橋面發(fā)熱電纜防冰及融冰試驗研究

張?zhí)嵊?，董艷濤，陳仁山，劉 鋒，劉文江

（1.濟南城樂公路工程有限公司，山東 濟南 250011；2.山東交通學(xué)院，山東 濟南 250357；3.山東泉建工程檢測有限公司，山東 濟南 250014）

引言

因中國大部分地區(qū)冬季最低溫度低于零度，而橋面周圍空氣富含水汽，結(jié)構(gòu)截面薄且沒有地溫的補給，故橋面降溫快、溫度低，冬季極易凝冰，降雪時容易積壓凝結(jié)。結(jié)冰、積雪路面抗滑附著能力僅為干燥狀態(tài)的1/4 ～1/3，道路通行安全和效率受到極大影響［1］，路面內(nèi)敷設(shè)電纜加熱融冰雪效果穩(wěn)定、效率高［2-3］。

1 橋面鋪裝材料熱力學(xué)參數(shù)試驗

測量橋梁常用鋪裝材料層的導(dǎo)熱系數(shù)，對鋪裝層敷設(shè)發(fā)熱電纜防冰雪技術(shù)的熱力學(xué)模型進行修正。

1.1 方案設(shè)計

參考《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法》（GB/T 10295—2008）及《用熱流計法測定穩(wěn)態(tài)熱通量和熱傳遞特性的試驗方法》（ASTMC 518—04）［4-5］，采用穩(wěn)態(tài)平板法測試常用鋪裝材料層導(dǎo)熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)平板法試驗設(shè)備基于在一維穩(wěn)態(tài)情況下通過平板的導(dǎo)熱量Q和平板兩面的溫差成正比，和平板的厚度δ成反比，以及和導(dǎo)熱系數(shù)λ成正比的原理設(shè)計，測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.1.1 試件

瀝青混凝土橋面鋪裝上面層采用SMA-13 細(xì)粒式改性瀝青混合料，下面層采用常用AC-20 中粒式改性瀝青混合料，以及橋面板常用C50 水泥混凝土，將被測的每種材料做成6 塊方形板狀試件，試件截面為200 mm×200 mm，實際導(dǎo)熱計算面積為100 mm×100 mm，試件厚度δ為實測量厚度。

1.1.2 試驗步驟

（1）對試件表面進行打磨處理，在表面涂刷一層導(dǎo)熱系數(shù)較大的導(dǎo)熱油，測量試件厚度，取試件3 點測量后取平均值。（2）將試塊安裝在導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備的冷熱板之間，并用設(shè)備絞盤卡緊，確保試件表面與冷熱板接觸緊密，不存空氣間隙。（3）啟動儀器，設(shè)置好冷熱板溫度、試件厚度，啟動系統(tǒng)進行加熱、冷卻，進入測試過程，等到冷熱板之間達(dá)到熱平衡和恒定，系統(tǒng)提示可以計數(shù)。測試溫度條件為冷板20 ℃、熱板50 ℃，即平均溫度35 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.1.3 相關(guān)試驗結(jié)果

輝綠巖細(xì)粒式瀝青層（SMA-13）導(dǎo)熱系數(shù)、玄武巖細(xì)粒式瀝青層（SMA-13）導(dǎo)熱系數(shù)測及面層石灰?guī)r瀝青混合料（AC-20 中粒式改性瀝青）導(dǎo)熱性能參數(shù)測試分布規(guī)律相近，見圖1。

圖1 室內(nèi)中面層導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

1.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)研究得到石灰?guī)r等巖石的導(dǎo)熱系數(shù)［6］，得出不同巖石材料的導(dǎo)熱系數(shù)因材料密實度和含水率等影響而不同，故對試驗結(jié)果取平均值，結(jié)果見表1。

表1 各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)

可以發(fā)現(xiàn)，3 種瀝青混合料和水泥混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)均比其主要組成骨料母巖的導(dǎo)熱系數(shù)低，經(jīng)分析是其導(dǎo)熱系數(shù)受到混合材料孔隙率、壓實度、含水率等影響具有一定浮動，但是上下浮動不大。

2 橋梁防冰熱負(fù)荷計算

2.1 橋梁防冰凍設(shè)計氣象參數(shù)

根據(jù)濟南市歷史氣象數(shù)據(jù)，確定室外設(shè)計溫度取最冷月不少于5 d 的日最低溫度平均值［7］，為-5 ℃，相對濕度取74%，天空輻射溫度根據(jù)室外干球溫度和相對濕度由ASHRAE 提供的公式計算得出為-22.24 ℃，風(fēng)頻率出現(xiàn)最多的風(fēng)速為8.0 m/s，橋面溫度根據(jù)實驗測試結(jié)果取1.0 ℃。

2.2 橋梁防冰熱負(fù)荷計算物理模型

橋梁防冰物理模型（防凍結(jié)工況）見圖2。融冰熱負(fù)荷主要包括對流交換熱、輻射交換熱和橋面水分蒸發(fā)散熱等。

根據(jù)ASHRAE 手冊，融冰雪負(fù)荷：

式中：Q0—融冰雪表面的熱負(fù)荷，W/m2；Qs—融雪熱負(fù)荷，W/m2，無融雪時取0；Qm—融雪熔解熱，W/m2，無融雪時取0；Ar—無雪區(qū)域面積比，取1；Qe—蒸發(fā)潛熱，W/m2；Qh—無雪表面的對流熱與輻射熱負(fù)荷，W/m2。

為簡化計算量，取一個車道3.75 m 寬度面積進行計算。

2.3 平板對流傳熱系數(shù)計算

平板對流傳熱系數(shù)：

式中：kair—空氣在ta溫度下的熱導(dǎo)率，W/（m·k）；L—風(fēng)在平板上吹過的特征長度，m；Pr—普朗特數(shù)；ReL—雷諾數(shù)的計算，ReL=uL/Vair，其中u—風(fēng)速，m/s；L—平板長度，m，Vair取3.75；u—空氣的動力黏度，-5 ℃下空氣的動力黏度為1.285×10-5m2/s。

2.4 對流和輻射熱負(fù)荷計算

式中：hc—對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；ts—融冰溫度，取2 ℃；ta—環(huán)境溫度，取-5 ℃；Tf—液膜溫度，取2 ℃；δ—玻爾茲曼常數(shù)，取5.67×10-8W/（m2·K4）；εs—材料接觸面發(fā)射率，加熱濕平板表面發(fā)射率取0.9；TMR—天空輻射溫度均值，K。

分兩種情況計算：

（1）有云時

（2）無云時

2.5 含濕量計算

式中：P—大氣壓力，Pa；PV—水蒸氣的分氣壓力，Pa。

2.6 蒸發(fā)潛熱計算

式中：Wf—液膜表面飽和空氣的含濕量，液膜的露點溫度為2 ℃時的含濕量Wf=kgvapor/kgair，通過查找對應(yīng)露點溫度下的飽和水蒸氣分壓力，求出Wf=0.004 364 kg/（kg 干空氣）；Wa—周圍空氣的含濕量，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，干球溫度為-5 ℃，相對濕度為74%時，空氣的含濕量為0.001 992 kg/（kg 干空氣）；hfg—水的蒸發(fā)潛熱，取2 499 kJ/kg；ρdryair—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，-5 ℃干空氣的密度，取1.317 5 kg/m3；hm—質(zhì)量傳遞系數(shù)。

式中：Pr=0.7，Sc=0.6。

2.7 環(huán)境溫度為-5 ℃時橋梁防凍熱負(fù)荷計算

環(huán)境溫度為-5 ℃時橋梁防凍熱負(fù)荷計算結(jié)果見表2。

表2 環(huán)境溫度為-5 ℃時橋梁防凍熱負(fù)荷

3 發(fā)熱電纜防冰路面耐久性能試驗

通過典型路面結(jié)構(gòu)6 cm（AC-20）+4 cm（SMA）層間鋪設(shè)發(fā)熱電纜路面加速加載試驗，檢測發(fā)熱電纜路面施工工藝，評價防冰路面的耐久性、抗變形及抗開裂能力。試驗段場地布置見圖3，利用光纖光柵傳感器實時測量MMLS 加載作用下的縱橫線應(yīng)變及車轍。將容許拉應(yīng)變作為瀝青層疲勞開裂的重要控制指標(biāo)，通過試驗分析最大拉應(yīng)變隨加載次數(shù)的變化規(guī)律［8-10］。

圖3 加速加載試驗布置/m

加載設(shè)備使用小型移動荷載模擬系統(tǒng)MMLS3，用4 組膠輪模擬路面的加載情況。輪胎直徑300 mm，寬80 mm，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)輪胎尺寸的1/3，最大接地壓力0.75 MPa，荷載為1.9 ～2.7 kN。單向輪作用為2 800 ～7 200 次/h。

3.1 各區(qū)材料及結(jié)構(gòu)布置

加速加載試驗分區(qū)路面結(jié)構(gòu)和電纜種類見表3。

表3 試驗分區(qū)路面結(jié)構(gòu)

3.2 各區(qū)相應(yīng)加載實驗情況

輪跡帶相對變形測試點布置見圖4。

圖4 輪跡帶相對變形測試點布置/cm

3.2.1 M1 區(qū)

分別對1、3、5、15、22、30、40 萬次加載時的應(yīng)變值進行測量，以及加載40 萬次后的最大相對變形和車轍深度。應(yīng)變變化、相對變形和車轍平均值結(jié)果見圖5、圖6。加載滿40 萬次的最大拉應(yīng)變?yōu)?46.4 。不同加載次數(shù)應(yīng)變變化值、車轍深度實測值見表4、表5。

圖5 M1 區(qū)應(yīng)變變化趨勢

圖6 M1 區(qū)輪跡帶相對變形測試結(jié)果

表4 不同加載次數(shù)下的應(yīng)變變化值

表5 加載后車轍深度實測值/mm

3.2.2 M2 區(qū)

M2 區(qū)完成40 萬次加載時的路面最大拉應(yīng)變?yōu)?0.443 3，最大相對變形為5.7 mm，平均車轍深度為2.05 mm，輪跡中心平均相對變形為1.91 mm。實測結(jié)果見表6 和圖7、圖8。

表6 M2 區(qū)加載后車轍深度實測值/mm

圖7 M2 區(qū)輪跡帶相對變形測試結(jié)果

圖8 M2 區(qū)平均車轍測試結(jié)果

3.2.3 M3 區(qū)

分別對1、3、5、15、20、50 萬次加載時的應(yīng)變和車轍進行測量。上表面最大拉應(yīng)變隨荷載作用次數(shù)的變化情況見圖9 ～圖10。從實測結(jié)果看到隨加載次數(shù)增加，應(yīng)變總體呈上升趨勢，50 萬次最大拉應(yīng)變129.4。應(yīng)變及車轍實測值見表7、表8。

圖9 M3 區(qū)應(yīng)變變化趨勢

圖10 M3 區(qū)輪跡帶相對變形測試結(jié)果

表7 應(yīng)變變化值

表8 M3 區(qū)加載后車轍深度實測值/m

3.2.4 M4 區(qū)

采用電纜SDHN，未采用SMA。分別對1、6.5、14、25、48 萬次加載時的應(yīng)變、車轍進行測量，上表面最大應(yīng)變和車轍變形隨荷載作用次數(shù)的變化情況見表9、表10。

表9 應(yīng)變變化值

表10 M4 區(qū)加載后車轍深度實測值/mm

3.3 實驗結(jié)果分析

M1 區(qū)～M4 區(qū)加載完成后的最大拉應(yīng)變、平均車轍深度、最大相對變形實測值對比見表12。與參照區(qū)M2 相比，埋入加熱電纜的區(qū)域路面拉應(yīng)變變大，與有限元模擬分析的結(jié)果相吻合。其中，M1 區(qū)最大拉應(yīng)變最大，約為M2 區(qū)的3 倍；M1、M3 的車轍深度大于參照區(qū)M2 但差異不大，基本處于同一水平，M4 車轍深度小于M2，導(dǎo)熱MSA 并未體現(xiàn)出更好的抗車轍能力。

加載試驗后，路面沒有產(chǎn)生開裂損壞；連續(xù)加載40 萬次后，各區(qū)域平均車轍深度均小于3 mm，符合預(yù)期要求，表明發(fā)熱電纜技術(shù)的各結(jié)構(gòu)方案抗車轍能力和抗疲勞開裂能力可以接受。

表11 加載后應(yīng)變、車轍、變形對比

4 結(jié)語

（1）通過一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)法測量了瀝青混凝土路面主要材料的導(dǎo)熱系數(shù)，上層SMA 導(dǎo)熱系數(shù)在1.244 ～1.463，AC 面層在1.583 ～1.674 之間。瀝青混合料和水泥混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)均比其構(gòu)成骨料的母巖的導(dǎo)熱系數(shù)低，且因密實度及含水率等影響有一定波動。（2）根據(jù)ASHRAE 手冊結(jié)合山東濟南地區(qū)的歷史氣象資料，分析該地區(qū)的橋面抗凝冰熱負(fù)荷計算模型，在設(shè)計條件-5 ℃、風(fēng)速3 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s 的橋梁防凍結(jié)冰熱負(fù)荷計算。可根據(jù)計算結(jié)果控制發(fā)熱電纜防冰工作功率。（3）通過發(fā)熱電纜路面加速加載試驗，檢測發(fā)熱電纜路面施工工藝，對發(fā)熱電纜防冰路面的耐久性、抗變形及抗開裂能力進行驗證試驗，證明了技術(shù)方案的可行性。