橋面嵌入式導(dǎo)電瀝青混凝土鋪裝熱效應(yīng)分析

高秋生

(黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的咽喉工程，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而在季節(jié)性冰凍地區(qū)，橋梁大部分是完全裸露在空氣中，冬季最容易被凍結(jié)，橋面積雪結(jié)冰對(duì)橋梁通行能力和交通安全提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，尤其是在橋梁的引橋與匝道處，輕則降低橋梁的運(yùn)輸能力，重則導(dǎo)致惡性交通事故的發(fā)生，造成慘重的人身傷害、巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和不利的社會(huì)輿論影響，正因?yàn)榉e雪結(jié)冰的危害嚴(yán)重，要確保車(chē)輛行駛安全暢通，世界各國(guó)都開(kāi)展了大量融雪化冰技術(shù)的研究。

目前，道路與橋梁采用主要的融雪化冰方法是化學(xué)融化法和機(jī)械清除法?；瘜W(xué)融化法是利用融雪劑降低冰點(diǎn)，從而使冰雪融化，但是融雪劑對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕性大，導(dǎo)致鋼筋誘蝕、橋面剝蝕破壞，致使橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)費(fèi)增多，大幅減少橋梁的生命周期，同時(shí)也帶來(lái)了周邊環(huán)境和水資源的污染，而環(huán)保融雪劑的價(jià)格昂貴難以推廣；機(jī)械清除法除雪不徹底，機(jī)械設(shè)備使用效益低。為了達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、綠色環(huán)保、節(jié)能高效，又不會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成影響，選擇哪種融雪化冰方案至關(guān)重要，也成為我國(guó)交通管理部門(mén)急需解決的問(wèn)題之一。通過(guò)對(duì)具有電學(xué)性能的混凝土電阻加熱，使導(dǎo)電混凝土快速升溫到0℃以上，從而達(dá)到及時(shí)有效地融雪化冰的目的，在道路安全和暢通方面有十分重要的意義。1999年，美國(guó)的Sherif Yehia和Christopher在美國(guó)內(nèi)布拉斯加州林肯市的洛加馬刺橋鋪裝了導(dǎo)電混凝土大板，用電熱可讓該橋在冬天的路面維持在10℃左右，在整個(gè)大雪紛飛的寒冬都不會(huì)受積雪影響，這是國(guó)外在熱力融雪化冰方面，最早開(kāi)展的關(guān)于橋梁路面實(shí)際工程的研究。在此領(lǐng)域，我國(guó)的科研人員還處在初步探索時(shí)期，應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中鮮有報(bào)道。所以，我們對(duì)最新研究案例和取得的成果進(jìn)行分析探討，為防治橋梁冰凍災(zāi)害提供幫助。

國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者致力于研究最經(jīng)濟(jì)、最有效、最環(huán)保的橋面除雪化冰方法，認(rèn)為導(dǎo)電混凝土具備解決這方面難題的潛力，針對(duì)現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)：交通量繁重、車(chē)輛荷載大以及人們?nèi)找鎸?duì)行車(chē)舒適度需求的提高，水泥混凝土橋面鋪裝已經(jīng)不能與之相適應(yīng)，逐漸由瀝青混凝土橋面鋪裝所替代?；谝陨弦蛩?，導(dǎo)電瀝青混凝土能較好地解決此問(wèn)題，該技術(shù)在充分發(fā)揮橋梁融雪化冰效率的前提下，既節(jié)約造價(jià)，又保護(hù)環(huán)境，同時(shí)能夠適應(yīng)現(xiàn)在交通發(fā)展的趨勢(shì)。

1　導(dǎo)電瀝青混凝土融雪化冰原理

在普通瀝青混凝土中摻入適當(dāng)類型和適宜摻量的導(dǎo)電相材料，滿足瀝青混凝土路用性能的同時(shí)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己脤?dǎo)電性能的新型筑路材料，利用自身存在的電阻，對(duì)導(dǎo)電瀝青混凝土施加一個(gè)安全電壓，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，瀝青混凝土達(dá)到融解橋面冰雪的溫度。然而，常見(jiàn)的導(dǎo)電瀝青混凝土是單層的，溫度升高后散熱快，熱量損失較大，為了減少熱量散失，提高熱效率，達(dá)到融化冰雪的目的，我們利用普通混凝土的導(dǎo)熱性能較弱，而導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能較強(qiáng)且具有良好粘結(jié)性能的特點(diǎn)，將多相耦合作用的導(dǎo)電瀝青混凝土嵌入槽形的普通混凝土中，并在與橋面板之間設(shè)置一層隔熱層，以防止產(chǎn)生的熱量向外擴(kuò)散。這樣，可以充分發(fā)揮普通混凝土的保溫功能，大幅提高了融雪化冰的效率，通電后導(dǎo)電瀝青混凝土溫度升高，產(chǎn)生的熱量能更加有效地融化冰雪，并大大降低了能量損耗。同時(shí)，普通混凝土起到保護(hù)層的作用，可以防止導(dǎo)電鋼筋裸露進(jìn)而被腐蝕，以及導(dǎo)電時(shí)產(chǎn)生其它雜散電流的干擾。

2　制備導(dǎo)電瀝青混凝土

2.1　材料的要求

1)瀝青在混凝土中起膠結(jié)作用，為混合料提供彈性和粘性，瀝青混合料要想具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度，需要有足夠的瀝青包裹才能實(shí)現(xiàn)。瀝青的導(dǎo)電性能較差，由于導(dǎo)電粒子間瀝青膜的阻礙，導(dǎo)電相材料難以形成閉合的導(dǎo)電通路，要想改善混凝土的導(dǎo)電性能，必須摻入大量的導(dǎo)電相材料來(lái)改善其電學(xué)性能。因而，在如何確定瀝青合理用量的問(wèn)題上，需要滿足兩個(gè)條件，瀝青混凝土的體積性能指標(biāo)符合技術(shù)要求，同時(shí)具有良好的電學(xué)性能，對(duì)瀝青混凝土的路用性能起到至關(guān)重要的作用。

2)導(dǎo)電相材料的選擇和摻入量的控制是制備導(dǎo)電瀝青混凝土的關(guān)鍵指標(biāo)，普通瀝青混凝土是良好的絕緣體，其電阻率可以達(dá)到1011Ω·m以上，而對(duì)于導(dǎo)電瀝青混凝土，其電阻率至少要在100 Ω·m以下，才能在工程中起到融雪化冰的效果。在材料的選擇上，石墨的層內(nèi)電導(dǎo)率較高為104S/cm，層間電導(dǎo)率為10 S/cm呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性，因此可作為理想的導(dǎo)電填料。運(yùn)用滲濾理論來(lái)解釋瀝青混凝土由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電體這一過(guò)程，隨著導(dǎo)電相材料摻量的增加，導(dǎo)電粒子接觸概率逐漸增大，當(dāng)達(dá)到滲濾閾值后電阻率就會(huì)發(fā)生突變，形成了體系內(nèi)的導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)。但是，隨著石墨摻入量的增多會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土力學(xué)性能降低，使導(dǎo)電瀝青混凝土的路用性能受到影響，而纖維類導(dǎo)電材料被證實(shí)在瀝青混凝土中的滲濾閾值較低，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)即使很少量的碳纖維就可以顯著改善導(dǎo)電粉末填充瀝青混凝土的導(dǎo)電性能。因此，在選擇導(dǎo)電相材料時(shí)應(yīng)在考慮導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上，基于多相耦合，既要達(dá)到滲濾閾值，保證構(gòu)建起導(dǎo)電通路，又要對(duì)摻入量進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保瀝青混凝土的力學(xué)性能不受影響。

3)集料作為主要原材料支撐瀝青混凝土骨架結(jié)構(gòu)，其物理性能、幾何特性、巖相、化學(xué)成分都會(huì)對(duì)瀝青混凝土的性能起到至關(guān)重要的作用，而優(yōu)選出適合導(dǎo)電瀝青混凝土的集料是鋪筑導(dǎo)電瀝青混凝土橋面的重要步驟之一。

4)礦粉摻加到瀝青混凝土中起到填充作用，使瀝青混凝土的空隙減小。礦粉和瀝青兩者共同形成膠漿，提高了瀝青混凝土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。據(jù)此，我們按體積比摻入18%的石墨粉、4% 的碳纖維制作導(dǎo)電瀝青混凝土試樣。

2.2　試樣的制作

首先把攪拌器加熱到180℃，然后倒入預(yù)熱至170℃的集料，接著將瀝青熔融至160℃后倒入，攪拌90s；最后將碳纖維、石墨和礦粉拌和好加入其中，經(jīng)過(guò)90s的攪拌，關(guān)閉電源待攪拌機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后出料；放進(jìn)車(chē)轍試樣成型機(jī)中，同時(shí)預(yù)埋電極，按單層導(dǎo)電瀝青混凝土、嵌入式導(dǎo)電瀝青混凝土兩種工況分別成型，最終形成復(fù)合多相導(dǎo)電瀝青混凝土試樣如圖1、圖2所示。

圖1　單層導(dǎo)電瀝青混凝土試樣

圖2　嵌入式導(dǎo)電瀝青混凝土試樣

3　導(dǎo)電瀝青混凝土測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

3.1　實(shí)驗(yàn)環(huán)境及測(cè)點(diǎn)分布

保持環(huán)境溫度恒定，在濕潤(rùn)條件下，由于導(dǎo)電瀝青混凝土內(nèi)部碳纖維周?chē)膶?dǎo)電性和冷凝遷移，與干燥狀態(tài)相比，導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電傳熱能力進(jìn)一步提高，試樣表面快速升溫，這種現(xiàn)象更加接近冰雪條件下的橋面實(shí)際情況。

通過(guò)對(duì)導(dǎo)電瀝青混凝土表面各點(diǎn)溫度的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其分布并不均勻，因而將表面劃分成若干區(qū)域，并按照順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行編號(hào)，對(duì)各個(gè)區(qū)域內(nèi)的控制點(diǎn)溫度上升情況分析研究如圖3所示。

圖3　測(cè)點(diǎn)分布(單位：mm)

3.2　通電測(cè)溫

3.2.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

利用試樣中預(yù)埋的電極，施加電壓讓電流經(jīng)過(guò)試樣產(chǎn)生熱量，將電能轉(zhuǎn)化為熱能。通過(guò)紅外線測(cè)溫裝置，分別對(duì)兩種導(dǎo)電瀝青混凝土試樣表面標(biāo)定的測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行間斷式測(cè)溫，將所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)做好記錄，對(duì)比分析各試樣的導(dǎo)熱和散熱特性。

3.2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以60 s為時(shí)間間隔，記錄下每一個(gè)時(shí)間段的溫度變化，經(jīng)過(guò)90 min的充電后斷電，觀察兩種導(dǎo)電瀝青混凝土試樣導(dǎo)熱和散熱的過(guò)程，測(cè)得濕潤(rùn)狀態(tài)下的溫度變化值，繪制成溫度曲線，如圖4、圖5 所示。

圖4　單層導(dǎo)電瀝青混凝土試樣溫度曲線

圖5　嵌入式導(dǎo)電瀝青混凝土試樣溫度曲線

4　測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)根據(jù)導(dǎo)電瀝青混凝土溫度曲線圖4、圖5可知，在濕潤(rùn)環(huán)境下，90 min的充電時(shí)間內(nèi)，單層導(dǎo)電瀝青混凝土試樣和嵌入式導(dǎo)電瀝青混凝土試樣，單位時(shí)間內(nèi)表面溫度平均上升8.10 ℃/h和12.64 ℃/h，在斷電后的30 min內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)表面溫度平均下降7.27 ℃/h和4.84 ℃/h。

2)通過(guò)圖4、圖5數(shù)據(jù)表明，導(dǎo)電瀝青混凝土具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，與單層導(dǎo)電瀝青混凝土相比，嵌入式導(dǎo)電瀝青混凝土的熱效應(yīng)顯著提高，主要發(fā)揮了普通混凝土熱傳遞性能弱的特點(diǎn)，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面對(duì)導(dǎo)電瀝青混凝土起到保溫作用；另一方面能有效地隔絕空氣防止熱量擴(kuò)散。因此，在通電條件下融雪化冰能力大為加強(qiáng)。

5　結(jié)　論

橋面嵌入式導(dǎo)電瀝青混凝土鋪裝，既能發(fā)揮在瀝青混凝土路面上行車(chē)舒適、平穩(wěn)、噪聲低、抗滑性好的特點(diǎn)，又可以實(shí)現(xiàn)橋面高效、及時(shí)融雪化冰，有力地保障道路暢通和行駛安全，減少道路擁堵和交通事故。其嵌入式結(jié)構(gòu)，利用導(dǎo)電瀝青混凝土良好的導(dǎo)電傳熱功能，發(fā)揮普通混凝土絕緣保溫的特點(diǎn)，防止導(dǎo)電瀝青混凝土通電發(fā)熱時(shí)熱量損失嚴(yán)重，使橋面融雪化冰效果顯著提升。同時(shí)，還可以利用導(dǎo)電瀝青混凝土的熱效應(yīng)，在冬季加熱橋面，解決瀝青混凝土橋面的低溫開(kāi)裂的現(xiàn)象。

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