道路冰情檢測及除冰雪技術綜述

(河南大學土木建筑學院 河南 開封 475004)

道路冰情檢測及除冰雪技術綜述

鄭淮林張波趙孟偉

(河南大學土木建筑學院 河南 開封 475004)

隨著經濟的快速發展，全球公路里程不斷增加，道路結冰積雪帶來的問題日漸凸顯，造成的損失也在逐年上升。在此背景下，對于路面冰情檢測以及消除冰雪的技術亟待研究，如果能在道路結冰時快速檢測，就能提前發出預警，也可及時采取措施減少危害，另一方面及時除冰雪也能降低危害。本文就國內外相關技術介紹國內外路面冰情檢測以及除冰雪的技術，有利于推動我國道路交通安全，為國民經濟保駕護航。

道路；冰情檢測；傳感器；除冰技術

一、冰情檢測傳感器

從二十世紀五十年代開始,歐美等發達國家就開始了有關冰情檢測的研究，根本上是以智能傳感器來探測路面結冰的方式為主，經過六十多年的研究已經初具規模，冰情檢測傳感器相關技術也得到極大發展。

①壓差式傳感器：通過兩探頭之間就會產生壓力差得到結冰狀況的信號；②障礙式結冰傳感器通過測量轉動的旋轉刮板轉矩，在預先設置好的轉矩點結冰傳感器給出除冰信號③振動式結冰傳感器的原理是利用振動體諧振頻率的變化來判斷物體表面是否有冰。④超聲式結冰傳感器：在物體的表面安裝一套超聲波的發射和接收裝置，通過計算物體表面內的彎曲彈性波來得出冰層的厚度。⑤熱流式結冰傳感器:通過分析流過物體表面熱流的變化來區分物體表面存在的沾染物(霜、冰、非冰流體等)。⑥電容式結冰傳感器:比較建立在兩個電容上的瞬態電壓，邏輯電路就可以確定出冰層的存在以及厚度。⑦光纖式結冰傳感器：通過檢測接收光信號的強度能區分物體表面是否有冰。⑧微波式結冰傳感器：通過檢測諧振頻率的偏移量就可以算出冰層的厚度。⑨紅外線結冰傳感器：利用多波長紅外線在水中或冰中的光吸收系數的不同來確定和檢測冰或水的厚度。該方法可以測量從幾個微米到幾個厘米冰(水)的厚度。

二、除冰雪技術

道路冰情檢測技術的應用雖然一定程度上能為預警帶來方便，但是實時除冰融雪才是消除冰情雪情危害的關鍵。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) 化學融冰雪;(3) 機冰械除雪; (4) 物理除冰雪。后三種方法在大面積除冰融雪時為主要采用的方式，但它們也各有利弊。

(1) 人工除冰雪。相對來說最為環保，而且除冰雪效果最好，除冰雪率能達到100%，更有利于道路行車安全，但是相對清掃面積小，效率低，而且耗費大量人力物力。

(2) 化學除冰融雪法。化學除冰融雪法主要是通過拋灑工業氯鹽來達到目的。最早于二十世紀三十年代在美國開始使用，九十年代，美國每年除雪用掉氯鹽類“化冰鹽”上千萬噸。但是在人們享用著“化冰鹽”高效廉價的除雪特點的時候，也付出了較大的代價。融雪劑對環境污染嚴重:目前我國各地區在除冰雪過程中均大量采用氯鹽類融雪劑進行融冰除雪，每年有數千萬噸的氯鹽類融雪劑撒在公路上，流入公路兩側，致使公路兩側環境遭到破壞，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，在冬季來臨之前，可儲備一定的量，下雪后用機械或人工撒布，使用方便，除下雪量大的地區外均可使用。撒鹽粒后到雪的溶化需有一個過程，而鹽粒溶化成鹽水后才能使雪溶化。一般均為過量撒布，而且必須要有專用的撒布設備。據資料介紹，美國2008年消耗了22.6 X 106噸這樣的融雪材料。撒鹽的副作用是，鹽對路而、公路設施、土壤、農作物、地表水、水生物等產生腐蝕污染。

②撒濕鹽：撒鹽粒時易引起反彈，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，但鹽粒頂濕后流動性差。不過，鹽頂濕后加快了雪的溶化，但濕鹽易堵塞，所以對設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備，且由于鹽水的腐蝕性大，儲存和擾動設備等必須要有防腐措施。

(3) 機冰械除雪。①除雪犁(推雪板)：可安裝在汽車、裝載機、平地機等多種動力機械上，這種除雪方式的設備結構簡單、換裝容易、機動靈活、效率高，適宜于清除有一定厚度的新雪。只要是經常下雪的地區，均可按常規裝備除雪犁，并可采用隨時下雪隨時清除的方法。在不經常下雪的地區，除雪犁作為儲備裝置，一旦下雪，就在動力機械上安裝除雪犁進行除雪作業。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旋轉除雪機(拋雪機)：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動至拋雪風扇處。拋雪風扇葉片為輻射狀，進入風扇的雪在高速旋轉葉片離心力作用下，沿著葉片表而運動至風扇殼體頂部開口處拋出，由拋雪筒導向合適區域。旋轉除雪機成本較高，一般用于天氣寒冷、雪量大的地區

③滾切除冰機：由牽引車牽引，其由一個滾切輪和刮刀組成。滾切輪有液壓機構升降，作業時滾切輪貼近冰而。在設備的重力作用下，滾切輪對冰而產生一定的壓力，隨著除冰機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：由牽引車牽引，其由沖擊除冰轉子和機架等組成。沖擊除冰轉子由副發動機驅動，通過液壓機構升降，可調節其與冰而的距離。沖擊除冰轉子上安裝有多排沖擊除冰器，每個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，內側用壓板固定于沖擊除冰轉子軸上。沖擊除冰轉子轉動時沖擊頭敲擊冰面，冰面因被敲擊而破碎。

(4) 物理除冰雪。主要以美國、日本、北歐等國家為代表，在該領域開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，因此各國在這方面都有大量的研究，而且取得了相當不錯的成果，也形成的各式先進的方式。

①熱力融冰雪類技術：利用地熱、燃氣、電或太陽能等產生的熱量使冰雪融化，如地熱管法、電熱絲法、紅外線燈照加熱法、太陽能加熱法、發熱電纜法等。主要是利用鋪設于路面內的能量儲存和轉化裝置，將其他形式的熱能儲存于該裝置內，在路面積雪時，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、安全和環保等優點。但對路面材料、路面結構和設計施工都有特殊、嚴格的要求，工藝復雜，能耗較大，費用較高，維修養護時需要路面開挖，目前在實際應用中受到一定的限制。

②抑制凍結鋪裝類技術。抑制凍結鋪裝類技術是通過在路面鋪裝材料內添加一定量的特殊材料，改變路面與輪胎的接觸狀態和路面的變形特性，利用添加的特殊材料的變形能力較強的特性，通過路面在外荷載作用下產生的自應力，使路面冰雪破碎融化，從而有效抑制路面積雪和結冰。

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抑制路面，該路面的基本概念是在20世紀70年代由瑞典道路研究所提出的。

鑲嵌類鋪裝技術：在普通瀝青路面鋪筑完成后，通過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路面的粘結程度，從而提高冰雪破碎的機率，從而破除路面積雪結冰。

粗糙型鋪裝技術：采用大粒徑、開級配瀝青混凝土鋪筑面層，增加面層的粗糙度。冰凍后，行車輾壓時，水平力的作用使結凍層很快被磨耗掉，也增加了制動效果。

[1]許元杰.國內外公路除冰雪技術現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，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。