(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院 河南 開(kāi)封 475004)

道路冰情檢測(cè)及除冰雪技術(shù)綜述

鄭淮林張波趙孟偉

(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院 河南 開(kāi)封 475004)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球公路里程不斷增加，道路結(jié)冰積雪帶來(lái)的問(wèn)題日漸凸顯，造成的損失也在逐年上升。在此背景下，對(duì)于路面冰情檢測(cè)以及消除冰雪的技術(shù)亟待研究，如果能在道路結(jié)冰時(shí)快速檢測(cè)，就能提前發(fā)出預(yù)警，也可及時(shí)采取措施減少危害，另一方面及時(shí)除冰雪也能降低危害。本文就國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)介紹國(guó)內(nèi)外路面冰情檢測(cè)以及除冰雪的技術(shù)，有利于推動(dòng)我國(guó)道路交通安全，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)保駕護(hù)航。

道路；冰情檢測(cè)；傳感器；除冰技術(shù)

一、冰情檢測(cè)傳感器

從二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始,歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始了有關(guān)冰情檢測(cè)的研究，根本上是以智能傳感器來(lái)探測(cè)路面結(jié)冰的方式為主，經(jīng)過(guò)六十多年的研究已經(jīng)初具規(guī)模，冰情檢測(cè)傳感器相關(guān)技術(shù)也得到極大發(fā)展。

①壓差式傳感器：通過(guò)兩探頭之間就會(huì)產(chǎn)生壓力差得到結(jié)冰狀況的信號(hào)；②障礙式結(jié)冰傳感器通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)刮板轉(zhuǎn)矩，在預(yù)先設(shè)置好的轉(zhuǎn)矩點(diǎn)結(jié)冰傳感器給出除冰信號(hào)③振動(dòng)式結(jié)冰傳感器的原理是利用振動(dòng)體諧振頻率的變化來(lái)判斷物體表面是否有冰。④超聲式結(jié)冰傳感器：在物體的表面安裝一套超聲波的發(fā)射和接收裝置，通過(guò)計(jì)算物體表面內(nèi)的彎曲彈性波來(lái)得出冰層的厚度。⑤熱流式結(jié)冰傳感器:通過(guò)分析流過(guò)物體表面熱流的變化來(lái)區(qū)分物體表面存在的沾染物(霜、冰、非冰流體等)。⑥電容式結(jié)冰傳感器:比較建立在兩個(gè)電容上的瞬態(tài)電壓，邏輯電路就可以確定出冰層的存在以及厚度。⑦光纖式結(jié)冰傳感器：通過(guò)檢測(cè)接收光信號(hào)的強(qiáng)度能區(qū)分物體表面是否有冰。⑧微波式結(jié)冰傳感器：通過(guò)檢測(cè)諧振頻率的偏移量就可以算出冰層的厚度。⑨紅外線結(jié)冰傳感器：利用多波長(zhǎng)紅外線在水中或冰中的光吸收系數(shù)的不同來(lái)確定和檢測(cè)冰或水的厚度。該方法可以測(cè)量從幾個(gè)微米到幾個(gè)厘米冰(水)的厚度。

二、除冰雪技術(shù)

道路冰情檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用雖然一定程度上能為預(yù)警帶來(lái)方便，但是實(shí)時(shí)除冰融雪才是消除冰情雪情危害的關(guān)鍵。目前比較普遍采用的除冰融雪方法主要有: (1) 人工除冰雪; (2) 化學(xué)融冰雪;(3) 機(jī)冰械除雪; (4) 物理除冰雪。后三種方法在大面積除冰融雪時(shí)為主要采用的方式，但它們也各有利弊。

(1) 人工除冰雪。相對(duì)來(lái)說(shuō)最為環(huán)保，而且除冰雪效果最好，除冰雪率能達(dá)到100%，更有利于道路行車(chē)安全，但是相對(duì)清掃面積小，效率低，而且耗費(fèi)大量人力物力。

(2) 化學(xué)除冰融雪法?；瘜W(xué)除冰融雪法主要是通過(guò)拋灑工業(yè)氯鹽來(lái)達(dá)到目的。最早于二十世紀(jì)三十年代在美國(guó)開(kāi)始使用，九十年代，美國(guó)每年除雪用掉氯鹽類“化冰鹽”上千萬(wàn)噸。但是在人們享用著“化冰鹽”高效廉價(jià)的除雪特點(diǎn)的時(shí)候，也付出了較大的代價(jià)。融雪劑對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重:目前我國(guó)各地區(qū)在除冰雪過(guò)程中均大量采用氯鹽類融雪劑進(jìn)行融冰除雪，每年有數(shù)千萬(wàn)噸的氯鹽類融雪劑撒在公路上，流入公路兩側(cè)，致使公路兩側(cè)環(huán)境遭到破壞，植被枯死，飲用水遭到污染。

① 撒鹽粒和撒砂：由于撒鹽粒和撒砂比較方便，在冬季來(lái)臨之前，可儲(chǔ)備一定的量，下雪后用機(jī)械或人工撒布，使用方便，除下雪量大的地區(qū)外均可使用。撒鹽粒后到雪的溶化需有一個(gè)過(guò)程，而鹽粒溶化成鹽水后才能使雪溶化。一般均為過(guò)量撒布，而且必須要有專用的撒布設(shè)備。據(jù)資料介紹，美國(guó)2008年消耗了22.6 X 106噸這樣的融雪材料。撒鹽的副作用是，鹽對(duì)路而、公路設(shè)施、土壤、農(nóng)作物、地表水、水生物等產(chǎn)生腐蝕污染。

②撒濕鹽：撒鹽粒時(shí)易引起反彈，為了減少鹽粒的反彈，撒鹽粒前先將鹽粒頂濕，濕的鹽粒減少了反彈，但鹽粒頂濕后流動(dòng)性差。不過(guò)，鹽頂濕后加快了雪的溶化，但濕鹽易堵塞，所以對(duì)設(shè)備提出了更高的要求。

③灑鹽水：鹽化成鹽水后除冰雪更快速，且鹽水不反彈，鹽水更易于均勻地流淌于路面，而且一般用鹽水除雪可減少:30%的用鹽量。但是噴鹽水前需要增加化鹽設(shè)備，且由于鹽水的腐蝕性大，儲(chǔ)存和擾動(dòng)設(shè)備等必須要有防腐措施。

(3) 機(jī)冰械除雪。①除雪犁(推雪板)：可安裝在汽車(chē)、裝載機(jī)、平地機(jī)等多種動(dòng)力機(jī)械上，這種除雪方式的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換裝容易、機(jī)動(dòng)靈活、效率高，適宜于清除有一定厚度的新雪。只要是經(jīng)常下雪的地區(qū)，均可按常規(guī)裝備除雪犁，并可采用隨時(shí)下雪隨時(shí)清除的方法。在不經(jīng)常下雪的地區(qū)，除雪犁作為儲(chǔ)備裝置，一旦下雪，就在動(dòng)力機(jī)械上安裝除雪犁進(jìn)行除雪作業(yè)。因此，除雪犁的裝備范圍較廣，而且裝備成木低。安裝專用的清掃滾除雪。

②旋轉(zhuǎn)除雪機(jī)(拋雪機(jī))：集雪螺旋主要完成積雪的切削、輸送，其葉片一般布置為左右旋向，便于雪從兩邊向中間運(yùn)動(dòng)至拋雪風(fēng)扇處。拋雪風(fēng)扇葉片為輻射狀，進(jìn)入風(fēng)扇的雪在高速旋轉(zhuǎn)葉片離心力作用下，沿著葉片表而運(yùn)動(dòng)至風(fēng)扇殼體頂部開(kāi)口處拋出，由拋雪筒導(dǎo)向合適區(qū)域。旋轉(zhuǎn)除雪機(jī)成本較高，一般用于天氣寒冷、雪量大的地區(qū)

③滾切除冰機(jī)：由牽引車(chē)牽引，其由一個(gè)滾切輪和刮刀組成。滾切輪有液壓機(jī)構(gòu)升降，作業(yè)時(shí)滾切輪貼近冰而。在設(shè)備的重力作用下，滾切輪對(duì)冰而產(chǎn)生一定的壓力，隨著除冰機(jī)前行滾切輪將冰而切碎，破碎的冰渣由刮刀清除。

④沖擊除冰機(jī)：由牽引車(chē)牽引，其由沖擊除冰轉(zhuǎn)子和機(jī)架等組成。沖擊除冰轉(zhuǎn)子由副發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)液壓機(jī)構(gòu)升降，可調(diào)節(jié)其與冰而的距離。沖擊除冰轉(zhuǎn)子上安裝有多排沖擊除冰器，每個(gè)沖擊除冰器的本體由鋼絲繩組成，在鋼絲繩的兩端鉚接有沖擊頭，內(nèi)側(cè)用壓板固定于沖擊除冰轉(zhuǎn)子軸上。沖擊除冰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沖擊頭敲擊冰面，冰面因被敲擊而破碎。

(4) 物理除冰雪。主要以美國(guó)、日本、北歐等國(guó)家為代表，在該領(lǐng)域開(kāi)展了大量的理論研究和示范工程。物理類融雪除冰方法是較為理想的方法，因此各國(guó)在這方面都有大量的研究，而且取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成果，也形成的各式先進(jìn)的方式。

①熱力融冰雪類技術(shù)：利用地?zé)?、燃?xì)?、電或太?yáng)能等產(chǎn)生的熱量使冰雪融化，如地?zé)峁芊?、電熱絲法、紅外線燈照加熱法、太陽(yáng)能加熱法、發(fā)熱電纜法等。主要是利用鋪設(shè)于路面內(nèi)的能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)化裝置，將其他形式的熱能儲(chǔ)存于該裝置內(nèi)，在路面積雪時(shí)，將能量釋放，使路面積雪融化，并以蒸汽與水的形式排除掉。具有融雪化冰速度快、安全和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)路面材料、路面結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)施工都有特殊、嚴(yán)格的要求，工藝復(fù)雜，能耗較大，費(fèi)用較高，維修養(yǎng)護(hù)時(shí)需要路面開(kāi)挖，目前在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。

②抑制凍結(jié)鋪裝類技術(shù)。抑制凍結(jié)鋪裝類技術(shù)是通過(guò)在路面鋪裝材料內(nèi)添加一定量的特殊材料，改變路面與輪胎的接觸狀態(tài)和路面的變形特性，利用添加的特殊材料的變形能力較強(qiáng)的特性，通過(guò)路面在外荷載作用下產(chǎn)生的自應(yīng)力，使路面冰雪破碎融化，從而有效抑制路面積雪和結(jié)冰。

橡膠顆粒填充混合料：摻入橡膠顆粒的瀝青路面是利用橡膠顆粒彈性的物理式凍結(jié)抑制路面，該路面的基本概念是在20世紀(jì)70年代由瑞典道路研究所提出的。

鑲嵌類鋪裝技術(shù)：在普通瀝青路面鋪筑完成后，通過(guò)一定的施工工藝將彈性材料鑲嵌在路面表面，單純利用彈性變形降低冰雪對(duì)路面的粘結(jié)程度，從而提高冰雪破碎的機(jī)率，從而破除路面積雪結(jié)冰。

粗糙型鋪裝技術(shù)：采用大粒徑、開(kāi)級(jí)配瀝青混凝土鋪筑面層，增加面層的粗糙度。冰凍后，行車(chē)輾壓時(shí)，水平力的作用使結(jié)凍層很快被磨耗掉，也增加了制動(dòng)效果。

[1]許元杰.國(guó)內(nèi)外公路除冰雪技術(shù)現(xiàn)狀及加熱除冰雪方式探討[J].《四川建筑》.2012

鄭淮林，男，漢，河南信陽(yáng)，在讀本科生，研究方向土木工程路橋方向；張波，男，漢，河南新鄭，在讀本科生，研究方向土木工程路橋方向；趙孟偉，男，漢，河南周口，在讀本科生，研究方向土木工程建工方向。