高速公路不同主动智能除冰技术对比分析

熊 行， 张 滔， 黄 馨， 杜召华

(1.湖南省平益高速公路建设开发有限公司， 湖南 岳阳 414000； 2.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

0 引言

道路积雪结冰极易诱发交通事故，是影响行车安全的最不利气象条件之一。冬季的降雪通常会以浮雪、积雪和积冰3种形式滞留于路面。正常干燥沥青路面的摩擦系数为0.6，雨天路面摩擦系数降为0.4，雪天则降为0.28，结冰路面仅有0.18；结冰路面汽车制动距离是干燥路面的6～7倍，且易造成车辆打滑或侧翻，路面积雪结冰时的事故发生率是干燥路面的5～10倍。

智能防冰除冰技术是近年来兴起的综合性技术，其最基本的理念就是将气象信息与防冰除冰统筹考虑，结合了传统除冰手段和工业自动控制技术、计算机软件技术以及传感器技术，是一种具有预见性的防冰技术，使除冰模式从被动向主动转变。该技术通过全自动的冰雪灾害预警、结冰预防措施、控制清除冰雪方法，大幅提高了场地冰灾应急处理的响应速度。智能防冰除冰系统初期建设投入较大，但其具有长期有效、智能化信息化程度高、主动性强等优点。本文主要介绍4种应用较为广泛的主动智能除冰技术，通过对其全面的分析和研究，进行多个维度的横向对比，展望其各自的应用推广前景[1-2]。

1 主动智能喷淋除冰技术

主动智能喷淋除冰系统综合利用气象、机电、给排水、通信等多学科领域最新技术成果，实现对道路上结冰状况的实时监测，并通过自动控制子系统对数据进行判别及对喷淋子系统进行控制，利用路侧的喷淋装置喷洒适量的环保型除冰剂，清除桥面的冰雪，保障冰冻季节行车安全和畅通。该系统主要由智能控制平台、无人智能喷淋子系统、除冰液输送子系统3个模块组成[3-4]。

1.1 智能控制平台

智能控制平台是整个系统的大脑，主要由路侧传感装置、云平台和智能控制终端组成。平台针对雨雪、冰冻等灾害性天气，基于多传感器处理和分析技术，对路面状况信息、气象数据进行分析，将各种传感器采集的数据建立数学模型，对结冰时间进行预判，提前预警道路结冰情况，并通过控制子系统及时采取相应技术措施。

1.2 无人智能喷淋子系统

无人智能喷淋子系统是整个系统的执行者，主要由无人驾驶车辆、智能射雾器、电磁流量计、压力传感器、电动截止阀、电磁开关阀、液压管道和储液罐等组成。

1.3 除冰液输送子系统

除冰液输送子系统是整个主动智能喷淋除冰技术系统的后勤部，主要功能是储存除冰盐、制备除冰液，由除冰剂储存罐、除冰液制备池、进水控制装置等组成。当储存罐中的除冰剂即将用尽时，系统能够自动按照设定的配比参数进行配液，也可自动发送提示信息到终端进行提醒。

主动智能喷淋除冰系统通过传感器对现场数据进行采集，并通过智能控制平台的预测算法对结冰进行精准预测，具有提前预测、精准作业的特点。智能控制平台控制无人智能喷淋子系统和除冰液输送子系统进行除冰液的预喷淋，从而实现除冰目的，除冰效率较高。该系统的建立对已建成的高速公路几乎没有破坏，易推广。

2 导电超薄磨耗层融冰技术

导电超薄磨耗层智能主动抗冰系统主要由路面状态感知子系统、自动控制子系统、路面发热子系统组成，采用低电压通电加热的方式实现路面冰雪的快速融解。路面发热子系统技术与常规喷淋系统差别较大，它以环氧树脂为黏结料，通过掺入石墨、碳纤维等导电材料或者直接采用碳纤维格栅，使其具有电热转变能力[5-6]。

路面发热子系统结构一般由隔热黏结层、导电功能层及抗滑磨耗层组成，其中隔热黏结层起到与下层的原铺装层牢固黏结、阻隔热量向下传导的功能；导电功能层的小电阻特性使其具备24 V电压下的电-热转变能力；抗滑磨耗层具有较大的构造深度和抗滑能力，其系统结构如图1所示。

图1 路面发热子系统结构示意

材料选型是该系统设计的关键，导电超薄磨耗层作为路面的一种薄层罩面材料，在实际工作状态下需满足融雪化冰功能。要求其同时具备良好的导电性、耐久性和路用性能，各分层对构成材料的物理和化学特性需求各有侧重。

2.1 导电组分材料

碳基材料满足导电功能层对于导电导热性能强、化学性质稳定的需求。石墨是一种较易获取的无机材料，不仅具有良好的导电、导热性，还具有良好的化学惰性，是一种很好的导电填充材料。碳纤维耐高温，耐摩擦，耐腐蚀，化学性能稳定，能导热和导电，也是制备路面抗冰用导电混凝土的一种理想导电组分材料，但考虑到在制作过程容易出现打结和团聚现象，需要对其进行短切工艺处理，形成如图2所示的短切碳纤维。

图2 短切碳纤维

2.2 黏结材料

环氧树脂是由环氧树脂为基的双组分耐高温胶黏剂，工作温度为-50～180 ℃，短时可达250℃，具有良好的路用性能，适用于导电覆层的主体黏结材料。

2.3 磨耗层材料

导电功能层强度较低，难以承受交通荷载作用，因此，需在导电功能层表面撒铺一层磨耗碎石，以起到抗磨耗和分散应力的作用。碎石具有良好的硬度和耐磨性能，往往选用粒径2～3 mm的黑刚玉作为磨耗层碎石材料。

导电超薄磨耗层融冰系统相比于传统道路除冰技术和主动智能喷淋抗冰系统，具有工作状态稳定、耐用性强的特点。其除冰手段主要依靠电能转化为热能，对自然环境的污染为零，除冰的效率较高。但该系统在已经建成的高速公路上推广，会对高速公路运行产生一定的影响，且随着路面的损耗，会对预埋的导电碳纤维层造成影响，后期维护成本高，更适用于一些短距离易结冰的特殊路段。

3 预埋发热电缆融冰技术

预埋发热电缆融冰系统主要由路面状态感知子系统、自动控制子系统、发热电缆子系统等组成，通过内置的温度传感器及外置的环境传感器获取路面的实际状态，当道路达到凝冰状态(路面温度<2 ℃)前2 h，启动发热电缆供热装置，加热路面，改变路面的凝冰环境，当路面温度>2 ℃时，加热系统会自动中断，从而实现节约能源的效果。发热电缆应满足易安装、耐高温、安全耐老化、不污染环境等要求。[7-9]

该系统关键技术点为隔热层和发热电缆铺设的设计与施工。隔热层布置在原铺装层上方，一般是在黏结层中添加隔热剂。发热电缆铺设在两层沥青混凝土之间，铺设型号和铺设方式需要经过提前计算和设计来确定。

3.1 电缆热力学数值模拟

依据发热电缆融雪系统的初步设计方案，采用ANSYS中FLUENT模块建立数值分析模型，对发热电缆融雪系统进行数值模拟和数据分析，考虑不同发热电缆间距工况下的热力学响应，对工作状态下的融冰效率进行分析，同时就热量传递过程对道路结构安全的影响进行评估。

通过考虑温度及汽车荷载的共同作用对路面进行有限元模拟计算，可依据当地气候环境特点进行发热电缆铺设方式设计；同时由仿真数据控制融冰工作所产热能对路面结构的影响在安全范围之内，避免对沥青混凝土路面带来不利影响。

3.2 施工工艺

隔热层施工：为保证隔热层材料能够和原铺装层之间进行有效黏结，在原铺装层铺设完毕应进行透层及黏层的施工。透层、黏层沥青洒布后不应流淌，并不得在表面形成沥青油膜。

发热电缆铺设：加热电缆应按照标定的电缆间距和走向铺设。加热电缆应保持平直，电缆间距的安装误差不应大于10 mm。

路面预埋发热电缆融冰系统相较传统道路除冰技术和主动智能喷淋抗冰系统，同样具有工作状态稳定、耐用性强、除冰效率高、环保等特点。由于其保护层较厚，若在已建成的高速公路路面上推广，对结构影响更大，建设成本也相对较高，但其耐久性能更好。该系统较适用于短距离易结冰的路段，尤其适用于桥梁隧道等运维难度大的特殊路段。

4 相变储能材料防冰技术

相变储能材料是一种应用潜力巨大的储能材料，广泛应用于各大行业，近几年开始应用于道路交通行业。相变储能材料通过变化自身相态，起到温度阻尼器的作用；温度升高时，吸热储能；温度降低时，释放热能，从而达到除冰的作用。[10-12]

4.1 相变储能材料

相变储能材料的选定，是相变储能材料防冰技术的关键，现有的优质相变材料种类有限，主流的相变材料为烷烃类和脂肪酸类。发现或合成一种相变温度适宜、相变焓值大、热稳定性好、成本可控的相变材料，仍是当今持续性研究的重难点。

4.2 施工方式

目前将相变材料应用于道路除冰的方法主要分为两种：直掺法和胶囊法。直掺法是将相变材料和沥青混合料以一定比例混合后进行道路铺设。直掺法虽然施工简单，但因为相变材料直接暴露在外，车辆碾压、气候影响等因素容易造成相变材料的流失；同时，相变材料的加入可能改变沥青混合物的物理特性，会对道路工程质量造成一定影响。胶囊法是通过一个载体材料，将相变材料包裹，然后加入沥青混合料中进行道路铺设。相比直掺法，虽然施工工艺较复杂，但其稳定性得到了保障，对沥青混合物的影响也在可控范围，是目前主流的施工方式。直掺法虽然施工方便，但由于其局限性比较大，在新的相变材料被发现前，很难推广开来。

相变储能材料防冰技术相比上述系统具有施工简单、建设成本低、运维相对简便等优点，但其除冰效率较低，主要原理是通过相变材料自身的热能转换达到除冰效果，储存的热能有限，缺少人工主动干预的窗口，因此更适用于南方地区偶尔结冰的路段。

5 技术指标差异性分析

通过上述分析发现，各种主动智能除冰技术在实际应用场景中各有优缺点，可在除冰效率、建设成本、运营成本、维护成本、环境影响和适用范围等6个维度上进行定性评判和对比。首先，除冰效率最为关键，高效的除冰效率可以在最短的时间内实现除冰融雪，达到安全通行的要求。其次，经济效益也应重点考虑，具体表现为建设成本、运营成本和维护成本。建设成本主要为一次性建设投入的成本大小；运营成本是指在正常使用过程中投入的材料、电费以及信息化系统维护费用等；维护成本是指可能出现的损耗、故障，维修造成的资金成本。经济效益的对比在南方地区尤为重要，南方地区结冰时间相对较短，具有突发性，但往往驾驶员重视不够、经验不足，易引发交通事故，需平衡好安全与投入的关系。环境影响主要是除冰设施和材料在建设过程中产生的废弃物对环境的影响，如除冰过程中所使用的除冰盐、除冰液等材料造成的环境污染大小。适用范围主要考虑地域性差异、地形地貌、路面桥面结构类型和不同气候气象条件等的适用性情况。评判各主动智能除冰技术的技术指标如表1所示。

表1 除冰技术指标评定情况指标分类说明分值/分 备注指标分类说明分值/分 备注除冰效率除冰响应迅速,除冰效果显著除冰响应较快,除冰效果较好除冰响应缓慢,除冰效果一般321主要考虑除冰响应速度的快慢,以及除冰效果情况建设成本施工难度大,建设成本较高施工难度较大,建设成本一般施工难度小,建设成本低123主要考虑的是施工难度造成的时间成本和建成的资金成本运营成本建成后运营成本较高建成后运营成本一般建成后运营成本低123维持系统运行的资金成本维护成本系统维护成本较高系统维护成本一般系统维护成本低123系统运行期间出现损耗、故障,维修造成的资金成本环境影响系统运营对环境影响较大系统运营对环境影响一般系统运营对环境影响小123除冰过程中所使用的除冰盐、除冰液等材料造成的环境污染大小适用范围适用路段较多适用路段一般适用路段少321主要考虑地域、地形以及气候条件下的适用性

综合上述4种主动智能除冰技术的分析和研究，结合各技术在高速公路实际应用中的优点和不足，形成了如表2所示的差异性对比。总的说来，导电超薄磨耗层融冰技术和主动智能喷淋抗冰技术在除冰效率、经济效益以及适用性方面略占优势，在一些有条件的路段可以适当运用和推广。

表2 高速公路不同主动智能除冰技术差异性对比分名称除冰效率建设成本运营成本维护成本环境影响适用范围小计主动智能喷淋抗冰技术21222312导电超薄磨耗层融冰技术22213313预埋发热电缆融冰技术31113211相变储能材料防冰技术11322110

6 结论

详细介绍了国内外道路常用的主动智能喷淋抗冰、导电超薄磨耗层融冰、预埋发热电缆融冰与相变储能材料防冰等4种主动智能除冰技术，对其工作原理、技术难点、环境适应性、运维成本、除冰效率、适用范围等进行了对比分析和探讨。通过对比发现，各种新型除冰技术相比传统除冰方式都有较为显著的改进和优势，不同技术间除冰效率、成本和环境适用性有较大差异，其中，导电超薄磨耗层融冰技术和主动智能喷淋抗冰技术在高速公路应用中略占优势。