尿素是一种可溶性氮化物，由于其腐蚀性较低，常用于机场路面除冰[18-19]。

1.2 加热法

为了控制斜坡和桥面上的雪和冰的形成，目前已有许多可使用的加热除冰的方法。Yehia S等[20]对过去30 a道路除与防冻方法的文献作汇总。根据加热元件的安装方式，加热法分为内部加热和外部加热两类。

1.2.1 内部加热路面除冰

1.2.1.1 地源热管

1970年，联邦公路管理局(FHWA)费尔班克斯公路研究站[21]的Dynatherm公司进行了地面热管的初步实验。1975年，Long D C等[22]在西弗吉尼亚州橡树山的一个高速公路坡道上，用由1 213根长18 m的埋在地下的热管组成的加热系统进行了实验。在除了有低吹雪发生的时候，该加热系统都能很好的防止冰雪积聚。在这种情况下，现场地面温度平均为13 ℃左右。1981年，在怀俄明州的Laramie，一个重力式加热管系统被运用在桥面上，该系统使用了一个管中管地热交换器[23]。该系统使用现场组装的热管从地下30 m高的垂直蒸发器中传递能量。结果表明:在运行过程中，受热面比未受热面温度高约2～14 ℃，这能在第一时间防止桥面冻结，并有利于雪的融化。主要缺点是加热管的组装比较复杂，钻孔和灌浆占总成本的40%。Zenewitz J A[24]描述了俄勒冈州利用地热资源控制冰雪的另一个例子：在桥面上安装了一个含有防冻液的铜管的热水加热系统，该系统由地热源加热，安装在长度约为122 m的加固混凝土路面上，以保持桥面不结冰。

1.2.1.2 热流体热管

1993年，内布拉斯加州林肯市的一处混凝土人行天桥内嵌了由燃气锅炉加热的含有防冻液的橡胶软管[25]。该系统的安装成本为161 $·m-2(以下数据如无特别说明，均以$计算)，每次暴风雪可融化76 mm厚的雪，成本约为250 $。1996年，弗吉尼亚州阿默斯特的布法罗河大桥安装了一个由钢管组成的加热系统，该系统燃烧丙烷产生氟利昂，并加热至149 ℃。该系统利用蒸发的氟利昂冷凝时释放的潜热进行除冰，运行成本约为1 000 $·a-1。类似的液体循环系统已经在俄亥俄州、俄勒冈州、宾夕法尼亚州、南达科他州和德克萨斯州安装。如今，由嵌入波特兰水泥混凝土(PCC)路面的塑料管道和经燃气或燃油锅炉加热的乙二醇组成的液体循环系统广泛应用于阿拉斯加的安克雷奇(如安克雷奇市中心十字路口和人行道)和其他寒冷地区的除冰和防冰[26]。然而，在流体循环系统中，供热流体泄漏是常见的问题。此外，这种系统需要较大的空间来安装锅炉。

1.2.1.3 太阳能热管

Zhao H M等[27]提到了在日本使用太阳能除冰系统。在温度较高的夏季，由水泵从路面收集太阳能，并通过埋入人行道的水平和垂直管道储存在地下。在冬季，水泵通过管道将温水带到路面上除冰。在这个系统中，只有水泵消耗电能。用于除冰的能量来自太阳辐射和地热热源。

文献[28-30]提到了一个类似的系统，利用导热沥青混凝土(AC)材料制作而成的沥青太阳能收集器。当时的想法是在沥青混凝土混合物中加入石墨粉等导热填料[31]，以提高其导热性，有助于在夏季通过嵌入在沥青中的铜管中的循环水收集太阳能辐射能量。这些热水被储存在地下，以便冬天融化冰雪。循环流体还可以帮助冷却沥青混凝土，从而减少其由于夏季高温导致永久变形的风险，这样的系统本质上是一个循环系统，在夏天用来收集太阳能，在冬天融化冰雪。这种系统利用可再生能源，对环境友好。然而，没有例如地热等其他能源的配合，由于储存的水的温度不是很高，融化过程是相当缓慢的。它也包含了液体循环系统的所有缺点，例如维护成本高、路面易出现裂缝和变形、需要大型地下储水等。

1.2.1.4 电热电缆

1961年，在新泽西州纽瓦克市的一座高速公路吊桥的入口和桥面上安装了电热电缆来清除路面冰雪。在桥面上的功率密度为378 W·m-2，在路面上功率密度为430 W·m-2[4]。电流产生的热量1 h可融化一层25 mm厚的雪。然而，由于路面的交通负荷，电缆从沥青混凝土(AC)覆盖层中拔出，该方法后来被放弃。1964年，在新泽西Teterboro也安装了一个类似的系统，在两个斜坡和一个桥面上。该系统的除冰效果良好，功率密度约为375 W·m-2，年运行成本约为5 $·m-2[9]。后来，美国的内布拉斯加州、俄亥俄州、俄勒冈州、宾夕法尼亚州、南达科他州、得克萨斯州和西弗吉尼亚州都安装了类似的除雪系统。

1.2.1.5 碳纤维电热丝

碳纤维丝被用作除冰的加热元件。Zhao H M等[27,32]将碳纤维电热丝嵌入PCC板中进行路面除冰研究。尺寸大小为1 m×2 m×0.25 m的板，采用了C40 PCC混凝土浇筑。将碳纤维电热丝纵向缠绕在钢筋网上，每根钢筋的间距为100 mm，功率密度为500 ～ 800 W·m-2，每次暴风雪发生时的运行成本为0.375 ～ 2.8 $·m-2。Xiang D S[33]申请了一项碳电热丝应用于AC沥青路面除冰的专利。在空调层中嵌入碳纤维加热丝，从而产生融化冰雪的热量，此前并没有AC沥青路面除冰的相关研究。Liu Y等[34]报道了关于碳纤维电热丝融雪性能的大规模现场试验。在实验中，将尺寸为4.6 m×4.6 m×0.4 m的PCC板采用碳纤维网、钢筋网和48 k碳纤维电热丝相拼接，并埋于路面下5 cm处。加热线间距为10 cm，功率密度为350 W·m-2。

该方法安装方便，可与钢筋网结合使用。但关键问题在于，热动力在路面内部分布不均匀，产生温度梯度和热应力，从而可能产生热裂缝。此外，缠绕在钢筋上的保温碳发热丝对钢筋—PCC板路面和路面结构功能的影响尚不清楚。如果单独安装在AC沥青路面上，由于路面上的交通负荷，电热丝就像金属电热丝一样暴露在AC沥青路面外[4]。

1.2.1.6 磁性融雪设备

Zhang D S等[35]描述了一种非常有趣的融雪方法，利用嵌入路面的磁加热装置来实现高速公路路面除冰。磁加热装置利用了磁热效应，即当某些铁磁或铁磁材料暴露在变化的磁场中时，其温度会发生变化。该方法具有操作简单、节能等优点。现场试验表明，有加热装置的路段融化雪的速度要比没有装置的路段快得多。但是，第一天落下的雪直到第三天才能完全融化。

1.2.1.7 碳纳米纤维聚合物片材(CNFP)和石墨—PET片材

Li H等[36]报道了一种由碳纳米纤维聚合物热源和多壁碳纳米管(MWCNT)水泥基导热复合材料组成的新型除冰系统。该系统采用氮化铝(AlN)陶瓷晶片制成的隔热基板，以提高能源效率。在有限规模的现场试验中，功率密度为600 ～ 1800 W·m-2，融雪性能非常出色。然而，碳纳米纤维聚合物作为热源，价格昂贵，力学性能差。该系统相当复杂，距离大规模的现场应用还很遥远。最近，Zhang Q Q等[37]开发了一种薄的、柔韧的、夹有聚酯嵌件(PET)加热元件的石墨层合板。用一层防水膜来保护加热元件。这种类型的加热元件具有较好的机械性能，但其长期耐用性还有待于现场应用的验证。

1.2.1.8 导电硅酸盐水泥混凝土

传统的硅酸盐水泥混凝土(PCC)不导电。在导电混凝土中，一定数量的导电元件取代一定比例的细骨料和粗骨料，以达到稳定和较高的导电率。导电(EC)混凝土是加拿大国家研究委员会开发的专利技术[38-40]。

EC混凝土可分为两种类型：纤维增强EC混凝土具有较高的机械强度和较低的导电性(100 Ω·cm)，含骨料EC混凝土具有较低的抗压强度和较高的导电性(10 ～ 30 Ω·cm) 。具有高导电率和机械强度的EC混凝土水泥基复合材料在实验室和野外应用于冰雪融化[40-41]。 用一个基础ECC层和一个PCC覆盖层组成的混凝土板来融化积雪。覆盖层的水灰比为0.325，水泥/细骨料/粗骨料的配合比设计为1∶2∶2。实验板尺寸为0.24 m×0.31 m×0.05 m。对于典型应用，电压总是小于15 V；通过ECC层的一次电流小于30 A[39]。通过覆盖层的电流非常小(0.012 mA)。或者，可以增加覆盖层的厚度，以减少通过覆盖层的电流。然而，积雪融化的能源效率会因为覆盖层很厚而受到影响[42]。

Yehia S等[43]开发了一种专门用于桥面除冰的EC混凝土混合物，该混合物含有钢纤维和钢屑。用钢纤维和钢屑配制了50多种EC混凝土试验料。EC混凝土使用15% ～ 20%的导电材料(如钢纤维和刨花)，产生的热量稳定而均匀。试验表明，EC混凝土的平均功率密度约为520 W·m-2；将板坯温度从-1.1 ℃提高到15.6 ℃需要30 min[20,43]。Yehia S A等进行了几组实验室除冰和反结冰实验，发现20%的钢屑和1.5%的钢纤维是上限;较高数量的刨花或钢纤维导致较差的工作能力和表面光洁度[44]。

在15 cm厚的常规混凝土板上浇筑2个9 cm厚的EC混凝土覆盖层(大小分别为2 m×2 m和1.2 m × 3.6 m)，用于在自然环境下进行除冰试验。1998年在5场暴风雪中进行了除冰和防冰试验。EC混凝土覆盖层产生的平均功率密度约为590 W·m-2，以防止冰雪堆积[44]。假设电力成本为0.08 $·(kW·h)-1，则每次风暴的平均单位能量成本约为0.8 $·m-2[44-45]。

2001年，碳制品被用于替代EC混凝土中的钢屑。根据实验室测试结果，含碳制品的EC混凝土用于内布拉斯加州罗卡桥的桥面除冰[45]。建造了一个长36 m、宽8.5 m的EC混凝土嵌体，并安装了温度和电流传感器，用于冬季风暴期间的加热性能监测。镶嵌分为52块独立的1.2 m×4.1 m。将三相208 V、600 A交流电源输入到EC混凝土板上进行除冰。所有混合料中单位体积含有1.5%的钢纤维和25%的碳产品。该除冰系统在4个冬季的运行表明，功率密度为203 ～ 431 W·m-2；每一场暴风雪的单位能源成本约为0.8 $·m-2[46]。

Heymsfield E等[47]报告了一项由联邦航空管理局(FAA)赞助的试点研究，使用EC混凝土覆盖面板和可再生能源来开发防结冰的机场跑道。在阿肯色州用EC混凝土建造了10个尺寸为1.22 m×3.05 m的覆盖板，用光伏板和电池存储系统进行防结冰测试。结果表明，在高于冰点的温度下，能量保证维持10个大覆盖板的热质量，很难通过太阳能可再生能源系统获得。进一步提出在混凝土路面表面附加铜线等发热丝，利用太阳能为其供电，开发一种防冰系统。然而，在车辆载荷下安装和保护电线的实际问题仍然存在。

综上所述，EC混凝土覆盖方法在除冰和防冰应用方面具有广阔的前景。然而，由于电阻率高、电热效率低、钢纤维腐蚀等问题，到目前为止，未被广泛用于除冰与融雪。此外，如热开裂和横纵向开裂、涂层导电性能恶化、产生车辙等实际问题，将对EC混凝土覆盖层法的可靠性和寿命成本有很大影响。

1.2.1.9 导电沥青混凝土

EC沥青混凝土(AC)可以产生热量，为融雪除冰提供了另一种方法。Pan P等[48]综述了EC活性炭的结构设计、性能和工程应用。传统活性炭含有粗、细集料、沥青黏结剂和矿物填料。其电阻率为108～1 012 Ω·m，为电绝缘体。EC材料必须加入AC混合物中以使其导电，这些材料包括：①粉末，包括石墨、炭黑和铝片[49-50]；②纤维，包括碳纤维、钢纤维、钢棉、碳纳米纤维[51]；③钢渣等固体颗粒代替粗、细集料[52]。

Derwin D等[53]报道了EC-AC路面系统 (商业名称Snowfree®) 在奥黑尔国际机场融雪的现场应用。Snowfree®EC-AC路面由石墨和沥青混合而成；铜母线在地面和地面之间交替放置，间隔4.9 m，并浇铸在5 cm石墨浸没的交流电层内。与联邦航空管理局(FAA)合作，该系统于1994年11月安装在697 m2的滑行道上。安装费用为161.5 $·m-2。在3.5 a的运行期间，EC-AC系统在运行时始终能产生484 W·m-2的功率密度，除雪效果令人满意。在整个评估期间，有约20万架飞机滑行在路面上，未发现明显的裂缝。然而，FAA认为运营成本高，并且没有其他机场使用过这项技术[54]。

添加EC材料需要反复混合，该材料也会影响路面的机械性能。沥青作为一种典型的黏弹性材料，对温度非常敏感，热开裂会影响导电网性能，因此随着时间的推移，电阻率会增加。此外，寒冷地区路面受到气候和环境因素的强烈荷载作用，加重了荷载对路面结构的破坏作用，导致路面加速老化，路面维修甚至更换更加频繁[55]。这些因素可能使EC-AC方法成本更昂贵。

1.2.1.10 碳纤维带除冰法

基于碳纤维带(CFT)的除冰方法是一项近年来获得的专利技术[56-60]。该方法利用CFT的低电阻率、高强度和轻重量的独特性能，将商用CFT组装成加热板，CFT条由两根母线平行连接。加热板可为矩形或其他形状，以适应不同几何形状区域的除冰需要。然后，CFT面板母线被连接到一个低压(小于36 V)交流电源来加热路面，以达到防冰或除冰的目的。加热板埋在路面以下50.8 mm的地方，这样可以防止路面损坏，即使路面必须被碾磨和更换，它们也可以重复使用。

CFT除冰技术具有安全、耐用、易维护、高效等优点；该方法在最近的研究中得到了好评[61-62]。由于系统提供低电压 (<36 V)，并且加热板嵌入在人行道上，因此对行人构成的风险较小。碳纤维材料重量轻，坚固耐用，不受腐蚀。由于碳纤维胶带比碳纤维或金属丝网中的电线或循环系统中的管道更均匀地分配热量，CFT加热板在路面上产生的热应力最小。这些特点造就了一个非常耐用的系统。由于没有流体或移动部件，CFT除冰系统维护成本较低。热量均匀分布在路面上，使冰雪融化。加上雪冰探测传感器和自动控制器，该系统在运行中相当高效，这将在下文与循环系统的运行成本比较中得到证明。

1.2.2 路面用外部加热除冰1.2.2.1 微波

Hopstock D M等[63]提出了将含磁铁矿的塔石骨料和微波技术应用于道路的两种方法：①一年四季，热混合路面修补和养护；②AC路面非化学法除冰，包括公路、桥面、人行道和机场跑道。通过使用传统微波，可对这一想法进行初步评估，结果表明，含磁铁矿的塔石骨料确实是一种优秀的微波吸收剂[63-64]。当卡车装载的微波发生器行驶在以碎塔石为骨料的冰雪覆盖的路面上时，微波应该穿过冰层，并在路面、冰界面以热量的形式被吸收，使冰很容易被分离和刮走。然而，这些发现还没有在一个全面的、实际的测试程序中得到验证[63-65]。

1.2.2.2 红外加热灯

在科罗拉多州丹佛市密西西比大道大桥安装的防冰系统中，使用了红外热灯作为外部加热元件[9]。采用红外光灯对桥面下侧进行加热，功率密度为75 W·m-2。结果发现，由于滞后时间过长，功率密度不足，热灯系统不足以防止路面结冰。

2 性能评估和成本比较

2.1 机械法、化学法与加热法对比

传统上，除冰是通过机械、化学和热力方法来完成的。这些方法存在破坏路面、污染环境、腐蚀车辆和混凝土中钢筋等缺点；有些方法需要复杂的安装，或安装和操作成本太高[66]。对化学/机械、循环和各种电阻加热(ERH)除冰方法的优点进行了评价，见表1。虽然机械/化学方法仍然是冬季道路养护最具成本效益的方法，但加热路面，特别是ERH方法，提供了许多有前景的好处，如环境友好以及创新的潜力。此外，加热路面可以应用于机械法或盐水法无法应用的区域，如路缘等处。相比于机械法和盐水法，它还可以在整个冬天更一致地暴露路面的表面条纹，让司机与行人更容易地分辨人行道。虽然ERH方法的运行成本较高，导致无法应用在如高速公路等较大的区域，但它为交通密集的小区域，如城市人行横道、人行道、公交车站和容易结冰的桥面，提供了一个很好的冰雪融化技术替代方案。

表1 PCC中机械/化学和各种加热路面融雪方法的优势评价

2.2 现有ERH除冰系统的评估

综述了各种ERH除冰系统。为了帮助理解这些系统的优缺点，现场测试的不同电加热除冰方法的评估见表2，包括使用金属或碳纤维线的加热丝法、EC-PCC或AC铺装方法、磁性融雪设备和CFT加热面板法。不同方面包括施工能力、耐久性、安全性、现场性能和应用实例。与其他现场测试的ERH方法相比，CFT具有安装简单、无需更换交流混合、耐用、安全、性能优秀等优点。然而，该系统在AC路面上的性能还有待验证。

表2 不同ERH除冰方法的评价

2.3 成本比较

成本效益一直是影响除冰系统适用性的重要因素。如前一节所讨论的，除冰费用对气温非常敏感。在CFT除冰系统中进行的实验温度为-17.7 ～ 2.2 ℃，而文献报道的其他除冰系统的数据范围更窄。为了进行合理的成本比较，有必要选择一个合适的温度范围，例如- 6～3 ℃，以便与其他系统比较平均单位能源成本。

各种ERH除冰系统的安装成本、年运行成本、功率密度和单位能源成本见表3。每一场风暴的运行成本定义为在每次除冰/防冰实验期间，运行除冰系统在表面面积(单位：m2)上融化积雪的平均成本。年运行费用是一年内所有除冰和防冰试验的平均运行费用。为了在同一基础上比较文献中所报告的所有系统，假定电费为0.08 $·(kW·h)-1。

表3 不同ERH除冰系统的成本比较

CFT除冰系统的安装费用是根据1.83 m×1.22 m 3个试验人行道街区使用的加热板、电气和控制设备、保温板的费用之和计算的。不包括人工成本和人行道材料成本。对于电加热电缆系统[4]，计算了安装成本，将铺设电缆、安装电气和控制设备(包括变压器)以及电力服务设施的成本整合在一起。对于EC混凝土加热系统[46]，安装成本包括建造和安装控制设施的成本，以及集成和编程除冰操作控制器的成本。对于Cress M D[25]报道的热水除冰系统和Yehia S等[20]报道的EC混凝土除冰系统，安装费用直接从文献中引用。Zhao H M等[32]所报道的碳纤维加热丝系统的安装成本是不存在的，在这个比较中没有考虑。

由表3可见，CFT除冰系统的功率密度最低，单位能量成本和安装成本也相对较低。CFT除冰系统的高效率可能是由于使用了保温层，以及系统相当均匀的加热，再加上它的低功率密度。在阿拉斯加应用，平均气温低于-6 ℃，单位能源成本较高。数据表明，CFT除冰系统在未来有机会成为一种性价比较高的除冰技术。

3 结论与展望

本研究的目的是提供现有除冰技术的文献综述，重点是电阻加热法可能在沥青路和人行横道上的应用。对现有的和新兴的冰雪融化除冰技术进行了全面的综述。对各种除冰方法的性能进行了评价，并对各种ERH系统的成本进行了比较。最后，对各状态点的交叉口/人行横道维护实践现状进行了调查；并对结果进行了总结。可以得出以下结论:

1)传统上，除冰是通过机械、化学和热力方法来完成的。机械/化学方法是最具成本效益的，但加热路面方法,特别是电阻加热路面,提供了许多有前景的好处，如环境友好和激发创新潜力。

2)虽然ERH方法的运行成本可能会限制在非常大的区域内应用，但它为交通集中的小区域，如城市人行横道、人行道、公交车站和桥面，提供了一个很好的冰雪融化技术替代方案。

3)与其他现场测试的ERH方法相比，CFT方法具有安装方便、不需要修改交流配合比、耐久性、安全性等性能良好的特点。然而，该方法在AC路面上的性能还有待验证。

4)十字路口、人行道的典型除雪方法包括机械法、盐水混合物法，使用需取决天气条件和温度。防冰处理用于风暴前或冻融期间。

美国阿拉斯加大学与黑龙江大学一直有着密切的联系。2015—2016年，黑龙江大学先后派遣两位教师前往阿拉斯加大学安克雷奇分校访问交流。2017年，在国家外专局“寒区特色水利工程学科建设及人才培养”项目支持下，派遣培训交流团前往阿拉斯加大学安克雷奇分校学习交流，并推动签订了《中国黑龙江大学和美国阿拉斯加大学安克雷奇分校合作谅解备忘录》，进一步夯实了中美双方在寒区水利工程领域的合作基础。2018—2019年，黑龙江大学先后派遣两名硕士研究生前往阿拉斯加大学安克雷奇分校访问学习，进一步促进两校交流。阿拉斯加大学安克雷奇分校工程学院杨朝晖教授也多次前往黑龙江大学开展讲座，同时也是黑龙江大学客座教授。

此次研究的完成基于两校以往的密切合作，在黑龙江大学建校80周年来临之际，期待今后能继续加深中美在路面除冰课题及寒区领域的相关研究，为今后开展更多的学术研究奠定基础。