钢筋骨架增强的碎石融冰功能层融冰效果研究*

2018-12-27吴义华罗传熙

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2018年6期

吴义华王博罗传熙唐峰

(安徽省交通控股集团有限公司1) 合肥 230000) (华南理工大学土木与交通学院2) 广州 5120000)

0 引言

在低温季节，桥面沥青铺装层表面往往会形成冰层，威胁行车安全[1].为了防止桥面低温结冰，传统的方法是在桥面撒布融雪剂，而融雪剂易渗入桥面结构，腐蚀桥面钢筋，威胁桥梁结构安全[2-4].本文提出一种新型的融冰结构，在桥面铺装结构内部铺设一层导电骨料作为融冰功能层，通过钢筋网格束缚导电骨料，对导电骨料层导电加热从而提高沥青铺装层的温度，达到融冰的效果.而对导电材料的选择和导电骨料层加热融冰能力的评估是迫切需要解决的问题.

1 融冰结构试件

钢筋骨架增强的碎石融冰功能层的主要作用是通过沥青层与桥面板间的碎石来实现排水、调温和融冰作用.为了实现融冰的作用，填充的碎石需要有一定的导电性，但其导电性不能太强，避免形成短路现象，所以导电骨料的选择显得十分的重要[5].为了充分研究导电材料的实用性，本文选用铁粒(含铁量极高)、铁矿石1#(含铁量40%)、铁矿石2#(含铁量30%)、钢渣这四种材料作为导电材料制作试件.

图1 四种不同的导电材料

本文研究的桥面铺装结构层包括水泥混凝土调平层、融冰功能层、沥青铺装层.水泥混凝土调平层采用C40水泥混凝土，融冰功能层包括钢筋网架和导电材料.

1.1 试件的制作

1) 钢网将尺寸为240 mm×240 mm×35 mm钢筋网焊接为25个小格网，每个小格网的尺寸约为40 mm×40 mm，在小格网连接处焊上高度为30 mm钢筋.在钢筋网上涂上快固化绝缘漆，分三次涂刷，每次涂刷后，待绝缘漆干燥后(静置时间为1 h)，再刷第二遍，刷完第三遍后，晾干12 h后，使用万用表测量后确保钢筋网处于不导电状态.

2) 混凝土的拌和采用机器拌和，一块板的规格尺寸：300 mm×300 mm×45 mm，体积3.6 L.按照工程用混凝土配合比设计结果，称好各种原料，依次加入拌和机中，设定拌和时间 60 s，即可拌和均匀.

3) 水泥混凝土试件将混凝土拌和物一次装入模具，并稍有富余.然后将模具放在振动台上振捣.试件振捣后，静置10 min，将涂塑钢筋网插入试件中，插入深度为10 mm.将制作好的混凝土试件送入温度(20±2) ℃、湿度95%的标准养护室，养护7 d.

4) 排水联结功能层布设在涂塑钢筋网内洒布热的SBS改性沥青防水黏结层，用量为1.2 kg/m2；将加热的导电材料均匀地洒在防水黏结层表面，并将两条电极与热电偶安装于涂塑钢筋网下面的导电材中.

5) 沥青层铺装将拌和好的全部沥青混合料，用小铲稍加拌和后均匀地装入试模，将其置于轮碾机的平台上，注意碾压方向要与装有热电偶一边的试模平行，将两条热电偶插入距沥青混合料表面约5 mm处，其探头需与前两条热电偶的探头处于同一个截面，碾压成型，连同试模一起在常温条件下放置48 h后脱模.

2 排水调温层导电加热测试

2.1 使用设备

1) 控制箱为深入研究排水调温层的导电性能，本文研发了加热控制箱控制箱，控制箱包括控温器和变压器，变压器有6，12，24和36 V共4个档位切换.控制箱可根据不同的试验材料选择不同的电压，同时根据所需的加热温度，准确的控制加热的时长.

2) AT4208多路温度测试仪可同时对多路温度数据进行采集，精度可达0.1 ℃，测试范围可达-200～1 300 ℃.

Research on the Carbon Reserves of Larix Principis-rupprechtii Mayr and Betula spp.Mixed Forest under Different Initial Planting Densities____________________________ HU Jingyu,YANG Hong,LI Yanping et al 32

2.2 加热测试结果

通过对铁粒(含铁量高)、铁矿石1#、铁矿石2#、钢渣这四种导电材料进行通电实验，测试结果如图2.

图2 不同导电材料加热情况下碎石层温度图

由图2可知，导电材料为铁粒的试件，加热结果较好，可在3 h内将温度提升10 ℃，但如果将电压调高至24 V时则产生了短路现象.铁矿石1#、铁矿石2#、钢渣这3种导电材料中，钢渣几乎不导电，通电后，温度基本不变，说明钢渣含有的导电粒子不足以形成导电网络.铁矿石1#、铁矿石2#两者试件在12 V电压的导电加热情况下碎石层温度逐步上升，两者加热效果几乎一致.但在24 V电压导电加热情况下，铁矿石1#的升温效果更好，可见含铁量对于加热效果有一定影响.

目前,学术界主要有三种理论用于解释复合材料的导电机理：导电通道理论、隧道效应学说、电场发射学说[6].其中，导电通道理论是从宏观上阐述复合材料的导电行为[7]，而隧道效应学说、电场发射学说都是从微观意义上解释复合材料的导电行为[8].钢筋骨架增强的碎石用作融冰功能层的碎石层属于复合材料，其导电机理实为导电通道学说、隧道效应学说、电场发射学说三者共同作用而成.铁粒属于导电填料含量较高的,导电粒子之间的间距较小,形成导电通道的几率较大,在低电压的情况下就已经导电状态，但在高电压的情况下，由于电场发射原理作用下导电粒子的数量大量增加，进而形成短路现象；铁矿石的导电粒子数量足以在低电压的情况下形成导电通道，并且在电压增加的情况下导电粒子的数量有所增加，导电效果有所提升，但未形成短路现象；钢渣本身导电粒子含量低、低外加电压作用下,碎石层中导电粒子之间的间距较大,形成链状导电通道的几率较小，所以无法进行导电加热.综上研究，选用铁矿石1#作为碎石层的导电材料作进一步的研究.

3 融冰效果影响因素

3.1 加热功率

为充分研究钢筋骨架增强的碎石融冰功能层在不同的加热功率下其融冰效果，分别采用了不同的加热电压(12，24，36 V)进行融冰试验.为了更加直观上的观察融冰效果，本文模拟现实中沥青路面结冰到融冰结束的过程，融冰情况见图3、4.

图3 不同加热时间下的融冰效果

图4 不同电压下沥青层温度变化情况

从图4可知，不同的电压下加热碎石层，在2 h内三者加热效率基本一致，但在加热2 h后不同电压间的加热效果开始显示出不同.在36 V加热电压情况下，沥青层上的冰块基本在加热240 min后就已基本融解完毕，此时沥青层温度为4.1 ℃；在24 V加热电压情况下，沥青层上的冰块基本在加热270 min后就已基本融解完毕，此时沥青层温度为3.8 ℃；在12 V加热电压情况下，沥青层上的冰块基本在加热300 min后就已基本融解完毕，此时沥青层温度为4.1 ℃.可见铁矿石在12，24，36 V的加热电压下均可实现对沥青层上的冰块进行融解，但是不同电压间融解的速率有所不同，电压越大融解速率越快.

3.2 沥青层材料

桥面铺装结构上面层混合料采用的形式主要是SMA型沥青混合料、AC型沥青混合料与开级配沥青混合料，为了充分验证含有钢筋骨架增强的碎石用作融冰功能层的铺装结构融冰效果，本文成型的不同类型的沥青混合料铺装结构，通过实际模拟融冰试验，评价不同类型沥青混合料的融冰效果，见图5.

图5 不同类型沥青混合料融冰效果

在通电前1 h，不同类型的沥青层融冰效果基本一致；但在1 h后，不同沥青层厚度的情况下融冰效果有较大差别.其中主要是开级配沥青混合料与密级配沥青混合料的区别，开级配沥青混合料本身孔隙率较大、导热系数较低所以导热效果较差，导电碎石层的热量难以传递到沥青层上，导致融冰效果较差；但密级配沥青混合料由于孔隙较小、导热系数较大所以导热效果较好，在同样的加热时间下导电碎石层的热量可快速传递至沥青层，从而融冰效果较好；SMA型沥青混合料与AC型沥青混合料两者都属于密级配型沥青混合料，导电碎石层传递至沥青层的速率基本一致，所以融冰效果基本相同.开级配沥青混合料由于其较小的导热系数，其融冰所需时间较长，并且当冰块融解一段时间后，由于冰水的直接下渗造成试件出现了短路现象，无法继续加热.可见不同类型的沥青混合料作为含有钢筋骨架加强的碎石用作融冰功能层的桥面铺装结构的上面层对融冰效果有比较大的影响.密级配沥青混合料有利于导电碎石层的融冰速率.

3.3 沥青层厚度

影响融冰效果的因素除了加热方式、沥青层类型，还有一个更加直观的因素-沥青层的厚度.为了充分研究沥青层厚度对于融冰效果的影响，本文成型了沥青层厚度分别是4，5、6 cm的试件，并对试件进行了导电加热实验，实验结果见图6.

图6 不同厚度的沥青层融冰效果

在通电前2 h，不同厚度的沥青层融冰效果基本一致；但在2 h后，不同沥青层厚度的情况下融冰效果有较大差别.在同样的加热时间下沥青层厚度增加1 cm，沥青层的温度就有下降1 ℃，这就意味着融冰的速率将会随着沥青层厚度的减小而增加.同样的这也就意味着厚度较小的沥青层有利于减少融冰时间，降低融冰所需要消耗的能源.