超薄导电磨耗层除冰系统除冰工程应用

叶 罕， 袁铜森

(1. 湖南省永吉高速公路建设开发有限公司, 湖南 吉首 416000; 2. 湖南省交通科学研究院, 湖南 长沙 410015)

超薄导电磨耗层除冰系统除冰工程应用

叶 罕1， 袁铜森2

(1. 湖南省永吉高速公路建设开发有限公司, 湖南 吉首 416000; 2. 湖南省交通科学研究院, 湖南 长沙 410015)

冬季路面冰雪清除工作是保障交通畅通和行车安全的基础。目前，路面冰雪清除主要采用人工清扫、机械清理、撒砂撒盐等，效率低且不及时。在2016年初的“超级寒潮”期间，自主研发的新型主动除冰技术——超薄导电磨耗层主动抗冰系统在厦蓉高速(G72)汝郴段上寨特大桥试验段成功应用，测试结果发现：当除冰热负荷为140 W/m2，可维持路表温度在1 ℃左右，足以清除路表温度为-5 ℃，积雪厚度5～10 cm冰雪。超薄导电磨耗层主动抗冰系统可实现路面冰雪及时、快速、主动清除，大大提高了道路冰雪灾害应急处理响应速度和安全保障能力，为道路除冰雪问题提出了全新的解决方案。

桥面除冰； 超薄导电磨耗层； 导电纤维布； 除冰系统； 现场测试

0 前言

随着高速公路和桥梁建设的快速发展，高速公路网及其桥梁在国民经济和社会生活中的作用越来越重要，但是冬季桥梁冰雪状况是影响高速公路交通安全，造成高速公路交通事故的一个重要因素。资料表明：正常干燥沥青路面的摩擦系数为0.6，雨天路面摩擦系数降为0.4，雪天则为0.28，结冰路面只有0.18，结冰路面汽车制动距离为正常道路的6～7倍，极容易造成交通事故[1-3]。冬季路面积雪结冰会导致交通堵塞，车辆制动距离增大，从而引发车辆发生打滑侧翻或追尾等事故。

冬季降雪通常会以浮雪、积雪和结冰3种形式滞留于路面，其中积雪和结冰对交通安全影响最为显著。一直以来，人们都在探寻行之有效的融雪化冰的方法。目前，国内外处理路面积雪结冰的方法有清除法和融化法。其中，清除法和化学融化法都略显被动且具有滞后性，对环境和路面结构也有一定的破坏。传统清除路面积雪的方法主要是采用人工、机械铲除或撒布融雪盐等被动融冰雪技术，不仅劳动强度大，使用效果滞后，而且融雪盐也对道路结构物、植被和生态环境等造成严重影响[4-6]。智能主动抗冰系统是近年来欧美等国率先研究的综合性技术，是一种具有预见性的防冰技术，该系统集成应用监测、自动控制、功能性材料等多学科理论与技术，以期实现路面冰雪状态实时感知、预警信息及时发布、结冰预防处治、自动清除冰雪等环节的信息化和智能化，大大提高了道路冰雪灾害应急处理的响应速度和安全保障能力。超薄导电磨耗层智能主动抗冰系统由路面状态感知子系统、自动控制子系统、路面发热子系统等组成。路面发热子系统以导电纤维布作为导电层，研制出具有导电、抗滑功能的超薄磨耗层(5～10 mm)，采用低电压通电加热方式实现路面冰雪快速融化。

1 超薄导电磨耗层除冰系统设计

超薄导电磨耗层除冰系统的核心为超薄导电磨耗层，该层由隔热粘结层、导电层以及磨耗层组成，如图1所示。隔热粘结层主要由双组份环氧树脂及石灰粉组成，环氧树脂A组分用量25%～35%，环氧树脂B组分用量为40%～55%，石灰粉的用量为3.6%～10%。将石灰粉与环氧树脂A组分混合并搅拌均匀后加入环氧树脂B组分再次搅拌至均匀。

已有研究表明，碳纤维布具有良好的导电性能[7-10]，因此本方案采用导电纤维布作为导电层，纤维布的裁剪宽度设计为1 m，长度可根据融冰热负荷确定，融冰热负荷越高，电极间距越小，纤维布长度越短。沿导电碳纤维布的长度方向两侧安装铜片电极，电极宽度4～6 cm，厚度0.03～0.08 mm，导电碳纤维布与电极的固定方式为铆接，铆接孔间距5～10 cm。导电纤维布采用环氧树脂与隔热粘结层连接。

图1 超薄导电磨耗层(单位：mm)

磨耗层采用双组份环氧树脂与黑刚玉磨耗碎石混合组成，其中环氧树脂A组分用量15%～25%，环氧树脂B组分用量为30%～40%，黑刚玉磨耗碎石的用量为50%～55%，玄武岩碎石粒径3～4 mm。施工过程中先在安装好的碳纤维布表面均匀涂刷2～3 mm厚的环氧树脂混合料，再均匀撒铺黑刚玉磨耗碎石保护层。黑刚玉磨耗碎石的厚度控制在1～3 mm，随之将表面完全覆盖，并充分压平。

环氧树脂隔热粘层有效地减少了热量向底层传递，导电碳纤维布层具有价格较低、发电阻小、热效率高的优点，磨耗层有效地满足了路面行车的抗滑耐磨损要求。导电碳纤维布整体层较薄，具有施工灵活的优点，可适用于新建道路或已通车道路，提高路面行车安全性能。

2 试验段实施

据调查，湖南省郴州市厦蓉高速(G72)上寨特大桥隧道入口处在每年冰冻季节都会先于其它路段结冰，主要原因是： ①场地海拔较高，处于山谷之间，受地形地貌影响风速高且湿度大； ②在隧道入口处由于内外温差较大，即使没有降水过程，水汽也极易积聚、结冰，加之行驶车辆经过隧道口时会产生“黑洞”或“白洞”现象，使驾驶员视线、反应能力等急剧下降，由此容易引发交通事故。因此超薄导电磨耗层除冰系统试验段选择在上寨特大桥右幅(天鹅塘隧道入口)实施，该位置桥面铺装结构层为6 cm粗粒式沥青混凝土(AC-20C)+4 cmSBS改性沥青玛蹄脂碎石(SMA-13)。导电纤维布磨耗层试验段总长度为8 m，电极间距为2 m，共布置3个区。试验段平面布置如图2所示。

图2 导电纤维布磨耗层试验段平面布置图

导电胶水磨耗层，由下至上依次分为：隔热粘结层、电极、导电胶水层、磨耗层。隔热粘结层的设计厚度为2 mm、导电胶水层设计厚度5 mm、磨耗层设计厚度3 mm。施工过程如图3所示。

a)隔热粘结层施工b)电极布置

c)纤维布铺设d)人工抛洒碎石

e)试验段竣工后效果图

3 试验段除冰效果测试

铺设完毕，待胶水干燥后，对其电阻进行了3次测试，测试时间分别为2015年2月(施工完毕7 d，地面温度5 ℃)，2015年7月(夏天，地面温度38 ℃)，2016年1月(冬天，地面温度2 ℃)，测试结果表明电阻基本稳定，稳定后的电阻如表1所示。各试验区的平均电阻约为0.67 Ω，单个试验区的宽度为3.5 m，长度为2 m，试验区面积为7 m2，供电电压为24 V，计算得到试验区的平均功率为142.6 W/m2(2016年实测结果)。

2016年1月23日～24日，“超级寒潮”来袭，试验段所在区域出现了大范围降雪、结冰现象。24日晚，厦蓉高速(G72)汝郴段积雪深度5～10 cm，并伴有2～3级偏北大风，过程降温幅度达6～8 ℃，桥面温度为在-5～0 ℃之间，导致沿线大部分道路、桥梁出现结冰现象，高速临时封闭。但超薄导电磨耗层除冰系统表现良好，通过其智能控制系统，准确、及时地启动了导电系统，使得试验段路表温度维持在1 ℃左右。“超级寒潮”来袭期间，试验段区域完全没有出现积雪、结冰现象，现场状况如图4所示。

表1 试验区电阻实测结果

图4 超薄导电磨耗层主动抗冰系统除冰效果照片

可以发现：超薄导电磨耗层除冰系统实现了路面冰雪及时、快速、主动清除，大大提高了道路冰雪灾害应急处理响应速度和安全保障能力，为道路除冰雪问题提出了全新的解决方案。

4 结论及展望

冬季路面冰雪清除工作是保障交通畅通和行车安全的基础。目前，路面冰雪清除主要采用人工清扫、机械清理、撒砂撒盐等，效率低且不及时。超薄导电磨耗层智能主动抗冰系统为道路除冰雪问题提出了全新的解决方案。通过对超薄导电试验段的施工及运营可得出以下结论：

1)由路面状态感知子系统、自动控制子系统、路面发热子系统等组成的超薄导电磨耗层智能主动抗冰系统能实现路面冰雪及时、快速、主动清除，保证冰雪天气的交通安全。

2)当除冰热负荷为140 W/m2，可维持路表温度在1 ℃左右，足以清除路表温度为-5 ℃、积雪厚度5～10 cm冰雪。

结合试验段的实施及1 a多的运营情况，该系统还可作如下改进：

1)进一步优化导电纤维布的布置方式，减少设计功率，可考虑仅在采用轮迹带区域布置纤维布，这样可使供电功率减少40%。

2)导电纤维布与电极的连接方式值得进一步研究，建议纤维布与电极的固定采用工厂预制的方式，并采用缓凝型胶水粘贴纤维布。

3)环氧树脂基磨耗层低温施工时固化时间较慢，在温度约6 ℃时，环氧树脂的初步固化时间约需12 h，完全固化时间需至少3 d；建议采用非环氧基的材料作为磨耗层的粘结剂，建议采用目前应用较广的丙烯酸酯聚合物溶液+碎石的组合。

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1008-844X(2017)02-0228-03

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