主动除冰雪技术

0 10
质量损失（g/cm2）
劈裂强度比（%）
95
相对动弹模量
劈裂强度比 相对动弹模量
轮迹带 轮迹带中 线性 (轮迹带) 线性 (轮迹带中) R² = 0.6725
路面积冰影响交通安全与快捷

R² = 0.7693
传统除冰雪方法对环境影响大、 交通设施损坏严重
0.92
20 30 冻融次数 40 50
防滑措施（带钉轮胎、防滑链） 机械除冰 低成本、环保型融雪剂的研发 人工除冰 除冰雪技术应用条件和方法尚不规范 多种除雪方法优化组合配置尚不完善
IRI (m/km)
88 86 A B C D 路段 E F G H
麻 面 拥 抱 松 散 坑 槽
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
长大纵坡 隧道入口 道路交叉口
运输安全
运输效率
通行能力
人民生活
1
2013-07-21
现状背景
传统除冰雪技术造成路面损坏严重 传统除冰雪技术造成路面损坏严重
反结冰，加剧滑溜
现状背景
路面坑槽/剥落
传统除冰雪特点：

操作简便 破坏性强
高
冬 季 路 面 管 理 水 平 抑制冻结 铺装
融雪剂除冰
机械除冰 传统除冰雪技术
橡胶颗粒路面
橡胶颗粒路面

橡胶颗粒路面
1
工作机理 橡胶颗粒混合料弹性变形能力增强 橡胶颗粒掺入，造成路表的结冰状况不均匀，冰的整体强度降低 橡胶颗粒与集料的刚度相差较大，橡胶颗粒变形能力强
将废旧的橡胶轮胎破碎成具有一 定形状和粒径的颗粒，并代替部分集 料，掺于沥青混合料中铺筑的路面。

橡 胶 颗 粒
B+3 B+4
憎水型卤化物与沥青的交互作用 沥青与集料交互作用的动态粘弹参数
0.2
表面能（YGGF方程）
粉胶比
B (tan m / tan c 1) / f
低冰点填料掺量 VS冰点 最佳粉-胶比的确定
有效降低沥青混合料的冰点
γs＜14mL/m2，蒸馏水接触角＞90°—低表面能憎水胶结料
普通路面 4.0 0.14 4.2 3.3
关键问题
低温冰雪-路表面的粘结力 冻融损伤防护
憎水型沥青路面有效防止水分入渗至路表大空隙结构内部
雪面积 无雪面积 总面积 无雪率
单位 蓄盐路面 1.6 m2 2.4 4.0 % 60.8
憎水型低冰点沥青路面
4
基于能量转化的融雪方法
推广应用
基于能量转化的道路融雪技术 能量转化
管间距6cm
管间距8cm
热管埋深（cm）
最小主应力分布，间距为4cm时相邻管应力叠加，8cm时叠加效应小。 考虑到施工过程的密实度，管间距应控制在6cm以上；
升温1h时热管最大主应力随热管埋深变化图
以低表面能憎水材料对 沥青进行改性，以多孔填料 吸附粉状氯化物，再进行憎 水处理得到低冰点填料代替 矿粉，掺于沥青混合料中铺 筑的路面。
AgNO3 低冰点填料 低冰点填料 氯离子析出， 降低冰-路表粘附性
憎水型低冰点沥青路面
1

憎水型低冰点沥青路面
1

材料开发 制备了低冰点填料——替代混合料中矿粉
1.2 1 B+1 B+2
5
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憎水型低冰点沥青路面
2

憎水型低冰点沥青路面
2

融雪性能评价 低冰点添加剂有效地解决了路面与冰层粘结的问题
融雪性能评价 氯离子检测
普通试件 憎水型低 冰点试件
掺量100%
掺量70%
掺量50%
冰与混合料粘结状态 评价方法
加AgNO3前
掺量30% 普通沥青混凝土
加AgNO3后
憎水型低冰点试件 普通试件
.5
×9 .6
5
2500
30
0
空间几何模型
整体有限元网格
局部子模型
分析不同深度和间距条件下，荷载与温度耦合对路面和埋管的 受力状态的影响
基于能量转化的融雪方法
0.60
温度范围-20 ℃~30 ℃
基于能量转化的融雪方法
②、埋管间距 最大主应力分布
路面最大主拉应力（MPa)
①、埋设深度
0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 4 6 8
A
凝冰前 凝冰后
B
C
D
路段
E
F
G
H
路面面对冰雪无能为力，只有被动承受
冰雪路面的冻融作用加速路面破坏,影响道路的耐久性
凝冰损伤影响因素—空隙分布状态
冰雪路面的冻融作用加速路面破坏,影响道路的耐久性
凝冰损伤影响因素—空隙分布状态
0 5 空隙率(%) 10 15 20 25 30 35 40 45
材料开发 制备了憎水型改性沥青胶结料
接触角
tari-101 80% 70% 60% B 20% 30% 40% 蒸馏水接触角（°） 1d 7d 98.5 95.5 98 94 95.9 93.5
躺滴法测量仪器
K.Ziegel-B
0.8 0.6 0.4
Bmax
最佳粉胶比
0.1 0.2 0.3 0.4 粉胶体积比 0.5 0.6 0.7
憎水型低冰点沥青路面
3
憎水型低冰点沥青路面
4

防护性能评价
推广案例 憎水型低冰点沥青路面技术在大庆-广州高速公路中的应用
• 改变表面润湿状态
水珠
工程特点
“五纵七横”中第一条纵向线 大温差地区：-40℃~+70℃
应用效果
降雪量大： 59.6mm 冰雪路面露出率提高了 57.5%，通车3年，未出现冻融破坏 日冻融频繁：83天/年 a)普通路面 憎水型防护材料试件 普通试件 b)蓄盐路面
2013-07-21
背景
道路，城市基础设施重要组成部分
主动融冰化雪路面的技术构想与实践
报 告 人：谭忆秋 单 位：哈尔滨工业大学
城市景观的底界面 物流的重要载体 社会的服务功能
中国工程科技论坛——城市可持续发展研讨会 2012.12.12
任务：提供快捷、安全的交通
背景
路面积雪结冰是普遍存在的现象
除 冰 能 力 橡胶颗粒混凝土 普通路面
普通沥青路面
普通路面
融雪路面
主动融雪路面
防 雪 压 实 橡胶颗粒混凝土 普通路面
路面露出率/% 摩擦系数
主动融雪路面 普通沥青路面 62 23 59 32
22 冰雪路面露出率达到62%，摩擦系数提高84%，有效提高冰雪路面的行车安全性
橡胶颗粒路面
4
橡胶颗粒路面
图像处理
距表面20mm内空隙大且连通
SMA-13-10mm
工业CT组成及扫描原理
AC-13-10mm AC-16-10mm 抗冻融能力差

冰雪与路表粘结紧密
空隙率沿厚度方向分布图
AC-13-50mm
AC-16-50mm
SMA-13-50mm
试件高度(mm)

2 7 12 17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 67 72 77 82 87 92 97 102
融雪剂除冰雪
人工除冰 融雪剂除冰
对环境影响
人工方法 机械方法
交通基础设施锈蚀剥落
——摘自PIAC会议报告 （北海道2001）
高 费用
低 低
背景
传统除冰雪技术造成路面损坏严重
102
研 究 背景 背景
冰雪路面的冻融作用加速路面破坏,影响道路的耐久性
100 98
96
PCI
凝冰前 凝冰后
松 散
94
92 90
AC-13 AC-16 SMA-13
2
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冰雪路面的冻融作用加速路面破坏,影响道路的耐久性
上面层冻融损伤很隐蔽，
100 1
0.98 0.96 0.94
冻融作用路面使用性能急剧下降
1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
90 85 80 75 70 65
4
应用案例
应用案例
橡胶颗粒路面技术在乌鲁木齐-五家渠一级公路中的应用
GCRAP
普通路面
车辆行驶过后，在路表面。
橡胶颗粒路表并未结冰
4
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橡胶颗粒路面
4
橡胶颗粒路面
4
应用案例
应用案例
橡胶颗粒路面表面的积雪并 未与路面粘结
撒融雪剂的普通路面已结了 一层薄冰，而且还有反光
普通路面 竣工1年后 竣工3年后 憎水型低冰点沥青路面
6
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基于能量转化的融雪方法
研究内容
一、基于能量转化的道路融雪试验系统的研发与修建 二、道路融雪系统温-湿耦合融雪模型的建立 三、道路融雪系统温-湿耦合融雪模型的验证 四、道路融雪系统的仿真分析 五、多地区多融雪目标基于能量转化的道路融雪系统单位面积 设计热负荷的研究 系统由太阳能-土壤源热能热泵系统（热泵机组、太阳能集热器、地 埋U型管换热器、循环水泵、中间板式换热器、蓄热水箱等）和道 路内埋换热管系统（道路实体和在其中铺设的管材）两部分组成。
冰 膜 橡 胶 颗 粒
冰 膜 碎 裂 GCR 冰膜
3
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橡胶颗粒路面
1
橡胶颗粒路面
2
工作机理

材料设计 除冰能力 抗高温车辙 多目标优化问题 抗低温开裂 抗疲劳性能 抗水损害 ……
星点 设计效应 面法

橡胶颗粒路面冰层在橡胶颗粒 位置处出现明显应力集中现象
随着橡胶颗粒含量增加，混合 料弹性变形能力增大
路面本身没有抑制路面结冰能力
0.9
4.0
6.0
8.0
10.0 12.0 VV（%）
14.0
16.0
2008年南方雪灾瘫痪了大半个中国、凝冰致使20多个省的公路受到损伤， 道路的社会服务功能受到挑战，直接经济损失达1000多亿人民币，严重影响了 人民生活、生产，造成了不良的社会影响。 —— 《2008年中国南方雪灾受灾情况调查报告》 挑战：通过路表功能主动改善冰雪与路面附着状态
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 4 6 8 10
温度范围-25 ℃~50 ℃ 温度范围-25 ℃~40 ℃
车辆荷载场与温度场叠加产生的最大拉应力 均比较小，远小于其极限破坏强度。 对于设有热管的路面而言，在热管埋置深度 6cm以上时，受力能够满足要求。
12
14
管间距4cm
14
研究目标

围绕冰雪-路面附着界面与冰冻损伤防护方面的关键科学 与技术问题，开展理论研究与技术创新 Part 1
橡胶颗粒沥青混凝土路面
——解决冰雪-路面界面粘结紧密造成抗滑不足问题
橡胶颗粒路面

憎水型低冰点沥青混凝土路面
——解决冰雪-路面界面粘结与冰冻损伤防护手段匮乏的问题
工作机理 材料设计 融雪化冰性能评价 推广应用
南方·冰雪

湿度大 道路凝冰 冻融循环次数多
背景
路面结冰严重影响高效、快捷、安全的交通
哈尔滨市重大交通事故分布
冰雪路面影响车辆行驶性能： 附着系数 降低 51%~74% 行驶速度 降低 30% 制动时间 提高 27% 道路积雪结冰导致的重大交 通事故占冬季交通事故总量的35%

背景
特殊路段是冰雪天气下的事故多发点
温度范围-25 ℃~50 ℃ 温度范围-25 ℃~40 ℃
（a）升温1h
10
12
14
热管埋深（cm）
升温1h时路面最大主应力随热管埋深变化图
0.45
管间距4cm
管间距6cm
管间距8cm
（b）升温30h
热管最大主拉应力（MPa）
温度范围-20 ℃~30 ℃
最小主应力分布
距路表8cm升温1h和30h时最大主应力分布图
橡胶颗粒路面：结冰不均匀 ，颗粒周围冰膜较薄，行车 荷载作用下极易破碎
普通路面：表面冰膜厚度均匀 ，行车荷载作用下不易破碎
憎水型低冰点沥青路面
Part 2
憎水型低冰点沥青路面
低温—冻胀破坏 憎水型胶结料 防止水分渗入 降低冰冻破坏
憎水型低冰点沥青路面

材料开发 融雪性能评价 防护性能评价 推广应用

背景
湖北 安徽 江西
大部分地区(占国土面积的85%）位于中、高纬度和高海拔 环境温度低且降雪影响区域大，冬季路面滑溜持续时间长 冻融作用频繁
冻融日数统计表（次）
城市 北京 哈尔滨 沈阳 阿拉尔 南京 云南（高原） 2000 99 63 56 141 38 65 2003 110 64 66 128 53 62 2005 88 45 71 112 67 62 2010 104 62 60 108 48 56 2011 94 52 81 103 66 66
工作原理图
1. 实验系统工作原理
基于能量转化的融雪方法 一、基于能量转化的道路融雪试验系统的开发
2.力学分析
基于能量转化的融雪方法
设计原则 “多能量来源”：采用太阳能-土壤源集成系统 作为融雪系统的能量来源。 “多运行工况”：变频热泵机组，变化埋管深度 及埋管间距实现多运行工况。
2500
40 19
18
星点设计—效应面法
橡胶颗粒比率
组成材料配比范围
橡胶颗粒
2500
模量值（MPa）
2000 1500 1000 500 0 0 5% 10% 20% 橡胶颗粒含量 橡胶颗粒含量
应力集中
离散单元分析结果（DEM)
橡胶颗粒路面
3

橡胶颗粒路面
4
性能评价 橡胶颗粒路表降低了冰雪-路面界面的粘结
应用案例
橡胶颗粒路面技术在乌鲁木齐-五家渠一级公路中的应用 橡胶颗粒路面除冰雪能 力有一定的适用范围， 温度不低于-12℃，冰 层厚度小于9mm