一、研究背景

我国寒区地域广阔，东北、西北及华北北部等地区高速公路总里程超10万公里，其中桥梁占比达8%-12%。桥面因悬空结构特性，热量易散失、温度较路面更低，且受风力影响大，冰雪凝结速度比普通路面快30%-50%，成为冬季交通事故高发路段。据交通运输部统计，寒区冬季因桥面冰雪引发的交通事故占高速公路事故总量的40%以上，直接经济损失年均超50亿元，同时频繁除雪作业还会加剧桥面铺装层损耗，缩短桥梁使用寿命。

当前寒区高速公路桥面冰雪防治主要依赖机械除雪、撒布融雪盐等传统方式，但存在明显局限性：机械除雪对桥面结构损伤大，且难以清除桥面缝隙内积冰；融雪盐会导致钢筋锈蚀、混凝土剥落，引发桥面耐久性问题，每平方公里年融雪盐使用量超20吨，对周边生态环境造成严重污染。随着“平安交通”“绿色交通”建设推进，研发高效、环保、低损伤的桥面冰雪防治技术与材料已成为行业迫切需求。

近年来，国内外学者开始探索新型防治技术，如自融雪桥面铺装、电热融雪系统、纳米防冰材料等，但在实际应用中仍面临挑战：自融雪铺装材料的融雪效果随使用年限衰减，电热融雪系统能耗高、维护成本大，纳米材料的耐候性与经济性难以平衡。因此，系统研究寒区高速公路桥面冰雪形成机理，开发适配寒区环境的防治技术与材料体系，具有重要的理论与实践价值。

二、研究目的与意义

（一）研究目的

本研究旨在针对寒区高速公路桥面冰雪防治的技术痛点，通过分析桥面冰雪形成的热力学与动力学机制，研发新型环保防冰融雪材料，优化现有防治技术方案，构建“主动预防—高效清除—长效维护”的一体化冰雪防治体系。重点解决传统防治方式中环保性差、损伤性大、效果不稳定等问题，为寒区高速公路桥面冰雪治理提供技术支撑与实践方案。

（二）研究意义

1. 理论意义：深入揭示寒区桥面冰雪形成与累积规律，阐明新型防冰材料的作用机理，丰富桥面冰雪防治的理论体系，为相关技术创新提供理论依据；同时，建立桥面冰雪防治技术的性能评价指标体系，填补寒区特殊环境下技术评价标准的空白。

2. 实践意义：研发的环保融雪材料与优化技术可显著降低融雪盐使用量，减少桥面结构损伤与生态污染，延长桥梁使用寿命；一体化防治体系能提高冰雪清除效率，降低交通事故发生率，保障冬季交通通行安全；相关成果推广应用可节约养护成本，推动寒区高速公路养护模式向绿色化、智能化转型。

三、国内外研究现状

（一）国外研究现状

国外寒区桥面冰雪防治研究起步较早，技术应用较为成熟。在材料研发方面，美国、挪威等国开发了掺加氯盐类、醋酸盐类的自融雪混凝土，通过内部盐化物缓慢释放实现融雪，但存在盐分迁移导致的耐久性问题；日本研发了含火山灰的多孔性防冰铺装材料，利用孔隙吸蓄阳光热量提升桥面温度。在技术装备方面，欧洲推广“机械除雪+热空气融冰”联合作业模式，配备专用桥面除雪车，作业效率比传统设备提升40%；瑞典在长大桥梁中应用碳纤维电热融雪系统，通过智能温控实现精准融雪，但能耗成本较高。在监测预警方面，国外普遍建立了基于物联网的桥面冰雪监测系统，实时采集温度、湿度、冰厚等参数，为防治作业提供决策支持。

（二）国内研究现状

国内近年来加大桥面冰雪防治技术研发力度，取得系列成果。在材料方面，哈尔滨工业大学研发了掺加纳米二氧化硅的防冰涂料，接触角可达110°以上，防冰效果持续6个月以上；东南大学开发了新型环保融雪剂，以氯化钙为基料复配缓蚀剂，对钢筋锈蚀率降低50%以上。在技术创新方面，国内学者提出了“自融雪铺装+被动蓄热”复合技术，利用相变材料储存太阳能用于融冰；河北、黑龙江等省份在高速公路桥梁中试点应用电磁感应融雪技术，能耗较传统电热系统降低30%。但国内研究仍存在不足：一是新型材料的耐候性与经济性难以兼顾，大规模应用受限；二是防治技术多单一应用，缺乏系统整合；三是智能化监测与作业协同水平较低。

（三）研究现状评述

综上，国内外已在桥面冰雪防治材料、技术装备等方面取得显著进展，但国外技术成本高、适配性不足，国内研究在材料长效性、技术集成化及智能化方面仍有提升空间。本研究将结合我国寒区气候特点与桥面结构特性，聚焦材料环保化、技术一体化、管理智能化，提出更具实用性的解决方案。

四、研究内容

（一）寒区桥面冰雪形成机理与影响因素研究

通过现场监测与室内模拟，分析寒区不同气候条件（温度、湿度、风速、降雪量）下桥面温度场变化规律，揭示冰雪在桥面的凝结、累积与冻结过程；研究桥面铺装类型、结构形式、排水系统对冰雪形成的影响，建立桥面冰雪累积量预测模型，明确防治技术的关键作用节点。

（二）新型环保防冰融雪材料研发与性能优化

1. 环保融雪剂：以氯化钙、magnesiumchloride为基础，复配植物提取物缓蚀剂、生态稳定剂，研发低腐蚀、可降解的复合融雪剂，优化组分配比，测试其融雪效率、钢筋腐蚀率、土壤生态影响。

2. 防冰涂料：采用有机硅树脂为基料，掺杂纳米二氧化钛、石墨烯导电填料，制备兼具防冰、耐磨、耐老化性能的复合涂料，研究涂层厚度、施工工艺对防冰效果的影响。

3. 自融雪铺装材料：将缓释型融雪组分、相变蓄热材料掺入沥青混凝土，研发自融雪桥面铺装材料，测试其融雪性能、力学性能及长期耐久性。

（三）桥面冰雪防治技术集成与应用方案

1. 主动预防技术：优化电磁感应融雪系统的布设方式，结合太阳能供电系统降低能耗；完善桥面排水系统设计，研发防冰雪排水篦子，减少桥面积水结冰。

2. 高效清除技术：改进桥面专用除雪车的铲雪装置，开发柔性接触式除冰机构，降低对桥面的损伤；提出“融雪剂+机械除雪”协同作业流程，明确不同冰雪条件下的作业参数。

3. 一体化方案：结合监测数据与预测模型，制定“预防—清除—维护”全流程防治方案，针对不同等级高速公路桥梁提出差异化应用策略。

（四）防治效果评价与示范应用

建立包含安全性、环保性、经济性、耐久性的效果评价指标体系，制定技术与材料的性能检测标准；选取黑龙江、内蒙古等寒区高速公路典型桥梁开展示范应用，通过现场监测、数据分析验证技术与材料的实际应用效果，总结推广经验。

五、研究方法

1. 文献研究法：系统梳理国内外桥面冰雪防治相关文献、标准规范与工程案例，总结现有技术成果与研究空白，奠定理论基础。

2. 现场监测法：在寒区选取3-5座典型高速公路桥梁，布设温度、湿度、冰厚传感器及视频监控设备，连续监测冬季桥面冰雪形成过程与防治效果。

3. 室内试验法：在实验室构建桥面冰雪模拟环境，开展材料融雪效率、腐蚀性能、力学性能等测试；通过正交试验优化材料组分与工艺参数。

4. 数值模拟法：运用ANSYS、FLUENT软件模拟桥面温度场、冰雪形成过程，分析不同防治技术的作用效果，优化技术方案。

5. 示范应用法：在实际桥梁工程中应用研发的材料与技术，通过对比试验、数据分析评价其适用性与有效性。

六、研究技术路线

1. 前期准备阶段（第1-2个月）：明确研究目标与内容，制定研究方案；开展文献调研与现场踏勘，选取监测与示范桥梁；搭建实验室模拟平台。

2. 机理研究阶段（第3-4个月）：开展桥面冰雪形成过程现场监测与室内模拟，分析影响因素，建立累积量预测模型。

3. 材料研发阶段（第5-8个月）：研发环保融雪剂、防冰涂料、自融雪铺装材料，通过试验优化性能；完成材料性能检测与评价。

4. 技术集成阶段（第9-10个月）：优化主动预防与高效清除技术，制定一体化防治方案；建立效果评价指标体系与检测标准。

5. 示范应用阶段（第11-12个月）：在示范桥梁应用研究成果，监测应用效果；整理数据，撰写研究报告与技术手册。

七、研究创新点

1. 材料创新：研发的复合融雪剂与防冰涂料兼具高效性、环保性与耐久性，解决传统材料腐蚀大、污染严重的问题；自融雪铺装材料整合缓释融雪与相变蓄热功能，提升长效防冰效果。

2. 技术集成创新：构建“主动预防—高效清除—长效维护”一体化防治体系，实现不同技术的协同应用，提高防治效率与经济性；结合太阳能与电磁感应技术，解决融雪系统高能耗难题。

3. 评价体系创新：建立涵盖多维度的综合评价指标体系，为桥面冰雪防治技术与材料的选型、应用提供科学依据，填补行业评价标准空白。

八、结论

寒区高速公路桥面在冬季易积雪结冰，严重影响行车安全与道路畅通，开展相关防治技术与材料应用研究迫在眉睫。目前，现有的桥面冰雪防治手段存在效果不佳、耐久性不足、成本较高等问题。本课题聚焦寒区特殊环境，旨在探索高效、环保、经济的桥面冰雪防治技术与适用材料。通过理论分析、实验研究和现场试验，预期能够筛选出性能优良的冰雪防治材料，优化防治技术工艺，形成一套适合寒区高速公路桥面的冰雪防治体系，有效降低冰雪灾害对交通的影响，保障寒区高速公路的安全运营，具有显著的经济和社会效益。