摘要：本文对高速公路桥梁防滑抗冰技术作了一些探讨和研究，将相变储能材料应用到桥梁防冰抗滑当中，从热传导理论计算和室内试验证明了此方法的可行性。对基于外掺防冰材料的桥梁防滑抗冰技术进行了分析，从技术和经济两方面对比了现有的三种外掺防冰剂，“路丽美”防冰外掺材料在性能和经济方面都优于其他外掺防冰材料，并经工程实例认证，对环境影响很小，具有工程实施可行性。考虑到桥梁防冰技术的实际应用情况和结构安全性等因素，认为现阶段采用外掺防冰材料的技术要优于相变储能材料的应用。
关键词：桥梁防冰；相变储能材料；外掺防冰材料；
0引言
目前，我国已经建成以高速公路为主干线的公路网络，公路交通运输网络是保障客运快捷和物流通畅的重要基础设施，直接关系到社会稳定与经济发展。路面结冰严重降低道路交通安全等级。冬季路面及一些特殊路段，如：桥梁、弯道、上下坡路、高速公路上、下匝道、机场跑道、城市十字路口等，在气温骤然下降，空气潮湿雾气大的情况下，路面桥面极易形成冰层，这种凝冰具有“硬度大、厚度溥和不易铲除”的特点，从而导致突发交通意外事故或造成道桥路面交通的行驶不畅、拥堵等问题，一直困扰着世界各国交通部门。
我国历年来因冬季冰冻而引发的交通事故约占全年交通事故的30%，事故发生率是平时的4～5倍。跨越江河，地形旷野，风大、雨大、湿度大;高速公路桥梁远离地面，没有地热，遇低温时更容易出现结冰。桥面结冰导致桥面摩擦系数较其他季节明显降低，不仅会使车辆运行速度大大降低，造成严重的交通阻塞，容易引发交通事故;给人民生命财产安全造成的损失程度，远远高于一般公路路面地段。2008年1月中旬至2月初，一场覆盖全国2／3面积的雨雪冰冻灾害，影响了23个省市的公路交通，直接经济损失过1000亿。因此高速公路桥梁防滑抗冰技术的研究，显得更加突出重要。本文针对现有的主动防冰技术，从技术和经济两个主面进行了对比分析。为高速公路桥梁防滑抗冰的相关应用提供依据。
1基于相变储能材料的桥梁防冰技术
相变材料(phase change materials，简称PCM)或称相变储能材料，它属于能源材料的范畴。广义来说，是指能被利用其在物态变化时所吸收(放出)的大量热能用于能量储存的材料。考虑到公路路面的低温冰冻主要是由于路表温度过低，达到0℃及以下，同时遇到雨雪天气，表面则发生积雪及冰冻现象。因此，可选取适当的液-固相变储能材料，其相变温度点高于水的冰点(0℃)，在相变点左右，材料液态向固态的转变放出大量的热量，有效阻止或延缓雨雪在路表的结冰，从而提升防冻抗滑性能。
因此，本研究拟将PCM引入到桥面面层材料的设计中，开发用于桥面结构的相变储能材料系统，并利用特定封装技术将其铺筑于实际桥面结构中，增强路面在恶劣气候条件下的应急反应机制。
1.1相变储能材料
研究确定采用有机多元醇作为相变储能介质的主体材料，通过前期实验室研究结果，采用复合多元醇作为相变材料，包括正9～12醇材料，以及复配用的液体石蜡、10～12酸等材料，其主要特点为：相变温度点可控，相变放热效果好，且对桥面结构无酸碱等腐蚀性。
为了研究复合有机多元醇的相变温度范围，找到适用于桥面结构用的多元醇材料，我们选取了三种不同配比的多元醇进行相变温度范围试验。从试验结果可以看到：用于融冰的相变储能材料温度范围可定在5℃-10℃。
1.2封装材料
考虑到相变材料常温为液态，必须进行封装，同时要求具有足够的强度，因此，采用高强度圆形钢管作为相变材料的封装构件。圆形钢管内径50mm，壁厚3mm。为方便钢管注入相变材料，进行了两端封口设计，一边封闭，另一边加工成螺栓构造。其示意图如图4所示。
1.3室内试验
为了观察相变储能材料的融冰效果，模拟桥面板设计了尺寸为：500mm×400mm×80mm的试件，进行室内融冰雪试验。将桥面板结构设计为四层：表面沥青混凝土层、水泥混凝土层、含相变储能材料的高强度无缝钢管层以及保温砂浆层。其设计结构图可如图5所示。
从试验结果可以发现，铺设有相变储能材料的桥面板融冰效果十分明显。对封装钢管的试验前后温度变化测量，数据表明管内相变材料由试验前的10℃下降为试验后的3.5℃，完成液－固相变；钢管铺设处混凝土表面由试验开始的0℃上升为1.8℃，出现了一定幅度的吸热升温。同时通过图7可发现，管内材料已相变为固态，其相变潜热得到了释放，并通过钢管传导到路面板表面，因而融冰防冻效果得到了增强。
但是，这种基于相变材料系统的桥梁特殊面板设计，还没有通过实际工程的检验，有待进一步完善。
2基于路面外掺防冰材料的桥梁防冰技术
路面防冻外掺剂的应用作为一种路面主动防冰措施，能较大程度地提高桥面在大雪冰冻环境下的自身防冻除冰能力。当今各国研究人员对于路面防冻剂的研究也取得了一定的成果，日本的低冰点盐化物铺装，密西根科技大学的环氧树脂防冰铺装，瑞典的橡胶颗粒沥青混合料铺装等方案，均指明了桥面铺装工程的自我主动防冰方向。这种技术不仅无需事前预警，无需驾驶员有效接收信息，而且解决了耐久性与低成本循环应用的难题。
2.1“路丽美”外掺防冰材料
“路丽美”是由氯化钙与斥油性物质混合反应，经化学工艺处理而得到的路面防结冰材料，使用时被添加到沥青混合料中并用于沥青路面上面层。在冬季气温较低，空气湿度增大的条件下，它被迅速激活，通过毛细管现象及行驶车辆的摩擦使路面中的“路丽美”材料不断析出；通过降低路面的冰点来有效的阻止路面结冰。
2.2“Mafilon”外掺防冰材料
Mafilon(中译称马飞龙)防冰技术是在混合料里加入缓解路面冻融的盐化物材料，主要成分为氯化钠、氧化硅、碳酸钙、氧化镁、三氧化二铁等物。在冬季冰点温度环境下，通过浸透压和毛细管现象及行驶车辆的摩擦效果使抗路面冻结材料逐渐析出，降低路面的冰点等来达到缓解路面的冻结效果。
2.3重庆鹏方抗凝冰材料
重庆鹏方抗凝冰材料是细度类似于矿粉的一种填料，以一定掺量掺加在沥青混合料当中，该混合料依靠抗凝冰填料中的抗凝冰成分在车载作用、负毛细压力等作用而逐渐析出路表，从而达到抑制或缓解路面凝冰发生。
2.4三种外掺防冻材料的技术经济比较
为了分析三种外掺防冻材料在国内工程中的适用性和经济性，对三种材料进行了相关试验，其对比分析结果如下表所示：
材料的经济效益，以长一公里的双向四车道路面，摊铺沥青砼厚度为四公分，外掺5%的防冻材料，并按其现行市场价格得出。
3结论
本文通过对现有的两大类桥面防冰技术进行了一定的研究与分析，得到以下结论：
（1）相变储能材料的研究应用能较好的防止冬季桥面结冰，封装钢管的铺设密度决定桥面融冰效果。热能的提供来自于材料本身的固-液形态的转变，因此不存在对周围环境的污染，但是由于封装钢管的尺寸较大并且要以较密集的间距布设在混凝土基层中，将会对桥面结构会产生不利影响。特别是对于重载交通的道路桥梁，使用相变储能材料的桥面无法承受这种重载交通，将会造成结构的破坏。因此基于相变储能材料的桥梁防冰技术还需要进一步的实际工程验证。
（2）外掺防冻材料是一种比较成熟的、方便的桥梁防冰技术。通过对现有的主要三种外掺防冻材料的技术经济对比研究，目前“路丽美”防冰材料在性能和经济上均优于其他外掺防冰材料，并有利于环境保护。
（3）对于在建桥梁，在桥面防冰抗滑措施的选取上，考虑到技术成熟性和结构安全性，采用外掺防冰材料要优于相变储能材料的应用。
