王宇军　常　睿　岳卫民

(1.陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安　710065；　2.长安大学公路学院，陕西 西安 　710064；　3.西安公路研究院，陕西 西安　710054)



·道路·铁路·

路面融雪化冰模型装置试验研究

王宇军1常睿2岳卫民3

(1.陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安710065；2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064；3.西安公路研究院，陕西 西安710054)

摘要：针对路面融雪化冰现象，建立了一个小型道路融雪化冰试验系统，通过不同部位温度变化情况，分析了热量在混凝土中的传导规律，并在此基础上，对结构层内温度场、上表面温度分布和升温规律、预热时间融雪效果进行了理论研究，为道路融雪化冰提供参考和依据。

关键词：道路工程，路面，融雪化冰，模型装置

在冬季，由于冰、雪天气，路面附着力很快降低，这就要求车辆有良好的动力性和安全性，在冰雪天气条件下运输效率非常低，引发的交通事故不但威胁司乘人员的生命安全，而且会严重破坏交通设施及车辆，给建设单位带来非常大的经济损失[1,2]。因此，研究出有效的融雪化冰装置具有很重要的意义。

在国外道路热源融雪化冰技术领域，日本、美国、北欧等国家开展了许多工程研究和实践。比如利用丰富的地热水资源，冰岛国推广道路融冰雪工程应用；在芝加哥O’Hare国际机场的滑行跑道SNOW FREE融冰雪示范试验工程中，人们开展了循环热流体和热管传递等方式的融雪路面研究。我国在这方面还处在初步阶段，除了融化法等传统的方法，也研究了能量转化型的方法，比如利用发热电缆的工程实践——桥梁坡道融雪以及导电铺面融冰雪技术等。

上述各融雪化冰技术存在不同程度的不足，比如造价高，能源利用率低等，所以，本文建立了小型道路融雪实验系统，分析热量在混凝土中的传导规律，并对结构层内温度场、上表面温度分布和升温规律、预热时间融雪效果进行了理论研究。

1模型设计

1.1试验设计

准备六根φ2 mm、长度为2 700 mm的高碳钢丝，分别用直径为1.4 mm的漆包线缠绕，使得其单根电感值为90 μH。然后按照横向间距为300 mm、垂直高度为离底面100 mm均匀排布，然后浇筑水泥混凝土，其厚度为200 mm。每三根为一组，把六根高碳钢丝分成两组，组内串联，两组之间并联后接到高频电源控制板上。其结构图如图1所示。

1.2试验结果分析

1)试验1。浇筑混凝土前通电加热，测得高碳钢丝表面温度，并记录此时高频电源输出电流及功率。每根高碳钢丝设置三个测温点，其分布如图2所示，通电后各测点的温度值如表1所示。

由表1可知：a.各测点的温度随时间的延长而增加；b.由于各加热棒之间属于串联关系，因此各加热棒之间温度的变化规律相似；c.根据电磁关系原理可知，越靠近加热棒中心的位置电感量越集中，故各加热棒2号测点的温度变化远大于1号和3号测点的温度变化。

2)试验2。浇筑混凝土后通电加热，考虑到太阳光照射对混凝土块温度的影响，试验安排在夜间进行，分别选择路面及另一块没有预埋加热装置的混凝土块进行测温。预定的试验块测温点分布如图3所示，结果如表2所示。

由表2可知：

a.表面5个测点的温度先减小后增大，究其原因是在通电伊始，表面温度主要受大气温度的影响；随着通电时间的增加，混凝土蓄热达到一定程度，温度传递到试件表面时，表面的温度变化主要受通电时间和通电电流的影响。b.内部4个测点的温度变化为增大，究其原因是测点与加热装置处于同一平面，温度变化主要受加热时间和通电电流的影响，但其温度变化值小于高碳钢丝表面的温度变化值，主要是在热量传递过程中部分热能被混凝土吸收。

2实体工程模拟试验

为模拟冬季的气候条件，将水泥混凝土试件分别置于冰柜中进行试验。

2.1温度传感器的布置

为准确测量加热装置在运转过程中的温度传导规律，在试件中共布置28个PT100温度传感器，在试件高度方向上布设4层，每层布设7个PT100温度传感器，如图4，图5所示。

2.2试验结果与分析

将试件放入冰柜中24 h，并在混凝土表面洒一层水，以便试件达到与周围同一温度，其表面情况如图6所示。根据热传导理论，在理想条件下与发热源等距离位置的温度应相同，将同一时段、同一层面的数据进行平均化处理，结果见图7，图8。

通过不同层面的温度变化发现，与加热装置处于同一层面的B层的温度平均值最高，且升温速度最快，与加热装置距离基本相同的A层和C层的温度平均值相近，升温速度基本相同，说明了在计算过程中，距离越远的地方等温面积越大，D层的温度平均值最低。

结构层内只有导热过程，且只有在环境温度与加热功率确定时发生。其中，因为B层与加热装置在同一层面，加热过程初始阶段，温度上升；结构层内传热温差随温度升高逐渐缩小，同时增加了表面对外散热。

3结语

本文针对路面融雪化冰现象，建立了一个小型道路融雪化冰试验系统，得到以下结论：

1)融雪装置的温度分布规律随着距加热源越近、温度越高，以加热装置中心为准，规律沿着丝径方向开始变化；路面随着加热时间的增加，在结构层里，各个测量点逐渐稳定升温，随后温度趋向于平衡。2)受融化进程影响测点温度变化特性的预热阶段各测点逐渐升温；在融化阶段，冰层测点融化实际变化与温度曲线变化形态相同，但是结构层升温并逐渐减慢；在融尽阶段时，逐渐升高冰层测点温度，结构层稳定升温。3)在融冰结束时，水膜蒸发出现在路面层上的过程中，路面层温度迅速下降的原因是周围大量热量被蒸发，这样曲线就会产生一个凹形；同时也影响路面层以下的附近结构层，这样温度曲线就会使各测量点在融尽点附近出现不同的下凹、平缓现象。

参考文献：

[1]储乐平.感应加热磁热耦合场数值模拟及温度回归分析.大连：大连理工大学，2004.

[2]胡文举，姜益强.桥面热力融雪模型研究与分析.哈尔滨工业大学学报，2007，39(12)：1895-1899.

[3]徐效亮.基于电磁热耦合理论的5.8GHz微波道路除冰温度场仿真研究.西安：长安大学，2009.

[4]刘凯，王选仓.中外高速公路融雪化冰技术与方法.交通企业管理，2009(8)：73-74.

[5]杨洁，李海涛.电热法除路面冰雪技术探讨.中国安全生产科学技术，2009，5(5)：162-165.

Experimental study on the device of deicing and snow-melting model for the pavement

Wang Yujun1Chang Rui2Yue Weimin3

(1.ShaanxiProvincialHighwayConstructionGroupCo.,Ltd,Xi’an710065,China；2.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064，China;3.Xi’anHighwayResearchInstitute,Xi’an710054,China)

Key words：road engineering, pavement, deicing and snow-melting, model device

Abstract：This paper established a small road testing system of deicing and snow melting, and analyzing the law of heat-conduction in the concrete through the temperature change in different parts, and based on this, temperature distribution of structure layer and road surface, the ascending rule of temperature and snow melting effect of the preheating time were researched theoretically. It provides reference and basis for deicing and snow-melting of road.

文章编号：1009-6825(2016)14-0128-02

收稿日期：2016-03-04

作者简介：王宇军(1975- )，男，硕士，高级工程师

中图分类号：U416

文献标识码：A