主动防冰技术研究发展报告

1、道路桥梁冬季运营安全与防冰、除冰技术的发展,山东交通学院 二一五年七月,汇报提纲,1、冬季道路运营的安全问题,2014年底，中国高速公路通车总里程达到11.2万公里，超过美国居于世界第一 中国民用机动车保有量已达2.64亿辆,其中汽车1.54亿辆,汽车数量仅次于美国居世界第二位 我国万车死亡率为6.2，是发达国家的4至8倍 因恶劣天气导致交通事故死亡人数逐年增加 12% 左右,冰雪状况是影响公路交通安全，造成公路交通事故的一个重要因素 冬季的降雪通常会以浮雪、积雪和积冰三种形式滞留于路面 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67倍，极容易造成交通事故 另外，隐形杀手“黑冰”,黑冰(Black Ice)指的是一种很薄的、覆盖在道路上难以发现的冰层。由于其厚度很薄，道路本身的柏油颜色会从其中透射出来，造成本身冰面的被视度很低，与道路融为一体，极难被发现。 这种黑色的薄冰，由于其本身温度并不是特别低，所以在冰的表面有一层融化的水，让这种冰比温度低的厚冰滑很多。黑冰会让车辆失去控制，打滑、打转、

2、刹车距离显着延长，是最危险的道路杀手之一。受局部气候受冻雨影响形成，这给气象预测和路政养护管理也带来了很大的难度。 最经常出现的地方是临近水域或是比较潮湿的地方，例如河湖边、以及潮湿的山谷的低洼处的道路特别是桥梁,在北方寒冷地区，冬季交通事故率比其他季节高出20%左右。根据对世界主要大中城市进行调查得出的结论，因道路结冰造成的交通事故占冬季交通事故总量的35%以上。,首先，在大范围长时间普降大雪的情况下，全面彻底解决高速公路除冰问题仍然是一个世界性的难题，只能综合利用管理和技术手段减少损失，降低影响。 但是，一些易结冰路段或事故高发路段应当采取一些主动式的防冰技术手段，可以显著减低事故率，起到事半功倍的效果。,特殊路段,特殊路段（如特大桥梁、长上坡、长下坡、桥面、迎风面和风口路段），易出现黑冰、结冰时间早、冰层厚且不易融化，容易引发交通事故，是防冰、除冰工作的重点，特别是特大型桥梁防冰除冰问题。,特大桥梁,长上下坡,风口路段,高速公路特殊路段在结冰初期极易引发交通事故，因此解决这些路段在结冰初期（事故高发阶段）的防冰、除冰问题成为解决问题的关键一环。,被动除冰雪技术,撒融雪剂,人工清除

3、,机械清除,氯化物融雪剂,环保型融雪剂,铲雪车,吹雪车,融雪车,主动除冰雪技术,热力融雪,添加抗凝 冰材料,抑制冻结铺装,发热电缆,太阳能发热,添加橡胶颗粒,镶嵌弹性物质,粗糙路面,导电混凝土,路面涂层,相变储能材料,地热管,主动式智能喷洒防冰除冰系统,二、国内外防冰除冰技术研究现状,路面除冰雪技术,（1）“氯盐类”融雪剂,（2）环保型融雪剂,氯化钠（工业盐）、氯化钙、氯化钾、氯化镁： 价格便宜 腐蚀破坏性强 容易造成环境污染 危害人体健康,醋酸钾、醋酸钙镁、生物降解化除冰融雪剂： 价格高 融雪效果好 对路面桥梁腐蚀很小 对环境无污染,融雪剂,2、国内外防冰除冰技术研究现状（被动除冰雪技术）,黑冰较难发现,2.1热力融雪,在路面内部安装发热装置融化冰雪，安全环保、融雪速度快，但能耗大、费用高、施工难度大，对路面材料、结构都有要求，后期维护需要挖开路面。,发热电缆,地热管,太阳能加热,导电混凝土,相变材料,铺设发热电缆或电热丝，产生热量，融化冰雪。,铺设换热管道，将地热传导至路面，融化冰雪。,建造太阳能转化储热装置，夏季存能于路基下的土壤中，冬季释放能量融雪除冰。,混凝土中加入导电碳纤维

4、，利用电能使之发热，除冰融雪。,一种特殊有机物相变材料（PCM）由液态转化 为固态时释放大量热能，融化冰雪。,湖北恩施州省道南（湖南省石门县南北镇）鹤（湖北鹤峰县）线大垭桥隧群全长3.7公里,2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）,2012年，湖南省郴宁高速公路连接线匝道桥面进行了85m试验段施工，每平米区域内可溶解平均厚度达10mm的冰层，工程造价为每平米400元500元左右，其融冰效果短期较好。,2.2 添加抗凝冰材料,在沥青混合料中添加浓缩氯化钠和氯化钙等盐化物，路面经水浸泡后能释放抗冰盐物质，可降低冰点有效阻止和延缓路面结冰。,建设施工成本较高，对沥青混凝土的路用性能（如动稳定 、残留稳定度、破坏应变、冻融劈裂强度比）和环境均有影响，只适用于短期低温少量冰雪环境，防冰35年，使用后期除冰效果会下降。,2、国内外防冰除冰技术现状（主动除冰雪技术）,2012年，湖南省长湘高速公路马鞍山高架桥段应用此技术的示范工程完工每平米造价180元（其中抗凝冰外掺材料100元/m2）。,2.3抑制冻结铺装,添加橡胶颗粒,镶嵌类技术,粗糙路面,建设施工成本较高，对路面性能和耐久度有影响，

5、只适用于短期低温少量冰雪环境。,2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）,添加一定量的特殊材料，改变路面与轮胎接触状态和路面形变特性，路面在外荷载下产生的自应力，使路面冰雪破碎融化。,2.4 智能防冰除冰系统,2、国内外防冰除冰技术现状（主动除冰雪技术）,从欧美等国首先兴起的综合性技术，将气象信息与防冰除冰统筹考虑，把传统除冰手段和工业自动控制技术、计算机软件技术以及传感器技术相结合，具有预见性，催使除冰模式从被动除冰向主动转变。 初期建设投入较大，但其具有长期有效、智能化信息化程度高、主动性强等优点，特别适合一些重要路段和大型桥梁。,2.4 智能防冰除冰系统,（1）美国弗吉尼亚州自动喷淋桥面防冰系统（FAST） 1997年美国弗吉尼亚州，桥长56米，由欧丁神系统国际(Odin System Internationals)公司研制，这也是美国现阶段唯一的技术比较成熟的系统。 建设和营运成本较高，建设成本折合人民币（按当前汇率6.14计算）为约690万/km。 防冰除冰的范围仅一个车道宽度，喷洒系统需改进,FAST抗冰效果,2、国内外防冰除冰技术现状（主动除冰雪技术）,2.4 智

6、能防冰除冰系统,2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）,（2）瑞士波雄公司的固定式除冰喷洒系统 多种地埋式、路侧式的喷头，以适应不同宽度、形状和行车特点的路面 强大的后台管理系统实现喷洒的精准控制，获取系统运行的详细状态，集中管理 高度集成的传感器和控制系统实现无人管理和远程管理,2.4 智能防冰除冰系统,2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）,（3）芬兰维萨拉公司的固定式防冰喷洒系统(FAST) 系统特点： 准确性 及时性 便利性 FAST包括以下几部分： 融雪剂贮液罐 真空输液泵、管路及控制系统 喷嘴 埋入式嵌装在路面上 路侧式安装在护栏上 交通气象站监测路面变化，根据设定控制系统启/停。 网络接口，用于远程手动控制,2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）,2.4 主动式智能防冰除冰喷洒系统,（4）湖南省交通运输厅课题项目研制的桥梁主动式智能防冰除冰喷洒系统 2013年， “公路桥梁主动式智能自动防冰除冰喷洒系统工程应用研究及开发” 课题，取得阶段性成果，国内首次在湖南汝郴高速公路黄家垅特大桥上作为试点项目已经安装实施，具有较好的抗冰效果。 衡桂高速公

7、路的老屋场特大桥防冰除冰喷洒系统也已经建设完成。,2.5 路面涂层技术,使用特制的粘结材料将一种环保型的融雪物质附着在路面表面，融化路面积雪。 国内外，西安中交万里新材料有限公司独自拥有环保型抗冰涂层材料（倍福瑞（PavSafe）在国内的雅西高速下鲁坝桥、国道108线巫山脚下、贵阳市西南环线沙河特大桥等地有投入试用。,建设施工成本偏高，运行成本低 技术不够成熟，多次涂装降低路面抗滑性能 适用于短期低温少量冰雪环境，冰冻初期抗冰有效,2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）,2.6 小结,2、国内外防冰除冰技术研究现状,综上述，目前主动抗冰技术普遍存在技术不成熟、施工复杂、维护困难、使用局限性强和成本高昂等问题。 主动式智能防冰、除冰喷洒系统经过不断的优化和工程实践，在国外尤其北美地区得到了更多应用推广。在国内经过不断地技术攻关，在技术上更加成熟可靠、施工简单可控、造价经济合理、后期维护简单，应用前景广阔。,3、主动式智能防冰除冰喷洒系统,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,“公路桥梁主动式智能防冰除冰喷洒系统工程应用研究及开发”是2013年度省交通运输厅科技进步与创新项目计

8、划立项的课题之一。目前该课题已取得阶段性成果。,汝郴高速公路黄家陇特大桥主动式智能防冰除冰喷洒系统实景图,3.1.1 系统组成,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,是整个系统的“眼睛”，可以实时采集桥梁上的大气温度、大气湿度、路面温度、路面状态（冰、雪、水、霜）等气象信息，传入控制中心建模分析后得出湿滑系数等控制参数。,Vaisala-DSC111远程表面状态传感器,Vaisala- DST111远程表面温度传感器,（1）路面气象信息系统,3.1.1 系统组成,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,采用PLC控制系统，由一个总站控制中心和8个分站控制箱协同控制实现。具有手动、自动两种工作模式和远程无线通讯报警功能。,控制柜,分站箱,（2）处理控制子系统,3.1.1 系统组成,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,液压管道,泵站,喷淋系统,喷嘴,（3）喷淋子系统,3.1.1 系统组成,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,（3）喷淋子系统,3.1.1 系统组成,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,1,泵 站,包括两个除冰液存储罐、液位计、离心泵、电磁流量计和压力表。,采用混

9、凝土框架结构，长宽高为：9*7.2*5.5m,（3）喷淋子系统,3.1.1 系统组成,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,喷 嘴,喷嘴是整个系统的核心部件，每6m一个安装于护栏上，它在工作压力下喷射距离可以达到11m，同时通过旋转喷洒能够实现将除冰液均匀喷洒于桥面上。,RAINBIRD旋转喷嘴,护栏内侧垂直安装,（3）喷淋子系统,3.1.1 系统组成,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,管道 系统,主管管径：DN100；支管管径：DN50、DN20 每组DN50管上安装一个球阀、减压阀、电磁阀、流量开关和压力开关， DN20管上连接8个喷嘴，从而构成一个执行设备组，负责根据控制中心指令开关电磁阀控制喷嘴。,球阀,减压阀,电磁阀,流量开关,压力开关,DN100,DN50,DN20,为智能防冰除冰系统及其子系统提供动力电源，保证系统的控制信号、各传感器采集的数据和反馈信号的正常稳定地传输。,配电箱,输电电缆,供配电单元,支持子系统,光纤,信号电缆,光电传输单元,压力开关,流量开关,故障自诊断单元,通信接口,（4）支持子系统,3.1.1 系统组成,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,自动接收气象传感器的检测数据，并将检测数据与设定的判定条件比较，以确定是否启动喷淋系统。喷淋系统启动后根据喷洒时间自动控制各个单元喷嘴的启动。喷淋完成后，系统自动监测路面抗滑系数的变化，若由大变小则进行第二次喷淋。,3.1.2 工作原理,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,1,2,3,4,5,气象及路面状况信息自动监测采集,自动工作模式，智能判断，自动启动防冰除冰喷淋系统,手动工作模式，人工启动系统工作,无线通讯功能,故障自诊断和报警功能,3.1.3 系统功能,3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍,结合海绵城市建设，将收集的城市降水进行净化，输送至净化水储存罐（也可直接使用城市用水），根据路面气温、湿度等信息，可以冬季自动喷洒防冰液，夏季自动喷洒清水，实现夏季高架桥桥面的除尘、降温，可全路段同时作业，启动快，效率高，同时对高架桥车辆通行不产生任何影响，美

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