隨著氣候逐漸變暖，極端氣候逐漸開始增多，寒冷條件下引發(fā)的道路冰雪災(zāi)害已經(jīng)不僅僅局限于我國北方寒冷地區(qū)，在南方凍雨地區(qū)道路積雪結(jié)冰現(xiàn)象也開始逐漸增多。道路積雪結(jié)冰除了會導(dǎo)致嚴(yán)重的交通擁堵以外，更有可能會引發(fā)嚴(yán)重的交通事故?？偟膩碚f，熱力融雪化冰技術(shù)還是研究發(fā)展的趨勢。我國在這方面的研究仍處于起步階段，相關(guān)研究較少，本文通過匯總國內(nèi)外已有的研究成果進(jìn)行分析，為后期相關(guān)研究提借鑒。

熱力融雪化冰技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

與機械清除和融雪劑除雪方法相比，熱力融雪化冰技術(shù)是一種主動的道路積雪結(jié)冰清除方法，利用外界的熱能對路面進(jìn)行加熱，使得路面溫度高于0℃，從而預(yù)防路面結(jié)冰。根據(jù)熱能的來源不同，融雪化冰技術(shù)可劃分為電加熱、地?zé)帷⒎堑責(zé)?、紅外線等融雪化冰技術(shù)。

電加熱技術(shù)

(1)電纜加熱技術(shù)。電纜加熱融雪技術(shù)是通過在道路中埋設(shè)電纜，將電能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞至道路表面，進(jìn)而達(dá)到道路表面融雪化冰的目的。而整個系統(tǒng)輸出的熱能是由外源電壓和電纜的熱阻共同確定，而電熱材料則主要是由導(dǎo)熱性和導(dǎo)電絕緣性良好的材料構(gòu)成，現(xiàn)階段以礦物質(zhì)絕緣電纜為主。 

電纜加熱技術(shù)*早是由美國將其應(yīng)用于橋梁工程中，后期逐漸發(fā)展成熟，ASHRAE的設(shè)計手冊對整個電纜加熱技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用都有詳細(xì)的規(guī)范性描述，具有一定的指導(dǎo)意義。電纜加熱也可以用于坡道的融雪化冰，由于坡道屬于易受冷空氣及風(fēng)力影響的地方，在冬季下雪或結(jié)冰后，車輛上下坡會非常危險，使用隔熱材料，在發(fā)熱電纜下部進(jìn)行隔熱處理，以便把所受影響降低，這樣可以降低運行費用、縮短加熱和預(yù)熱時間。國內(nèi)在哈爾濱坡度達(dá)到4%的文昌立交橋的匝道中布設(shè)了發(fā)熱電纜，取得了良好的效果。在鋪設(shè)加熱電纜時，要考慮到道路單位面積鋪裝發(fā)熱電纜的功率、鋪設(shè)間距、電纜的**性以及承重能力(能否承受汽車道的荷載)、隔熱材料的承重能力、傳熱要求等，可以說，關(guān)于電纜加熱的鋪設(shè)方案要綜合考慮，比較復(fù)雜。所以目前這種方法并沒有大面積進(jìn)行采用，只在立交坡道、橋梁、機場等較為關(guān)鍵的交通區(qū)域采用了這種方法。

(2)導(dǎo)電混凝土。導(dǎo)電混凝土主要是采用導(dǎo)電材料替代混凝土中的骨料，從而使得混凝土在滿足基本的力學(xué)性能同時還增加了導(dǎo)電的功能。導(dǎo)電混凝土因為自身的電阻作用，在通電的情況下將產(chǎn)生熱能傳遞到路表面，進(jìn)而達(dá)到融雪化冰的目的。導(dǎo)電材料一般采用鋼或碳纖維、炭黑、石墨等。

美國芝加哥OHare國際機場曾將導(dǎo)電混凝土應(yīng)用在其機場跑道上，在其內(nèi)不僅滿足了跑道的基本使用要求，還取得了良好的融雪化冰效果。美國的SherifYehia等人利用鋼纖維鋼屑制備混凝土，并對其進(jìn)行力學(xué)性和導(dǎo)電性的研究。研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維導(dǎo)電混凝土的電阻率會隨著時間增長而逐漸變大，這是由于在水泥的堿性環(huán)境中，表面產(chǎn)生氧化鈍化層，從而導(dǎo)致電阻率變大。而在電壓恒定的情況下，電阻越大，產(chǎn)生的熱量越小，這對于融雪化冰來說是不利的。武漢理工大學(xué)基于能量守恒原理研究了不同導(dǎo)電混凝土電熱層的層位布設(shè)對路面融雪化冰效果的影響，西南科技大學(xué)研究了石墨摻入到鋼纖維導(dǎo)電混凝土中的可行性，并將不同摻量的鋼纖維和石墨制成混凝土，研究其強度及導(dǎo)電率的變化。N.Banthia等人將碳纖維和鋼纖維分別制成混凝土，并將碳、鋼纖維混合制成混凝土，研究了三種不同導(dǎo)電混凝土的電阻率差異。侯作富等人主要研究了碳纖維導(dǎo)電混凝土與不同氣候條件下升溫規(guī)律與功率之間的關(guān)系以及相關(guān)控制系統(tǒng)。

上述各方面對導(dǎo)電混凝土加熱技術(shù)的研究，在一定程度上使得該項技術(shù)不斷擁有完善，不過*主要的問題還是其電阻率會在使用過程中逐漸變大，影響到融雪化冰效果的效率。另外，導(dǎo)電混凝土的整體造價較貴，使用成本也較高，暫時難以實現(xiàn)大規(guī)模的利用。

地?zé)峒訜嵯到y(tǒng)

 地?zé)峒訜嵯到y(tǒng)的來源既可以是淺層土壤內(nèi)的熱能，也可以是地下熱水和蒸汽，根據(jù)利用的熱源方式不同可以分為地?zé)峁芗夹g(shù)和基于道路集熱的熱流體法。

 (1)熱管技術(shù)。地?zé)峁芗夹g(shù)原理主要是將淺層土壤內(nèi)的地?zé)嵬ㄟ^熱管內(nèi)的介質(zhì)傳遞到路表面，使得路表面的溫度維持在0℃以上，防止路面積雪結(jié)冰。

地?zé)峁芗夹g(shù)*早出現(xiàn)在美國新澤西。在該州的Trenton公路上，熱管被埋設(shè)在道路表面5cm下。冬季當(dāng)?shù)?m左右深度的地下溫度一般在8.8～13.8℃，在暴風(fēng)雪條件下，熱管內(nèi)介質(zhì)溶液溫度可達(dá)到4.4～11.1℃。當(dāng)外界環(huán)境的溫度條件在－6.7～1.7℃時，道路表面的融雪速率可達(dá)到0.6～1.25cm/h。除此之外，在西弗吉尼亞橡樹山一個公路坡道和懷俄明州夏延附近的兩個坡道上都進(jìn)行1:1比例的試驗，這兩個坡道的坡度均達(dá)到7%，984m2的路面共使用了177根熱管，系統(tǒng)運行效果理想。通過地?zé)峁芗訜岬姆椒▏鴥?nèi)還沒有找到相關(guān)使用的報道，但是從國內(nèi)某科研基地相關(guān)試驗路段反饋的效果來看是比較好的。但是這種方法存在一個較大的缺陷，即在較長使用時間后由于地?zé)崴鎯Φ哪芰坎蛔銜?dǎo)致其使用效果下降顯著。除此之外，地理條件(熱源)的影響也是一個重要的使用條件。

(2)地?zé)崃黧w加熱技術(shù)。地?zé)崃黧w加熱技術(shù)是通過管道將地下熱水或地?zé)嵴羝斔偷铰访?，或者將熱水直接流過路表面進(jìn)行融雪除冰。

美國*早在俄勒岡州克拉馬斯安裝了地下熱水加熱系統(tǒng)。初期采用鐵管，防凍劑采用40%乙二醇水溶液，系統(tǒng)熱源來自附近的地?zé)峋Ｓ捎阼F管容易被腐蝕而發(fā)生滲漏，在運營50年后拆除了原有路面，加入碎石基層，并將鐵管換成了聚乙烯管，在布設(shè)管道的時候與路面加筋鋼筋并行以充分保護(hù)管道。日本福井市曾經(jīng)直接將地下熱水噴灑到道路表面進(jìn)行除冰，地下熱水的初始溫度大約為15℃，在經(jīng)過埋設(shè)在人行道下的換熱管時溫度降到了7.2℃，在融化了人行道上的積雪后，熱水噴灑到臨近的路面上。但是這種方法存在問題較多，一方面極易導(dǎo)致路基發(fā)生沉降，另一方面環(huán)境溫度過低會影響到使用效果，利用完的地下熱水也要重新收集起來，一旦結(jié)冰會使得情況更加嚴(yán)重。所以日本在1990年后逐漸采用其他有效的方法進(jìn)行替代。在阿根廷Copahue－Caviahue地?zé)釁^(qū)，城市道路利用地?zé)嵴羝到y(tǒng)進(jìn)行路面加熱，地?zé)嵴羝ㄟ^管道從1400m深的地?zé)峋斜灰觥?/span>

總體來說，這種技術(shù)還是比較復(fù)雜的，因為涉及的方面太多，如道路、橋梁以及各種地下設(shè)施等。整個系統(tǒng)的建設(shè)周期較長、投資也較大。并且系統(tǒng)已經(jīng)安裝，后期的改造和維護(hù)調(diào)整也比較麻煩。所以，國外目前著重采用模型分析和數(shù)值計算進(jìn)行理論分析。只有進(jìn)行充分的研究、增加技術(shù)水平，才能進(jìn)一步促進(jìn)該項技術(shù)的應(yīng)用。

(3)非地?zé)峒訜嵯到y(tǒng)。非地?zé)峒訜嵯到y(tǒng)主要是利用除地?zé)嶂獾钠渌麩崮苓M(jìn)行路面除冰，如廢水、城市供水預(yù)熱、燃?xì)饧訜岬取Ｔ诿绹⒛固乜h的一座橋梁上就修建了非地?zé)峒訜嵯到y(tǒng)。通過燃燒丙烷產(chǎn)生的熱量對抗凍循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行加熱，而熱棒底部的蒸發(fā)段在經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)加熱后將熱量經(jīng)管內(nèi)介質(zhì)傳遞至橋梁表面。*初熱管中使用的介質(zhì)是氟利昂，但是使用的效率很差，后期更換為氨。該座橋梁長、寬分別為35m、13m，總共使用了3.2km的鋼管和241根管，加熱系統(tǒng)造價占總造價的27.3%。目前，國內(nèi)針對這方面的研究停留在理論分析上，實際應(yīng)用不多。該項技術(shù)的關(guān)鍵在于如何確保各個部件的密封以及管道的防腐蝕。另外，其建設(shè)成本也較高，主要是管道在埋設(shè)過程中的挖掘鉆探，后期的維修也是較大的問題。

(4)紅外加熱法。紅外加熱法主要是利用紅外發(fā)熱原理，直接照射冰雪使其融化。該方法技術(shù)簡單、對環(huán)境無污染、并且便于移動，目前主要應(yīng)用在機場跑道除冰較多。2003年，約翰肯尼迪國際機場第12跑道飛機庫修建了紅外飛機除冰設(shè)備。使用情況表明，紅外加熱法不僅除冰效果明顯，與傳統(tǒng)方法相比，其效率更高、成本更低、對環(huán)境也無污染。但是該方法也存在一定缺陷，只能融化一定厚度的冰雪，且除冰效果受到外界環(huán)境條件影響較大，如燈管照射距離等。

結(jié)論與發(fā)展建議

隨著我國對發(fā)展要求的不斷提高，原始的機械除雪以及需要犧牲生態(tài)壞境的融雪劑方法將會逐漸被淘汰，針對相關(guān)有效、環(huán)保的融雪化冰技術(shù)的要求越來越強，這也是我國相關(guān)科研研究發(fā)展的大趨勢?？傮w而言，我國在融雪化冰方面與國外仍有很大的差距。在熱力融雪化冰技術(shù)方面的發(fā)展，應(yīng)注重以下幾方面的研究:

 (1)加強熱力融雪化冰技術(shù)的基礎(chǔ)研究，對路用性能和融雪功能之間的差異進(jìn)行平衡，提高相關(guān)技術(shù)的可推廣性;

 (2)加強熱力融雪技術(shù)的環(huán)保性能與**性能研究，提出相關(guān)規(guī)范指標(biāo);

 (3)根據(jù)不同地區(qū)的特點因地制宜，提出符合地區(qū)特點的融雪方案，根據(jù)實際情況，將各種不同融雪技術(shù)進(jìn)行綜合運用，達(dá)到**效果。