黎一豪，夏嫣姿，李勝澤

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

0 引言

道路冰雪災(zāi)害每年對我國橋梁的正常運(yùn)行帶來極大的影響。在冬季氣溫驟降、空氣濕度大的時候，橋面極易形成不易融化的壓實(shí)冰層，從而導(dǎo)致突發(fā)交通事故的發(fā)生或造成橋面交通擁擠，或某些橋梁因排水措施不夠完善，導(dǎo)致滴水冰錐出現(xiàn)。我國歷年來因冬季冰凌而引發(fā)的交通事故約占全年交通事故的30%[1]，對道路行車造成了極大的隱患。

1 現(xiàn)有處理方案及其不足之處

（1）鋪設(shè)防水材料。目前，橋梁經(jīng)常在瀝青混凝土橋面上鋪設(shè)防水材料，增強(qiáng)橋面疏水性從而防止積雪融化積水導(dǎo)致冰凌產(chǎn)生。但目前使用的材料存在大量問題，例如粘結(jié)難度大、養(yǎng)護(hù)困難、漏水隱患大、耐久性差等。

（2）冰凌產(chǎn)生后進(jìn)行除冰?，F(xiàn)有的道路除冰措施主要分為以下四種：機(jī)械法、化學(xué)法、微波法、熱力法。但是其都有各自不可忽視的缺陷，例如機(jī)械法易造成不必要的道路安全隱患與交通擁堵；鹽類融雪劑易對橋面等道路設(shè)置造成腐蝕性損害，加速老化，醇類融雪劑對周邊環(huán)境影響較大且有反結(jié)冰的風(fēng)險；而微波法與熱力法等方法存在實(shí)現(xiàn)難度大、應(yīng)用范圍狹窄等問題。

（3）通過設(shè)計(jì)排水孔排水防止冰凌產(chǎn)生。傳統(tǒng)橋梁為防止冰凌產(chǎn)生，通過增加橫坡坡度、設(shè)置排水管道結(jié)構(gòu)，以緩解橋面結(jié)冰情況。但積雪融化后若氣溫得不到回升則會導(dǎo)致橋面產(chǎn)生積水，排水孔內(nèi)部冰凌不易融化，而橋面冰層融水則又堆積在排水孔周圍，夜間產(chǎn)生復(fù)凍，從而導(dǎo)致排水孔下方冰錐產(chǎn)生嚴(yán)重。

2 冰凌產(chǎn)生原因分析

（1）立交橋混凝土采用普通瀝青、粗細(xì)骨料、礦粉等填充物制成。雖然瀝青具有一定的防水性能，但是在低溫條件下，該種材料比熱容較小、控溫能力差，導(dǎo)致橋面迅速降溫，易脆化開裂，使防水功能喪失，發(fā)生滲水等狀況。

（2）橋梁混凝土存在問題。傳統(tǒng)的普通混凝土的防滲水措施采取用水泥砂漿包裹粗集料的方法，而在施工時，水泥漿中多余水分蒸發(fā)時會留下難以避免的氣孔，在溫度較低的情況下，一旦水滲入混凝土的較大空隙內(nèi)，或混凝土的含水量較高時，容易發(fā)生凍脹現(xiàn)象；并且由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，在氣溫驟降時，混凝土內(nèi)外部形成較大溫差，溫度梯度限制了混凝土的徐變性能，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)易遭到破壞，從而產(chǎn)生裂紋。

（3）橋梁排水管道的材質(zhì)問題。在施工過程中一旦出現(xiàn)管材與配件連接時因管口抹膠不均勻或沒有抹膠，有水流進(jìn)夾層無法排出，凍結(jié)后將管壁撐裂導(dǎo)致漏水[2]。同時 PVC需要長期遭受外界比較惡劣環(huán)境的影響，聚合物會發(fā)生降解交聯(lián)等老化行為，表現(xiàn)為變色開裂、發(fā)霉等，使材料力學(xué)性能劣化，從而失去使用性能[3]。

3 新建橋梁除冰技術(shù)研究

3.1 橋體導(dǎo)電瀝青混凝土的應(yīng)用研究

現(xiàn)有橋面普遍使用的普通瀝青混凝土是電的不良導(dǎo)體，無法產(chǎn)生電熱效應(yīng)進(jìn)行除冰凌操作，故設(shè)想通過導(dǎo)電瀝青混凝土代替現(xiàn)有使用的普通瀝青混凝土，增強(qiáng)其導(dǎo)電性，通過電流的熱效應(yīng)，加強(qiáng)橋面的融雪除冰凌的能力。導(dǎo)電瀝青混凝土是通過在普通瀝青混凝土中摻入一定量的導(dǎo)電相材料，使其擁有良好的導(dǎo)電性能。使用導(dǎo)電瀝青混凝土可以有效防止橋面結(jié)冰凌現(xiàn)象，也減少混凝土裂紋產(chǎn)生。引用導(dǎo)電瀝青混凝土作為橋面建筑材料具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢、巨大的應(yīng)用前景。

據(jù)相關(guān)資料顯示，隨著電極間距的增大，導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻迅速增加，導(dǎo)電發(fā)熱性能降低。工程應(yīng)用中，電極應(yīng)橫向相對安裝，適當(dāng)縮短電極間距，減少回路電阻，使其發(fā)熱性能維持在最佳狀態(tài)；同時，建議電極沿行車道橫向安裝[4]。

3.2 導(dǎo)電瀝青混凝土的溫敏特性

導(dǎo)電瀝青混凝土的溫敏特性指的是導(dǎo)電瀝青混凝土材料有著同復(fù)合導(dǎo)電高分子材料電阻相似的溫度效應(yīng)，其電阻率會隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生規(guī)律性變化，其中包括電阻的正溫度系數(shù)效應(yīng)（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)（NTC）。以石墨為導(dǎo)電相的25℃時的導(dǎo)電瀝青混凝土為例，其電阻特征會隨著環(huán)境溫度的多次循環(huán)后產(chǎn)生一定變化，如圖1所示。

圖1 電阻特征隨環(huán)境溫度的三次循環(huán)后變化示意

導(dǎo)電瀝青混凝土的體積膨脹系數(shù)約為6×10-4/℃，但一般不會小于5.5×10-4/℃，所以體積膨脹系數(shù)對導(dǎo)電粒子的接觸效應(yīng)和隧道效應(yīng)所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的影響最為直觀。因其具有溫敏特性，橋面溫度會對導(dǎo)電瀝青混凝土的通路形成產(chǎn)生影響。只有當(dāng)橋面溫度低于該導(dǎo)電相下的導(dǎo)電瀝青混凝土的某一閾值時，才能形成閉合回路，引發(fā)電熱產(chǎn)生，從而達(dá)到對橋面溫度的選擇性。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以結(jié)合降雪的實(shí)際情況選擇合適的電壓。在融雪功能運(yùn)作時，考慮到節(jié)能環(huán)保的因素，可對導(dǎo)電瀝青混凝土間歇性施加電壓或使用周期性電壓。這樣做還可以保護(hù)導(dǎo)電瀝青混凝土的溫敏特性，避免橋面溫度過高而對瀝青混凝土性能造成不必要的傷害。

3.3 導(dǎo)電瀝青混凝土的除冰凌原理

當(dāng)橋面溫度達(dá)到導(dǎo)電瀝青混凝土內(nèi)導(dǎo)電相形成閉合回路要求時，導(dǎo)電層形成通路，導(dǎo)電瀝青混凝土的溫度因電流熱效應(yīng)而升高，內(nèi)部表現(xiàn)為微觀粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動程度加劇，此時導(dǎo)電層與瀝青混凝土橋面的上、下面層形成溫差，導(dǎo)電層內(nèi)部的高能量粒子向上、下面層的低能量粒子傳輸能量，在同一物體內(nèi)部發(fā)生熱對流，達(dá)到對路面加熱的效果，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電瀝青混凝土橋面自熱融雪除冰凌的目的。

4 既有建橋梁除冰技術(shù)研究

4.1 橋面超疏水抗凝冰材料及其除冰凌原理

超疏水材料是依據(jù)“荷葉效應(yīng)”與低表面能而對水有排斥效應(yīng)的一種新型納米材料。為解決寒冷環(huán)境下橋梁結(jié)冰凌的現(xiàn)象，故設(shè)想在導(dǎo)電瀝青混凝土橋面上涂布一種涂膜類的超疏水抗凝冰材料[5]。超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)特殊，當(dāng)液體與固體接觸時，會在接觸處形成附著層。當(dāng)其內(nèi)部固體分子對液體分子的引力小于液體分子之間的引力時，液面呈現(xiàn)收縮的趨勢，形成液體的不浸潤現(xiàn)象。該材料可與導(dǎo)電瀝青混凝土配合實(shí)施，電熱效應(yīng)首先使產(chǎn)生的冰凌融化成水，或者直接使降雪即降即化，再排走橋面的水分，實(shí)現(xiàn)橋面自主除冰凌的目的。

普通混凝土冰層粘結(jié)力大于超疏水混凝土，其除冰難度更大，故計(jì)劃采用通過納米氧化鋅顆粒表面構(gòu)建微納米級粗糙結(jié)構(gòu)[6]，結(jié)合抗凝冰材料，研究以氧化鋅為納米顆粒的超疏水涂料作為路面疏水涂層材料。

4.2 施工方案

超疏水抗凝冰材料作為一種路面疏水涂層材料，可以直接在既有橋表面進(jìn)行處理。超疏水材料中含有有機(jī)硅，難以被路面材料主動吸收，所以施工方法選用先刷涂后噴涂的復(fù)合處理工藝，具體步驟簡要概括為：清除橋面灰塵、油污等污染物，清洗并干燥，實(shí)施刷涂處理，使用氣泵進(jìn)行均勻地噴涂。施工應(yīng)注意，噴涂前需要對超疏水抗凝冰涂料進(jìn)行稀釋，以確保噴涂設(shè)備能將涂料以氣霧的方式噴出，使涂料以微小的顆粒形式覆蓋在原有橋面上。

據(jù)實(shí)地調(diào)研結(jié)果，立交橋的上下橋口0~100 m處是結(jié)冰凌現(xiàn)象的高發(fā)地段。施工時可對上下橋口0~100 m處排水口周圍做超疏水涂層處理，在降雨降雪天氣下可以快速排水。排水管的安裝需要均勻分布于橋梁上下橋0~100 m處，安裝時需要注意與橋梁的伸縮縫錯開布置，保證在橋梁的縱坡結(jié)構(gòu)引起的重力勢能作用下，排水可以順利進(jìn)行。同時排水管道內(nèi)部產(chǎn)生冰凌可以通過傳導(dǎo)瀝青混凝土的電熱效應(yīng)進(jìn)行清除。

5 結(jié)論

綜上所述，本文針對現(xiàn)有橋梁除冰凌方法進(jìn)行了回顧，指出了現(xiàn)有的橋梁建筑材料在阻止冰凌產(chǎn)生方面的劣勢，也指出了基于原有建筑材料的對現(xiàn)有橋面、橋體除冰凌方法的缺陷，同時針對現(xiàn)有的除冰凌方法做出了改進(jìn)，以新型超疏水抗凝冰材料與導(dǎo)電瀝青混凝土進(jìn)行結(jié)合，從材料方面阻止橋體冰凌的產(chǎn)生，有效的解決橋體伸縮縫、排水孔、橋梁路面等部位的冰凌產(chǎn)生的問題，繼而提高道路橋梁的穩(wěn)定性、耐久性、安全性。但是該項(xiàng)目仍有一定的發(fā)展空間，比如說超疏水涂層的耐磨性能有待提高、經(jīng)濟(jì)效益需要提高等。