駱宏勛，李　晟，章照宏，袁銅森，鄭　輝，張登春，李孔清

(1.湖南省永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 古丈　416000；2.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙　410008；3.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙　410015；4.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭　411201)

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公路橋梁超薄導(dǎo)電磨耗層除冰系統(tǒng)試驗研究

駱宏勛1，李晟1，章照宏2，袁銅森3，鄭輝3，張登春4，李孔清4

(1.湖南省永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 古丈416000；2.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙410008；3.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙410015；4.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭411201)

利用超薄導(dǎo)電磨耗層對路面進(jìn)行融雪化冰是一種有效的道路抗冰技術(shù)。制作了600 mm×600 mm×380 mm的橋梁試件，通過低溫人工環(huán)境室對超薄導(dǎo)電磨耗層除冰過程進(jìn)行了模型試驗。結(jié)果表明：采用超薄導(dǎo)電磨耗層除冰，電阻越小，磨耗層表面加熱時溫度分布越均勻，3 Ω的磨耗層比5 Ω的磨耗層除冰效果要好；當(dāng)試件上表面風(fēng)速為8.0 m/s、環(huán)境室溫度為-4.1 ℃融冰時，磨耗層的融冰功率需要370 W/m2。當(dāng)磨耗層的發(fā)熱功率為334 W/m2時，對上表面風(fēng)速為8.0 m/s、環(huán)境室溫度為-3.7 ℃的工況勉強(qiáng)能防結(jié)冰。

；橋梁路面；超薄導(dǎo)電磨耗層；防凍融冰；模型試驗

隨著高速公路和橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，高速公路網(wǎng)及其橋梁在國民經(jīng)濟(jì)和社會生活中的作用越來越重要，但是冬季道路和橋梁結(jié)冰或積雪是影響高速公路交通安全，造成高速公路交通事故的一個重要因素[1，2]。根據(jù)世界主要大中城市調(diào)查結(jié)果，因道路結(jié)冰造成的交通事故占冬季交通事故總量的35%以上[3]。多年來各國的道路交通部門對道路的防冰融冰問題開展了大量的研究工作，這些研究主要針對發(fā)熱電纜加熱路面的除冰過程[4-8]，國內(nèi)主要研究了發(fā)熱電纜對路面融雪化冰的影響[9-14]，而對超薄導(dǎo)電磨耗層除冰系統(tǒng)研究很少。袁玉卿[15]研究了導(dǎo)電瀝青混凝土發(fā)熱的影響因素，分析了電壓和纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試塊發(fā)熱升溫的影響，并進(jìn)行真雪的融化試驗。本文以赤石大橋為工程依托，首次針對公路橋梁超薄導(dǎo)電磨耗層融冰系統(tǒng)進(jìn)行模型試驗，研究低溫環(huán)境下不同電阻的磨耗層除冰過程，研究結(jié)果為超薄導(dǎo)電磨耗層除冰系統(tǒng)的實際工程應(yīng)用提供參考。

1　試驗?zāi)Ｐ图皽y試裝置介紹

橋梁試件依照赤石大橋的橋面結(jié)構(gòu)制作，試件大小為600 mm×600 mm×380 mm，上層為瀝青鋪裝層100 mm(40 mm SMA-13細(xì)粒式改性瀝青+60 mm AC-20(C)中粒式瀝青硂)。超薄導(dǎo)電磨耗層直接刷在SMA-13面層，由隔熱粘結(jié)層、導(dǎo)電發(fā)熱層、抗滑磨耗層三層組成的薄層復(fù)合結(jié)構(gòu)，以導(dǎo)電環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)料，具有導(dǎo)電、抗滑功能的磨耗層厚度5～10 mm，以36 V安全電壓作為電源對磨耗層進(jìn)行通電加熱。瀝青層的下面為280 mm(C55混凝土)橋面體，試件測點布置如圖1所示。試件共布置5層測溫?zé)犭娕?，試件上表面布?01到106這6個測點，中面層上表面布置107到109共3個測點，混凝土上表面布置112到117這6個測點，混凝土中間層布置205到210這6個測點，試件下表面布置201到204共4個測點。圖2為2 mm厚的底層隔熱層，起粘結(jié)和隔熱作用；圖3為5 mm厚的中層導(dǎo)電層，起導(dǎo)電和發(fā)熱作用；圖4為面層磨耗層，起抗滑和保護(hù)作用。

圖1　橋梁試件超薄導(dǎo)電磨耗層除冰系統(tǒng)熱電偶布置

實驗測試裝置如圖5所示，對試件四周側(cè)面包裹泡沫材料進(jìn)行保溫，試件上表面放置一層薄膜，在薄膜上放入2～3 mm厚的水，工業(yè)落地扇調(diào)一、二、三檔風(fēng)，其對應(yīng)的上表面風(fēng)速分別為3.0 m/s、5.5 m/s和8.0 m/s，用于模擬不同的橋面風(fēng)速。人工環(huán)境室的溫度和濕度通過鄰室的3臺制冷機(jī)進(jìn)行控制。2個試件的超薄導(dǎo)電磨耗層電阻分別為5 Ω和3 Ω，通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)導(dǎo)電磨耗層的電壓以控制其功率。實驗得出普通SMA-13試塊的導(dǎo)熱系數(shù)均值為1.463 W/(m·K)。溫度測量通過將試件內(nèi)部布置的K型熱電偶接到Agilent34972A數(shù)據(jù)采集器，通過網(wǎng)線傳輸?shù)絺€人電腦將數(shù)據(jù)輸出。

圖2　超薄導(dǎo)電磨耗層底層隔熱層

圖3　超薄導(dǎo)電磨耗層中層導(dǎo)電層

圖4　超薄導(dǎo)電磨耗層面層磨耗層

圖5　超薄導(dǎo)電磨耗層除冰實驗照片

2　超薄導(dǎo)電磨耗層除冰實驗

2.1試驗工況

本試驗對電阻分別為5 Ω和3 Ω的2個試件進(jìn)行除冰實驗，每個試件測試4個工況，其試驗工況如表1所示。

表1 實驗測試工況工況磨耗層電阻/Ω試件上表面風(fēng)速/(m·s-1)磨耗層發(fā)熱功率/(W·m-2)環(huán)境室溫度/℃融冰過程室內(nèi)溫濕度平均值溫度/℃濕度/%12345.00.5320-11.4～-4.5-7.366.63.0320-10.0～-5.0-6.663.25.5436-5.5～-1.4-3.865.38.0436-5.8～-2.4-4.462.856783.00.5334-8.5～-7.2-7.864.83.0334-6.8～-3.0-4.966.45.5334-6.9～-1.0-3.566.78.0370-6.2～-2.0-4.166.4

下面以工況4為例，描述試件的結(jié)冰及融冰過程。

2.2工況4結(jié)冰過程

由圖6可知，啟動制冷機(jī)前，試件上表面溫度為3.5 ℃，啟動制冷機(jī)對人工環(huán)境室進(jìn)行降溫，同時將工業(yè)落地扇調(diào)到8.0 m/s的風(fēng)速，試件溫度不斷下降。當(dāng)試件上表面溫度降低到-1.7 ℃時，試件上表面已經(jīng)完全結(jié)冰，冰層平均厚度2 mm。工況4試件上表面溫度由3.5 ℃下降到-1.7 ℃需要55 min，結(jié)冰速率為5.6 ℃/h。

圖6　工況4試件上表面結(jié)冰過程

2.3工況4融冰過程

當(dāng)試件上表面溫度降低到-1.7 ℃時，開啟導(dǎo)電磨耗層電源對試件進(jìn)行加熱。在低溫環(huán)境下加熱試件過程中，試件內(nèi)部溫度發(fā)生一定的變化。當(dāng)試件上表面溫度達(dá)到4.5 ℃時，薄膜上的冰層全部融化，此時關(guān)閉導(dǎo)電磨耗層電源，完成除冰試驗。

由圖7可知，用超薄導(dǎo)電磨耗層加熱試件時，試件上表面溫度由-1.7 ℃上升到4.5 ℃需要121 min(2.02 h)，溫升速率為3.1 ℃/h。融冰時，前10 min試件上表面溫度上升較快，接近呈線性變化；10 min以后試件上表面溫度上升緩慢，由于試件本身不平整，試件上表面各測點的溫度差別較大。由圖8可知，加熱過程中瀝青中面層上表面不斷上升，由剛開啟時的1.2 ℃上升到3.5 ℃，溫度變化率為1.2 ℃/h。說明用超薄導(dǎo)電磨耗層加熱路面除冰時，對瀝青中面層有一定的影響，溫度有一定程度的上升，但由于隔熱粘結(jié)層的隔熱作用，瀝青中面層的溫升速率比路面的溫升速率要少得多。由圖9可知，融冰時混凝土上表面溫度從0.5 ℃增加到0.7 ℃，溫度變化率為0.1 ℃/h，溫度基本上維持不變。說明在超薄導(dǎo)電磨耗層除冰過程中，磨耗層加熱對混凝土層溫度影響較小，隔熱粘結(jié)層的隔熱材料起到了較好的隔熱效果。

圖7　工況4融冰時試件上表面溫度變化

圖8　工況4融冰時瀝青中面層上表面溫度變化

圖9　工況4融冰時混凝土上表面溫度變化

3　不同工況下超薄導(dǎo)電磨耗層除冰和防結(jié)冰實驗結(jié)果分析

分別對磨耗層電阻為5 Ω和3 Ω的2個試件8個工況進(jìn)行除冰試驗，每種工況的試驗結(jié)果如表2所示，磨耗層電阻為3 Ω的防結(jié)冰試驗結(jié)果如表3所示。

由表2可知，磨耗層電阻較大時(工況1～工況4均為5 Ω)，磨耗層表面最高溫度較高，且表面溫度分布不均勻，消耗的功率較大；磨耗層電阻較小時(工況5～工況8均為3 Ω)，磨耗層表面最高溫度較低，且表面溫度分布均勻，消耗的功率較小，除冰效果較好。環(huán)境室溫度越低、風(fēng)速越大，融冰時磨耗層消耗的功率越大。

工況1對應(yīng)的是環(huán)境室微風(fēng)速，除冰時間為126 min，試件上表面溫度變化率較大，為4.19 ℃/h，磨耗層功率為320 W/m2能達(dá)到除冰要求；工況2的功率為320 W/m2，融冰時間為186 min，此工況下較大部分冰未融化，磨耗層提供的功率不夠；工況3的功率為436 W/m2，融冰時間為171 min，此工況下大部分冰都已經(jīng)融化，提供的功率達(dá)到要求；工況4融冰時間為121 min，此工況下大部分冰都已經(jīng)融化，磨耗層提供的功率亦能達(dá)到要求。

表2 不同工況下除冰實驗測試結(jié)果對比工況融冰時間/min磨耗層最高溫度/℃試件上表面溫度/℃融冰前融冰后融冰前后試件上表面溫度變化率/(℃·h-1)瀝青中面層表面溫度/℃混凝土上面層溫度/℃融冰前融冰后融冰前融冰后112612.0-4.04.84.19-0.23.01.51.621865.4-0.82.20.971.02.41.10.4317110.6-1.94.62.28-0.63.6-0.70.7412110.7-1.74.53.051.23.50.50.75844.9-1.42.93.062.86.32.01.861604.3-0.63.11.394.98.55.04.072054.2-0.63.31.115.79.09.05.881704.9-0.92.81.322.07.11.72.3

工況5～工況7的功率均為334 W/m2，工況5由于是微風(fēng)速，除冰時間較短，為84 min，且試件上表面溫度變化率較大，為3.06 ℃/h；在相同的功率條件下，在環(huán)境室溫度相近的情況下，隨著風(fēng)速的增大，除冰時間越長，試件上表面溫度變化率越小，工況7比工況6除冰時間要長45 min；工況8的功率為370 W/m2，除冰時間為170 min，磨耗層提供的功率基本能達(dá)到要求。

表3 磨耗層電阻為3Ω的防結(jié)冰試驗結(jié)果試件上表面風(fēng)速/(m·s-1)磨耗層發(fā)熱功率/(W·m-2)環(huán)境室溫度/℃加熱時間/min加熱過程內(nèi)室溫濕度平均值溫度/℃濕度/%磨耗層面最高溫度/℃試件上表面平均溫度/℃加熱前加熱后試件上表面平均溫度的變化率/(℃·h-1)0.5268-6.0～-5.085-5.659.67.52.54.81.613.0334-7.4～-4.5105-5.460.14.81.92.10.145.5334-6.0～-2.773-4.165.56.12.23.20.888.0334-5.0～5.4130-3.761.55.83.02.7-0.12

由表3可知，電阻為3Ω的超薄導(dǎo)電磨耗層在發(fā)熱功率為268 W/m2時，對試件上表面風(fēng)速為0.5 m/s、環(huán)境室溫度為-5.6 ℃的工況能防結(jié)冰。磨耗層發(fā)熱功率為334 W/m2時，對試件上表面風(fēng)速為5.5 m/s、環(huán)境室溫度為-4.1 ℃的工況能防結(jié)冰；對試件上表面風(fēng)速為8.0 m/s、環(huán)境室溫度為-3.7 ℃的工況勉強(qiáng)能防結(jié)冰，如果環(huán)境室溫度繼續(xù)降低，試件上表面會結(jié)冰。

4　結(jié)論

通過超薄導(dǎo)電磨耗層在低溫人工環(huán)境室內(nèi)的除冰試驗，研究了公路橋梁試件在磨耗層電阻為5 Ω和3 Ω下的結(jié)冰和融冰過程，得出如下結(jié)論：

1) 采用超薄導(dǎo)電磨耗層除冰，磨耗層加熱對混凝土層溫度影響較小，隔熱粘結(jié)層的隔熱材料起到了較好的隔熱效果。磨耗層電阻越小，磨耗層表面加熱時溫度分布越均勻，3 Ω的磨耗層比5 Ω的磨耗層除冰效果要好。

2) 采用3 Ω的超薄導(dǎo)電磨耗層融冰時，對于試件上表面風(fēng)速為8.0 m/s、環(huán)境室溫度為-4.1 ℃的工況，磨耗層的融冰功率需要370 W/m2。

3) 采用3 Ω的超薄導(dǎo)電磨耗層防結(jié)冰時，當(dāng)磨耗層的發(fā)熱功率為334 W/m2時，對試件上表面風(fēng)速為8.0 m/s、環(huán)境室溫度為-3.7 ℃的工況勉強(qiáng)能防結(jié)冰。風(fēng)速增大或環(huán)境溫度降低，則需要增大導(dǎo)電磨耗層的防結(jié)冰功率。

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2016-07-29

湖南省交通運(yùn)輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新項目(201413);湖南省自然科學(xué)基金項目(2016JJ2054)

駱宏勛(1978-)，男，碩士，高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理。

；1008-844X(2016)03-0085-04

；U 443.33

；A