路面微波除冰機理分析

王 升，艾 濤，高海軍

（1.長安大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710061；2.陜西省延安公路管理局，陜西 延安 716000）

1 國內外路面除冰技術現狀

路面結冰往往造成大量交通事故，經濟損失嚴重。目前，國內外比較常見的除冰方法主要有化學除冰法、人工除冰法、機械除冰法和熱力除冰法等[1-3]。化學除冰法是將醇類、氯鹽類等化學試劑鋪灑在路面上，通過降低冰點來抑制路面結冰，除冰的同時，化學試劑會對路面產生破壞。人工除冰法是指借助鏟子等簡單工具進行除冰的方法，效率低，只適用于小范圍內且冰層厚度薄的路面。機械除冰法是采用除冰機等對路面上的冰層進行破碎，使冰層與路面分離開，最終將冰層鏟除的方法，施工過程中，用力難以把握，往往會對路面結構造成破壞。熱力除冰法主要是將發熱電纜鋪筑在路面下，在路面結冰時，通過電纜通電產生的熱量來融化冰層，但這種方法的成本比較高。

國內外研究者對環保又經濟的微波除冰法進行了相關研究。早在1986年，HowardK.Long就提出了微波除冰法并申請了除冰車原型專利。但是由于路面材料對微波的吸收性能不好，微波加熱的除冰效果也不明顯。直到2003年，美國明蘇達大學的Hopstock[4-5]提出了將鐵燧巖摻入瀝青混合料中用以鋪筑瀝青路面層，以增加路面表層的吸波能力，并且修筑了試驗路。北方交通大學的徐宇工等[6]對微波除冰進行了相關研究，并將鐵礦石代替部分集料摻加到瀝青混凝土中鋪筑路面表層以增加其吸波性能。

2 微波與介質的作用形式

微波是一種頻率在0.3～300GHz范圍，對應波長為0.1mm～1m的電磁波[7]。微波作用于物質上主要有三種結果：被反射、被透射和被吸收。當微波作用在鋁箔等金屬導體上時，絕大部分甚至完全能被反射出去。當微波輻射到金屬腔中時，能夠進行多次反射而不發生能量損耗。當微波作用在普通玻璃等絕緣物體上時，能夠穿透。當微波作用在大部分金屬氧化物、半導體和極性物質等吸波材料上時，就能夠被吸收，從而轉化成熱量，使物體的溫度升高。

吸波物質分為兩種：非磁性物質和磁性物質。對于非磁性物質來說，其吸波能力與其復介電常數中的損耗因子tanδE有關。而對于磁性物質，其吸波能力還與其復磁導率中的損耗因子tanδM有關。由于每種物質的損耗因子tanδ（包括tanδE和tanδM，非磁性物質的tanδM可視為0） 不一樣，其吸波能力也不一樣。一般來說，損耗因子tanδ越大，物質的吸波能力越強，產生的熱量越多。表1為部分物質在頻率為2.45GHz時的介電特性，表明普通瀝青混凝土、冰層的介電損耗因子比較小，吸波能力比較差。所以要在瀝青混合料中加入一定量的理想吸波材料如鐵礦石，使路表迅速升溫，融化結合處的冰，使除冰機械達到快速除冰的效果。

表1 部分介質的介電特性

3 路面微波除冰過程

微波除冰的主要過程是用微波除冰車對含有鐵礦石的路面加熱至冰層基本脫離路面，再結合機械破冰，鏟除冰層[8，9]。因此，微波除冰層主要可以分為兩個階段。第一階段是微波只加熱鐵礦石，微波作用下鐵礦石內部產生熱量，溫度逐漸升高；鐵礦石內部的熱量向外傳遞到至冰層與路面的界面，使界面區域溫度升高到0℃，部分冰開始融化。第二階段是微波同時加熱鐵礦石和水，由于只是將界面處少部分的冰融化成水，冰層大部分還與路面緊密黏附，用微波加熱直至去除。水有比較強的吸波性能，微波不僅僅作用于鐵礦石，同時還在對水加熱，能使加熱效率提高。兩階段的加熱時間與微波加熱效率關系如圖1所示。此時，鐵礦石和水將熱量傳遞給界面附著的冰，使之融化脫離路面。

圖1 微波加熱效率與加熱時間關系圖

4 路面微波除冰機理

當微波作用在吸波材料上時，材料內部分子發生移動，微波發生損耗，同時材料內部產生熱量。微波是電場和磁場共同作用的結果，對于非磁性材料來說，微波輻射下，電場作用占主導，磁場作用可以忽略，產生介質損耗。對于磁性材料來說，微波輻射下，電場和磁場共同作用，介質損耗和導磁損耗均產生。介質損耗和導磁損耗越多，微波損耗越多，材料內部產生熱量越多，溫升越高[10-11]。

4.1 微波加熱鐵礦石

鐵礦石中的主要成分是四氧化三鐵（Fe3O4）。當施加電場強度時，晶體中的Fe2+和Fe3+會向電場方向偏移一定的位移，O2-會向反方向偏移一定的位移，這稱為位移極化（如圖2所示）。位移極化需要一定的時間（弛豫時間）。Fe3O4的位移極化和電場就產生了相位差，而這種相位差導致了弛豫損耗的產生。鐵礦石中有自由移動的電子，在電場作用下，會產生電導電流引起的電介質損耗，稱為電導損耗。

圖2 施加電場后Fe3O4的極化現象

物質的磁性是由離子或者原子內部的電子運動造成的。電子的軌道運動產生軌道磁矩，自旋運動產生自旋磁矩。在Fe3O4中，Fe2+和Fe3+都有一定的磁矩。Fe3+有半數占據八面體的配位位置，另半數占據四面體的位置，這兩種磁矩方向相反，數量相等，剛好可以相互抵消。而只占據八面體的配位位置的Fe2+磁矩方向都一致，提供了Fe3O4的強磁性。磁矩會隨著外加交變磁場的方向改變而改變，隨著磁場頻率的增大，磁矩會和外加磁場形成一個相位差，從而產生了導磁損耗。

4.2 微波加熱水

水由水分子組成，水分子本身是一種偶極子。水分子中的氧和氫共用一對電子形成共價鍵。但是氧比氫更需要電子，所以共價鍵氧的一側帶負電（-），共價鍵氫的一側帶正電（+）。正常情況下，水分子是混亂無序排列的。在電場的作用下，水分子就會定向排列，產生轉向極化現象（如圖3所示）。在頻率為2.45GHz的微波作用下，電場方向以24億次/s的速度改變，水分子通過偶極距的作用也將隨之轉動。但這種轉向極化需要一定的時間，這種弛豫現象造成水分子的轉向極化與電場E產生了相位差，從而產生了弛豫損耗。水分子中有自由移動的離子，在電場作用下，由電導電流引起的電介質損耗稱為電導損耗。在微波作用時，由于電導損耗，產生的熱量相對較少，水分子的主要熱量來源于弛豫損耗。

5 結語

圖3 水分子施加電場后產生的極化現象

微波是一種清潔能源，不會污染周圍環境，符合當代綠色環保的主題。鐵礦石在我國儲量巨大，全國各地均有分布。用鐵礦石瀝青混凝土來修筑除冰路面時，非常方便，可以就地取材。微波車移動方便、作業靈活，用在鐵礦石鋪筑的瀝青路面上時能使冰層完全脫離路面，除冰徹底并且效率高。鐵礦石在瀝青混合料中的應用，改變了混合料的電磁參數，提高了混合料的吸波性能，縮短了混合料微波融冰時間。具有吸收微波功能的瀝青混合料為道路工程綠色環保且高效率地降低冰雪帶來的安全隱患提供了一種新材料。

[1] 王選倉，陸凱診.公路路面融雪化冰技術與發展[J].筑路機械與施工機械化，2013，30（1）：26-31.

[2] 王磊，卓儀.高速公路融雪除冰技術研究[J].交通標準化，2012，（9）：101-103.

[3] 劉紅瑛，郝培文.道路除冰雪技術及其發展趨勢[J].筑路機械與施工機械化，2008，25（11）：18-21.

[4] HOPSTOCK D M.Microwave-Absorbing Road Construction and Repair Material[R].Duluth:University of Minnesota Duluth,2003.

[5] HOPSTOCK,DM,ZANKO.Minnesota Taconite as a Microwave-absorbing Road Aggregate Material for Deicing and Pothole Patching Applications[R].Duluth:University of Minnesota Duluth,2005.

[6] 李笑，徐宇工，劉福利.微波除冰方法研究[J].哈爾濱工業大學學報，2003，35（11）：1342-1343.

[7] 楊雪霞.微波技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2009.

[8] 徐宇工，李笑，寧智，等.微波加熱清除道路結冰的方法和微波除冰車：中國，02125427.3[P].2004-01-28.

[9] 徐宇工，李笑，寧智，等.一種微波除冰車：中國，CN02243786.X[P].2004-03-10.

[10] 周書才.Mg2Si基熱電材料的微波合成機理及熱電性能研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[11] 郭德棟.基于微波與磁鐵耦合效應的融雪除冰路面技術研究[D].西安：長安大學，2011.