黃浩
摘要：本文對高速公路橋梁防滑抗冰技術(shù)作了一些探討和研究，將相變儲能材料應(yīng)用到橋梁防冰抗滑當中，從熱傳導(dǎo)理論計算和室內(nèi)試驗證明了此方法的可行性。對基于外摻防冰材料的橋梁防滑抗冰技術(shù)進行了分析，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面對比了現(xiàn)有的三種外摻防冰劑，“路麗美”防冰外摻材料在性能和經(jīng)濟方面都優(yōu)于其他外摻防冰材料，并經(jīng)工程實例認證，對環(huán)境影響很小，具有工程實施可行性�？紤]到橋梁防冰技術(shù)的實際應(yīng)用情況和結(jié)構(gòu)安全性等因素，認為現(xiàn)階段采用外摻防冰材料的技術(shù)要優(yōu)于相變儲能材料的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：橋梁防冰；相變儲能材料；外摻防冰材料；
0引言
目前，我國已經(jīng)建成以高速公路為主干線的公路網(wǎng)絡(luò)，公路交通運輸網(wǎng)絡(luò)是保障客運快捷和物流通暢的重要基礎(chǔ)設(shè)施，直接關(guān)系到社會穩(wěn)定與經(jīng)濟發(fā)展。路面結(jié)冰嚴重降低道路交通安全等級。冬季路面及一些特殊路段，如：橋梁、彎道、上下坡路、高速公路上、下匝道、機場跑道、城市十字路口等，在氣溫驟然下降，空氣潮濕霧氣大的情況下，路面橋面極易形成冰層，這種凝冰具有“硬度大、厚度溥和不易鏟除”的特點，從而導(dǎo)致突發(fā)交通意外事故或造成道橋路面交通的行駛不暢、擁堵等問題，一直困擾著世界各國交通部門。
我國歷年來因冬季冰凍而引發(fā)的交通事故約占全年交通事故的30%，事故發(fā)生率是平時的4～5倍。跨越江河，地形曠野，風大、雨大、濕度大;高速公路橋梁遠離地面，沒有地熱，遇低溫時更容易出現(xiàn)結(jié)冰。橋面結(jié)冰導(dǎo)致橋面摩擦系數(shù)較其他季節(jié)明顯降低，不僅會使車輛運行速度大大降低，造成嚴重的交通阻塞，容易引發(fā)交通事故;給人民生命財產(chǎn)安全造成的損失程度，遠遠高于一般公路路面地段。2008年1月中旬至2月初，一場覆蓋全國2／3面積的雨雪冰凍災(zāi)害，影響了23個省市的公路交通，直接經(jīng)濟損失過1000億。因此高速公路橋梁防滑抗冰技術(shù)的研究，顯得更加突出重要。本文針對現(xiàn)有的主動防冰技術(shù)，從技術(shù)和經(jīng)濟兩個主面進行了對比分析。為高速公路橋梁防滑抗冰的相關(guān)應(yīng)用提供依據(jù)。
1基于相變儲能材料的橋梁防冰技術(shù)
相變材料(phase change materials，簡稱PCM)或稱相變儲能材料，它屬于能源材料的范疇。廣義來說，是指能被利用其在物態(tài)變化時所吸收(放出)的大量熱能用于能量儲存的材料�？紤]到公路路面的低溫冰凍主要是由于路表溫度過低，達到0℃及以下，同時遇到雨雪天氣，表面則發(fā)生積雪及冰凍現(xiàn)象。因此，可選取適當?shù)囊?固相變儲能材料，其相變溫度點高于水的冰點(0℃)，在相變點左右，材料液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變放出大量的熱量，有效阻止或延緩雨雪在路表的結(jié)冰，從而提升防凍抗滑性能。
因此，本研究擬將PCM引入到橋面面層材料的設(shè)計中，開發(fā)用于橋面結(jié)構(gòu)的相變儲能材料系統(tǒng)，并利用特定封裝技術(shù)將其鋪筑于實際橋面結(jié)構(gòu)中，增強路面在惡劣氣候條件下的應(yīng)急反應(yīng)機制。
1.1相變儲能材料
研究確定采用有機多元醇作為相變儲能介質(zhì)的主體材料，通過前期實驗室研究結(jié)果，采用復(fù)合多元醇作為相變材料，包括正9～12醇材料，以及復(fù)配用的液體石蠟、10～12酸等材料，其主要特點為：相變溫度點可控，相變放熱效果好，且對橋面結(jié)構(gòu)無酸堿等腐蝕性。
為了研究復(fù)合有機多元醇的相變溫度范圍，找到適用于橋面結(jié)構(gòu)用的多元醇材料，我們選取了三種不同配比的多元醇進行相變溫度范圍試驗。從試驗結(jié)果可以看到：用于融冰的相變儲能材料溫度范圍可定在5℃-10℃。
圖1 多元醇A相變溫度范圍確定
圖2 多元醇B相變溫度范圍確定
圖3 多元醇C相變溫度范圍確定
1.2封裝材料
考慮到相變材料常溫為液態(tài)，必須進行封裝，同時要求具有足夠的強度，因此，采用高強度圓形鋼管作為相變材料的封裝構(gòu)件。圓形鋼管內(nèi)徑50mm，壁厚3mm。為方便鋼管注入相變材料，進行了兩端封口設(shè)計，一邊封閉，另一邊加工成螺栓構(gòu)造。其示意圖如圖4所示。
1.3室內(nèi)試驗
為了觀察相變儲能材料的融冰效果，模擬橋面板設(shè)計了尺寸為：500mm×400mm×80mm的試件，進行室內(nèi)融冰雪試驗。將橋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計為四層：表面瀝青混凝土層、水泥混凝土層、含相變儲能材料的高強度無縫鋼管層以及保溫砂漿層。其設(shè)計結(jié)構(gòu)圖可如圖5所示。
從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鋪設(shè)有相變儲能材料的橋面板融冰效果十分明顯。對封裝鋼管的試驗前后溫度變化測量，數(shù)據(jù)表明管內(nèi)相變材料由試驗前的10℃下降為試驗后的3.5℃，完成液－固相變；鋼管鋪設(shè)處混凝土表面由試驗開始的0℃上升為1.8℃，出現(xiàn)了一定幅度的吸熱升溫。同時通過圖7可發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)材料已相變?yōu)楣虘B(tài)，其相變潛熱得到了釋放，并通過鋼管傳導(dǎo)到路面板表面，因而融冰防凍效果得到了增強。
但是，這種基于相變材料系統(tǒng)的橋梁特殊面板設(shè)計，還沒有通過實際工程的檢驗，有待進一步完善。
2基于路面外摻防冰材料的橋梁防冰技術(shù)
路面防凍外摻劑的應(yīng)用作為一種路面主動防冰措施，能較大程度地提高橋面在大雪冰凍環(huán)境下的自身防凍除冰能力。當今各國研究人員對于路面防凍劑的研究也取得了一定的成果，日本的低冰點鹽化物鋪裝，密西根科技大學(xué)的環(huán)氧樹脂防冰鋪裝，瑞典的橡膠顆粒瀝青混合料鋪裝等方案，均指明了橋面鋪裝工程的自我主動防冰方向。這種技術(shù)不僅無需事前預(yù)警，無需駕駛員有效接收信息，而且解決了耐久性與低成本循環(huán)應(yīng)用的難題。
2.1“路麗美”外摻防冰材料
“路麗美”是由氯化鈣與斥油性物質(zhì)混合反應(yīng)，經(jīng)化學(xué)工藝處理而得到的路面防結(jié)冰材料，使用時被添加到瀝青混合料中并用于瀝青路面上面層。在冬季氣溫較低，空氣濕度增大的條件下，它被迅速激活，通過毛細管現(xiàn)象及行駛車輛的摩擦使路面中的“路麗美”材料不斷析出；通過降低路面的冰點來有效的阻止路面結(jié)冰。
2.2“Mafilon”外摻防冰材料
Mafilon(中譯稱馬飛龍)防冰技術(shù)是在混合料里加入緩解路面凍融的鹽化物材料，主要成分為氯化鈉、氧化硅、碳酸鈣、氧化鎂、三氧化二鐵等物。在冬季冰點溫度環(huán)境下，通過浸透壓和毛細管現(xiàn)象及行駛車輛的摩擦效果使抗路面凍結(jié)材料逐漸析出，降低路面的冰點等來達到緩解路面的凍結(jié)效果。
2.3重慶鵬方抗凝冰材料
重慶鵬方抗凝冰材料是細度類似于礦粉的一種填料，以一定摻量摻加在瀝青混合料當中，該混合料依靠抗凝冰填料中的抗凝冰成分在車載作用、負毛細壓力等作用而逐漸析出路表，從而達到抑制或緩解路面凝冰發(fā)生。
2.4三種外摻防凍材料的技術(shù)經(jīng)濟比較
為了分析三種外摻防凍材料在國內(nèi)工程中的適用性和經(jīng)濟性，對三種材料進行了相關(guān)試驗，其對比分析結(jié)果如下表所示：
材料的經(jīng)濟效益，以長一公里的雙向四車道路面，攤鋪瀝青砼厚度為四公分，外摻5%的防凍材料，并按其現(xiàn)行市場價格得出。
3結(jié)論
本文通過對現(xiàn)有的兩大類橋面防冰技術(shù)進行了一定的研究與分析，得到以下結(jié)論：
（1）相變儲能材料的研究應(yīng)用能較好的防止冬季橋面結(jié)冰，封裝鋼管的鋪設(shè)密度決定橋面融冰效果。熱能的提供來自于材料本身的固-液形態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此不存在對周圍環(huán)境的污染，但是由于封裝鋼管的尺寸較大并且要以較密集的間距布設(shè)在混凝土基層中，將會對橋面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不利影響。特別是對于重載交通的道路橋梁，使用相變儲能材料的橋面無法承受這種重載交通，將會造成結(jié)構(gòu)的破壞。因此基于相變儲能材料的橋梁防冰技術(shù)還需要進一步的實際工程驗證。
（2）外摻防凍材料是一種比較成熟的、方便的橋梁防冰技術(shù)。通過對現(xiàn)有的主要三種外摻防凍材料的技術(shù)經(jīng)濟對比研究，目前“路麗美”防冰材料在性能和經(jīng)濟上均優(yōu)于其他外摻防冰材料，并有利于環(huán)境保護。
（3）對于在建橋梁，在橋面防冰抗滑措施的選取上，考慮到技術(shù)成熟性和結(jié)構(gòu)安全性，采用外摻防冰材料要優(yōu)于相變儲能材料的應(yīng)用。
摘要：本文對高速公路橋梁防滑抗冰技術(shù)作了一些探討和研究，將相變儲能材料應(yīng)用到橋梁防冰抗滑當中，從熱傳導(dǎo)理論計算和室內(nèi)試驗證明了此方法的可行性。對基于外摻防冰材料的橋梁防滑抗冰技術(shù)進行了分析，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面對比了現(xiàn)有的三種外摻防冰劑，“路麗美”防冰外摻材料在性能和經(jīng)濟方面都優(yōu)于其他外摻防冰材料，并經(jīng)工程實例認證，對環(huán)境影響很小，具有工程實施可行性�？紤]到橋梁防冰技術(shù)的實際應(yīng)用情況和結(jié)構(gòu)安全性等因素，認為現(xiàn)階段采用外摻防冰材料的技術(shù)要優(yōu)于相變儲能材料的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：橋梁防冰；相變儲能材料；外摻防冰材料；
0引言
目前，我國已經(jīng)建成以高速公路為主干線的公路網(wǎng)絡(luò)，公路交通運輸網(wǎng)絡(luò)是保障客運快捷和物流通暢的重要基礎(chǔ)設(shè)施，直接關(guān)系到社會穩(wěn)定與經(jīng)濟發(fā)展。路面結(jié)冰嚴重降低道路交通安全等級。冬季路面及一些特殊路段，如：橋梁、彎道、上下坡路、高速公路上、下匝道、機場跑道、城市十字路口等，在氣溫驟然下降，空氣潮濕霧氣大的情況下，路面橋面極易形成冰層，這種凝冰具有“硬度大、厚度溥和不易鏟除”的特點，從而導(dǎo)致突發(fā)交通意外事故或造成道橋路面交通的行駛不暢、擁堵等問題，一直困擾著世界各國交通部門。
我國歷年來因冬季冰凍而引發(fā)的交通事故約占全年交通事故的30%，事故發(fā)生率是平時的4～5倍。跨越江河，地形曠野，風大、雨大、濕度大;高速公路橋梁遠離地面，沒有地熱，遇低溫時更容易出現(xiàn)結(jié)冰。橋面結(jié)冰導(dǎo)致橋面摩擦系數(shù)較其他季節(jié)明顯降低，不僅會使車輛運行速度大大降低，造成嚴重的交通阻塞，容易引發(fā)交通事故;給人民生命財產(chǎn)安全造成的損失程度，遠遠高于一般公路路面地段。2008年1月中旬至2月初，一場覆蓋全國2／3面積的雨雪冰凍災(zāi)害，影響了23個省市的公路交通，直接經(jīng)濟損失過1000億。因此高速公路橋梁防滑抗冰技術(shù)的研究，顯得更加突出重要。本文針對現(xiàn)有的主動防冰技術(shù)，從技術(shù)和經(jīng)濟兩個主面進行了對比分析。為高速公路橋梁防滑抗冰的相關(guān)應(yīng)用提供依據(jù)。
1基于相變儲能材料的橋梁防冰技術(shù)
相變材料(phase change materials，簡稱PCM)或稱相變儲能材料，它屬于能源材料的范疇。廣義來說，是指能被利用其在物態(tài)變化時所吸收(放出)的大量熱能用于能量儲存的材料�？紤]到公路路面的低溫冰凍主要是由于路表溫度過低，達到0℃及以下，同時遇到雨雪天氣，表面則發(fā)生積雪及冰凍現(xiàn)象。因此，可選取適當?shù)囊?固相變儲能材料，其相變溫度點高于水的冰點(0℃)，在相變點左右，材料液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變放出大量的熱量，有效阻止或延緩雨雪在路表的結(jié)冰，從而提升防凍抗滑性能。
因此，本研究擬將PCM引入到橋面面層材料的設(shè)計中，開發(fā)用于橋面結(jié)構(gòu)的相變儲能材料系統(tǒng)，并利用特定封裝技術(shù)將其鋪筑于實際橋面結(jié)構(gòu)中，增強路面在惡劣氣候條件下的應(yīng)急反應(yīng)機制。
1.1相變儲能材料
研究確定采用有機多元醇作為相變儲能介質(zhì)的主體材料，通過前期實驗室研究結(jié)果，采用復(fù)合多元醇作為相變材料，包括正9～12醇材料，以及復(fù)配用的液體石蠟、10～12酸等材料，其主要特點為：相變溫度點可控，相變放熱效果好，且對橋面結(jié)構(gòu)無酸堿等腐蝕性。
為了研究復(fù)合有機多元醇的相變溫度范圍，找到適用于橋面結(jié)構(gòu)用的多元醇材料，我們選取了三種不同配比的多元醇進行相變溫度范圍試驗。從試驗結(jié)果可以看到：用于融冰的相變儲能材料溫度范圍可定在5℃-10℃。
1.2封裝材料
考慮到相變材料常溫為液態(tài)，必須進行封裝，同時要求具有足夠的強度，因此，采用高強度圓形鋼管作為相變材料的封裝構(gòu)件。圓形鋼管內(nèi)徑50mm，壁厚3mm。為方便鋼管注入相變材料，進行了兩端封口設(shè)計，一邊封閉，另一邊加工成螺栓構(gòu)造。其示意圖如圖4所示。
1.3室內(nèi)試驗
為了觀察相變儲能材料的融冰效果，模擬橋面板設(shè)計了尺寸為：500mm×400mm×80mm的試件，進行室內(nèi)融冰雪試驗。將橋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計為四層：表面瀝青混凝土層、水泥混凝土層、含相變儲能材料的高強度無縫鋼管層以及保溫砂漿層。其設(shè)計結(jié)構(gòu)圖可如圖5所示。
從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鋪設(shè)有相變儲能材料的橋面板融冰效果十分明顯。對封裝鋼管的試驗前后溫度變化測量，數(shù)據(jù)表明管內(nèi)相變材料由試驗前的10℃下降為試驗后的3.5℃，完成液－固相變；鋼管鋪設(shè)處混凝土表面由試驗開始的0℃上升為1.8℃，出現(xiàn)了一定幅度的吸熱升溫。同時通過圖7可發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)材料已相變?yōu)楣虘B(tài)，其相變潛熱得到了釋放，并通過鋼管傳導(dǎo)到路面板表面，因而融冰防凍效果得到了增強。
但是，這種基于相變材料系統(tǒng)的橋梁特殊面板設(shè)計，還沒有通過實際工程的檢驗，有待進一步完善。
2基于路面外摻防冰材料的橋梁防冰技術(shù)
路面防凍外摻劑的應(yīng)用作為一種路面主動防冰措施，能較大程度地提高橋面在大雪冰凍環(huán)境下的自身防凍除冰能力。當今各國研究人員對于路面防凍劑的研究也取得了一定的成果，日本的低冰點鹽化物鋪裝，密西根科技大學(xué)的環(huán)氧樹脂防冰鋪裝，瑞典的橡膠顆粒瀝青混合料鋪裝等方案，均指明了橋面鋪裝工程的自我主動防冰方向。這種技術(shù)不僅無需事前預(yù)警，無需駕駛員有效接收信息，而且解決了耐久性與低成本循環(huán)應(yīng)用的難題。
2.1“路麗美”外摻防冰材料
“路麗美”是由氯化鈣與斥油性物質(zhì)混合反應(yīng)，經(jīng)化學(xué)工藝處理而得到的路面防結(jié)冰材料，使用時被添加到瀝青混合料中并用于瀝青路面上面層。在冬季氣溫較低，空氣濕度增大的條件下，它被迅速激活，通過毛細管現(xiàn)象及行駛車輛的摩擦使路面中的“路麗美”材料不斷析出；通過降低路面的冰點來有效的阻止路面結(jié)冰。
2.2“Mafilon”外摻防冰材料
Mafilon(中譯稱馬飛龍)防冰技術(shù)是在混合料里加入緩解路面凍融的鹽化物材料，主要成分為氯化鈉、氧化硅、碳酸鈣、氧化鎂、三氧化二鐵等物。在冬季冰點溫度環(huán)境下，通過浸透壓和毛細管現(xiàn)象及行駛車輛的摩擦效果使抗路面凍結(jié)材料逐漸析出，降低路面的冰點等來達到緩解路面的凍結(jié)效果。
2.3重慶鵬方抗凝冰材料
重慶鵬方抗凝冰材料是細度類似于礦粉的一種填料，以一定摻量摻加在瀝青混合料當中，該混合料依靠抗凝冰填料中的抗凝冰成分在車載作用、負毛細壓力等作用而逐漸析出路表，從而達到抑制或緩解路面凝冰發(fā)生。
2.4三種外摻防凍材料的技術(shù)經(jīng)濟比較
為了分析三種外摻防凍材料在國內(nèi)工程中的適用性和經(jīng)濟性，對三種材料進行了相關(guān)試驗，其對比分析結(jié)果如下表所示：
材料的經(jīng)濟效益，以長一公里的雙向四車道路面，攤鋪瀝青砼厚度為四公分，外摻5%的防凍材料，并按其現(xiàn)行市場價格得出。
3結(jié)論
本文通過對現(xiàn)有的兩大類橋面防冰技術(shù)進行了一定的研究與分析，得到以下結(jié)論：
（1）相變儲能材料的研究應(yīng)用能較好的防止冬季橋面結(jié)冰，封裝鋼管的鋪設(shè)密度決定橋面融冰效果。熱能的提供來自于材料本身的固-液形態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此不存在對周圍環(huán)境的污染，但是由于封裝鋼管的尺寸較大并且要以較密集的間距布設(shè)在混凝土基層中，將會對橋面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不利影響。特別是對于重載交通的道路橋梁，使用相變儲能材料的橋面無法承受這種重載交通，將會造成結(jié)構(gòu)的破壞。因此基于相變儲能材料的橋梁防冰技術(shù)還需要進一步的實際工程驗證。
（2）外摻防凍材料是一種比較成熟的、方便的橋梁防冰技術(shù)。通過對現(xiàn)有的主要三種外摻防凍材料的技術(shù)經(jīng)濟對比研究，目前“路麗美”防冰材料在性能和經(jīng)濟上均優(yōu)于其他外摻防冰材料，并有利于環(huán)境保護。
（3）對于在建橋梁，在橋面防冰抗滑措施的選取上，考慮到技術(shù)成熟性和結(jié)構(gòu)安全性，采用外摻防冰材料要優(yōu)于相變儲能材料的應(yīng)用。
