混雜纖維發(fā)熱格柵增強(qiáng)混凝土板電熱性能

蘇 暢， 汪 昕， 梁訓(xùn)美， 趙純鋒， 沈君乾

(1. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2. 山東路德新材料股份有限公司， 山東 泰安 271000)

為促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，保障人民正常生產(chǎn)生活需求，近年來我國加快了公路和橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)速度。根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[1]，截止到2020年底，我國公路總里程達(dá)到519萬km，高速公路總里程接近16萬km，公路橋梁91萬余座。良好的路面條件保障著這些交通基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)作和安全。在冬季低溫時(shí)節(jié)，道路積雪和結(jié)冰是導(dǎo)致交通事故的一大原因，積雪和結(jié)冰會造成路面靜摩擦系數(shù)降低，車輛的輪胎附著能力明顯下降，嚴(yán)重影響正常行駛車輛的制動及安全性能[2]，嚴(yán)重時(shí)甚至造成交通事故和意外，導(dǎo)致高速公路和機(jī)場跑道關(guān)閉，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響[3]。2008年1月南方雪災(zāi)正值春運(yùn)期間，僅1月26至30日期間京珠高速公路封閉就造成6萬旅客滯留[4]。此外，2018年1月安徽南部的強(qiáng)降雪和2019年初青海玉樹州的降雪過程均造成了不同程度的受災(zāi)和經(jīng)濟(jì)損失[5,6]。因此，冬季嚴(yán)寒環(huán)境下的路面融雪化冰具有重要的研究價(jià)值和意義。

目前，常用的路面化冰方法有人工除雪、機(jī)械除雪和化學(xué)融雪法，但均存在效率低和在災(zāi)害環(huán)境下難以實(shí)施的特點(diǎn)。而近年來，一些學(xué)者提出了具有融雪化冰功能的復(fù)合型土工格柵[7～14]。黃婷婷[15]通過小板升溫試驗(yàn)研究了不同環(huán)境溫度下板件的升溫性能。姜寶龍[16]通過車轍試驗(yàn)研究了不同溫度下路面變形對格柵電阻的影響，結(jié)果表明路面變形較小時(shí)格柵電阻穩(wěn)定，且小范圍內(nèi)碳纖維束損傷對路面融雪效果無明顯影響。祁顯寬[17]通過制作網(wǎng)格尺寸20 mm×20 mm的碳纖維 - 玻璃纖維格柵融雪化冰路面模型，發(fā)現(xiàn)格柵增強(qiáng)瀝青混凝土路面可以提升路面穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)融雪的目的，且在車載作用下格柵電阻阻值無明顯變化。周衛(wèi)杰[18]通過化冰和融雪試驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)在雪層厚度30 mm、外界溫度-3 ℃、風(fēng)速1～2級時(shí)，加熱功率509.5 W/m2可以滿足路面融雪化冰需求。

本文基于混雜纖維發(fā)熱格柵融雪化冰理念，主要研究了混雜纖維發(fā)熱格柵增強(qiáng)混凝土板在化冰過程中的升溫速率、熱利用率、化冰效率和電阻穩(wěn)定性等性能，為混雜纖維發(fā)熱格柵工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 混雜纖維發(fā)熱格柵

采用手工制作聚氨酯樹脂有捻CFRP浸膠紗作為混雜纖維格柵發(fā)熱芯，試驗(yàn)所用格柵為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維土工格柵。沿格柵緯向?qū)⑵洳眉舫砷L370 mm、寬300 mm的試樣和長390 mm的CFRP浸膠紗，其中中部300 mm澆筑進(jìn)混凝土中，格柵和碳纖維發(fā)熱芯分別留出35,45 mm。在固定點(diǎn)出采用三悠樹脂定性，放入烘箱40 ℃處理7 d，使其完全固化。

1.1.2 混凝土

試驗(yàn)采用混凝土強(qiáng)度等級為C30，配合比水泥∶水∶砂∶石子為1∶0.51∶1.81∶3.68，澆筑好在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度為32.1 MPa。

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)混凝土板尺寸為300 mm×300 mm×40 mm，具體尺寸如圖1所示，試驗(yàn)參數(shù)見表1。

圖1 試件尺寸/mm

表1 發(fā)熱試驗(yàn)工況

1.3 發(fā)熱方案設(shè)計(jì)

1.3.1 碳纖維電阻

采用常州安柏精密儀器有限公司生產(chǎn)的AT516直流電阻測試儀對混凝土板中的12根碳纖維發(fā)熱芯的電阻值進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。由結(jié)果可知，12根碳纖維發(fā)熱芯的電阻數(shù)值相近，且與碳纖維粗紗的單位電阻非常接近。

表2 碳纖維電阻

1.3.2 接線方式及測點(diǎn)布設(shè)

加熱試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)輸出功率，分別為288，647，1147，587 W/m2。4個(gè)梯度輸出功率對應(yīng)的接線方式如圖2所示。

圖2 接線方式

為保證試驗(yàn)過程中可以同時(shí)檢測板件碳纖維發(fā)熱芯表面、頂部和底部的升溫情況，以及發(fā)熱芯所對應(yīng)的頂部位置和鄰近區(qū)域的升溫情況。在化冰試驗(yàn)中，則在碳纖維發(fā)熱芯表面及其對應(yīng)的板件頂部和底部各設(shè)置3個(gè)測點(diǎn)。具體布設(shè)位置如圖3所示。

圖3 化冰試驗(yàn)測點(diǎn)位置布置

1.3.3 試驗(yàn)裝置及設(shè)備

試驗(yàn)具體連接方式如圖4所示。

圖4 連接方式

為模擬實(shí)際工程中路面四周與底部的工程環(huán)境，在試件底部和四周先覆蓋一層厚度50 mm、導(dǎo)熱系數(shù)0.035 W/m·K的巖棉，及厚度6 mm、導(dǎo)熱系數(shù)0.038 W/m·K保溫棉?；囼?yàn)前，將試件放入冰柜，并在薄膜中加水預(yù)凍。冰層分別設(shè)置3，6 mm兩種厚度。

1.3.4 計(jì)算公式

在化冰試驗(yàn)中，名義發(fā)熱量計(jì)算公式為：

(1)

名義熱量利用率為一定質(zhì)量板件名義發(fā)熱量與輸出能量的比值，計(jì)算公式為：

(2)

式中：ηp為名義熱量利用率(%)；W為板件輸出能量(kJ)；P1為每m2小板輸出功率(W/m2)；A為試件頂面面積，取0.09 m2；Δt為通電升溫時(shí)間(s)。

名義化冰效率為冰層完全融化需要的熱量與試件輸出能量的比值，計(jì)算公式為：

(3)

式中：Qi為冰層完全融化需要的熱量(kJ)；Li為冰層溶解比潛熱，取3.35×105J/kg；mi為冰層質(zhì)量(kg)。

2 混凝土化冰試驗(yàn)結(jié)果與分析

將混凝土發(fā)熱板提前放入冰柜冷凍至預(yù)設(shè)溫度并制作相應(yīng)厚度冰層，靜置24 h后進(jìn)行發(fā)熱試驗(yàn)，同時(shí)記錄快速巡檢儀、電流表讀數(shù)，記錄間隔為1次/min。試驗(yàn)中，當(dāng)板面平均溫度為7 ℃時(shí)，間隔一段時(shí)間打開冰柜進(jìn)行觀察，冰層完全融化時(shí)停止試驗(yàn)，其中前期觀察間隔時(shí)間為5 min，接近融化時(shí)為1 min。整個(gè)化冰過程分為板面升溫至0 ℃(以下簡稱升溫階段)、冰層相變階段兩個(gè)過程。試驗(yàn)結(jié)束后，重新鋪設(shè)薄膜和預(yù)制冰層，靜置24 h后進(jìn)行第二種工況試驗(yàn)，循環(huán)完成剩下工況試驗(yàn)。

2.1 不同輸出功率下混凝土板化冰試驗(yàn)

不同輸出功率下3 mm冰層厚度的混凝土板升溫化冰曲線如圖5(圖中圖例數(shù)字為電偶測點(diǎn)編號)所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，相變階段試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，不同輸出功率效率對比圖如圖6所示。將本試驗(yàn)結(jié)果與無覆冰情況升溫階段的情況進(jìn)行對比，如表7所示，兩種覆冰情況名義熱量利用率對比圖如圖7所示。

圖5 3 mm冰層厚度混凝土板化冰曲線

表3 混凝土板升溫階段試驗(yàn)結(jié)果

表4 混凝土板冰層相變階段試驗(yàn)結(jié)果

表5 無覆冰情況混凝土板部分升溫階段(-9～0 ℃)試驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同輸出功率效率對比

圖7 不同覆冰情況名義熱量利用率對比

由圖5可見，混凝土板中升溫速率最快，其次是板底和板面。板中升溫曲線開始呈快速上升趨勢，隨后升溫速率逐漸變緩。進(jìn)入冰層相變過程后，在0 ℃及高于0 ℃位置處升溫曲線斜率顯著減小。

對名義熱利用率來說，在板面有冰層的情況下板件內(nèi)部熱量除用于自身升溫還用于板面冰層的升溫，這部分熱量不計(jì)入名義熱量利用率。因此，板面有3 mm冰層的板件名義熱利用率理論上應(yīng)低于無覆冰試件。然而，由圖7可知，板面有3 mm冰層試件在4種輸出功率時(shí)名義利用率均比無覆冰試件高。這是由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)低，混凝土板表面的冰層降低了熱量散失的速率，且該部分熱量大于冰層自身升溫所吸收的熱量。因此，冰層的保溫效果提升了試件的名義熱利用率，特別是輸出功率低和升溫試件長的試件。綜上所述，在環(huán)境溫度較高時(shí)，優(yōu)先選用288 W/m2的輸出功率作為路面化冰的首選值，而當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，可以考慮選擇647，1147 W/m2作為路面預(yù)熱后保持化冰溫度的輸出功率。

對名義化冰效率，由圖6可知，當(dāng)輸出功率為647，587 W/m2時(shí)名義化冰效率較高，當(dāng)輸出功率升高至1147 W/m2時(shí)，化冰效率明顯下降，表明在無時(shí)限的前提下，647，587 W/m2的輸出功率對路面的化冰效果較為理想。此外，當(dāng)輸出功率為587 W/m2時(shí)混凝土板內(nèi)格柵的發(fā)熱間隔相比功率647，1147 W/m2試件更大，卻具有三者中最高的名義化冰效率，進(jìn)一步體現(xiàn)了輸出功率587 W/m2在融雪化冰應(yīng)用中的優(yōu)勢。但在1147 W/m2的輸出功率下冰層的相變時(shí)間最短，是快速化冰作業(yè)時(shí)的首選功率。在該功率下試件升溫速率最快，板件與已融化液態(tài)水之間的溫度使得絕大部分熱量被用于提升水溫，而水的比熱容是冰的2倍和混凝土的4倍。因此，加大輸出功率可以加快升溫速率，但熱量利用率和名義化冰效率較低，而587 W/m2時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間熱量傳遞，雖然升溫時(shí)間長，但具有良好的名義化冰效率。已有研究表明[18]在雪層厚度30 mm、外界溫度-3 ℃和風(fēng)速1～2級為條件下，加熱功率509.5 W/m2可以滿足路面融雪化冰需求。證明當(dāng)功率在500～600 W/m2之間時(shí)，能有滿足化冰需求，且具有良好的化冰效率。當(dāng)輸出功率為288 W/m2時(shí)，上部冰層后期無明顯變化，板面溫度出現(xiàn)小幅度回落，而板中和板底溫度平穩(wěn)，表明該輸出功率不足以在-9 ℃的外部環(huán)境下完全融化3 mm的表面冰層，但冰層底部已融化，可以用于化冰后的路面保溫，具有一定的應(yīng)用前景。

2.2 不同冰層厚度下混凝土板化冰試驗(yàn)

在外部環(huán)境-9 ℃時(shí)6 mm冰層厚度、輸出功率為647，1147，587 W/m2混凝土板升溫化冰曲線如圖8(圖中圖例數(shù)字為電偶測點(diǎn)編號)所示，不同冰層厚度混凝土板升溫階段試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，相變階段結(jié)果如表7所示，不同冰層厚度效率對比圖如圖9所示。

圖8 6 mm冰層厚度混凝土板化冰曲線

表6 混凝土板升溫階段試驗(yàn)結(jié)果

表7 混凝土板冰層相變階段試驗(yàn)結(jié)果

由圖8可知，板面有6 mm冰層的試件升溫化冰曲線與無覆冰和3 mm覆冰試件基本一致。由圖9可知，在升溫階段，647，1147，587 W/m2三種輸出功率在不同覆冰厚度條件下板面達(dá)到0 ℃時(shí)的名義熱量利用率接近，說明采用較高的輸出功率對路面進(jìn)行化冰作業(yè)時(shí)，路面升溫速率快，提升路面冰層溫度與路面和外界環(huán)境溫度熱交換相比損失的熱量相差不大。而288 W/m2輸出功率低，路面升溫速度慢，升溫時(shí)間長，在此過程中無覆冰試件熱量損失較多，使得無覆冰情況下比有覆冰時(shí)名義熱量利用率顯著降低。而冰層相變階段，板面有6 mm覆冰試件比3 mm覆冰試件的名義化冰效率明顯升高，由于冰層本身傳熱系數(shù)較低，在融化前會吸收無覆冰情況下散失到空氣中的熱量，因而提高了試件的名義化冰效率，表明板件用于較厚冰層化冰時(shí)效率更高。其中輸出功率為647，587 W/m2時(shí)名義化冰效率高于輸出功率為1147 W/m2，在沒有時(shí)限的情況下，可優(yōu)先考慮采用輸出功率647，587 W/m2進(jìn)行化冰，尤其是具有更大發(fā)熱間隔的587 W/m2，既保證了較高的化冰效率，又具有更高的材料利用率。

3 升溫與化冰試驗(yàn)電阻穩(wěn)定性

各種工況化冰試驗(yàn)過程中的電路電阻值如圖10所示，其中空載電阻阻值由AT516直流電阻測試儀測得；由于電路開始工作后交流變壓器輸出電壓穩(wěn)定在38.9 V，負(fù)載電阻阻值由輸出電壓與電流表采集到的實(shí)時(shí)電流的比值計(jì)算得到。

圖10 各種工況下電阻 - 時(shí)間曲線

電阻穩(wěn)定性結(jié)果如表8、圖11所示。表8中：R0為空載電阻；R1min為第一分鐘負(fù)載電阻；R50%為50%試驗(yàn)時(shí)間負(fù)載電阻；Rf為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)最終負(fù)載電阻。

表8 各種工況下電阻穩(wěn)定性結(jié)果

圖11 各種工況下電阻變化率

由表8、圖11可知，相同電路負(fù)載值與空載值有明顯的區(qū)別，這是由于在通電瞬間，碳纖維束發(fā)熱量較大，而纖維溫度的瞬間升高導(dǎo)致電阻值降低。當(dāng)電流穩(wěn)定后，隨著碳纖維升溫趨勢的平穩(wěn)，電阻阻值逐漸變小，但速率逐漸變慢，尤其是在升溫時(shí)間過半后到升溫結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)，電阻阻值整體變化低于1%，并出現(xiàn)了多個(gè)變化率為0的情況。在已有研究[17]中可以觀察到相似的結(jié)論，碳纖維 - 玻璃纖維格柵融雪化冰路面試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)格柵鋪在車載作用下導(dǎo)電體電阻基本上沒有變化。表明在-16～42.5 ℃這個(gè)溫度范圍內(nèi)，碳纖維電阻阻值進(jìn)入溫度升溫過程后處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，波動較小，也體現(xiàn)了碳纖維在發(fā)熱過程中良好的電阻穩(wěn)定性，對于將其應(yīng)用于實(shí)際工程中具有重要的意義。

4 結(jié) 論

本文研究了混雜纖維發(fā)熱格柵增強(qiáng)混凝土板的傳熱理論和發(fā)熱性能，并分析了不同外界環(huán)境溫度下發(fā)熱板升溫速率、發(fā)熱效率、電阻穩(wěn)定性的變化，主要結(jié)論如下：

(1)纖維格柵不同輸出功率下，混凝土板件升溫速率在冰層進(jìn)入相變階段后均有明顯的下降。受冰層覆蓋的影響，混凝土板在升溫階段熱量利用率高于無覆冰板件在同階段的熱量利用率。輸出功率為647，1147，587 W/m2時(shí)熱量利用率和化冰效率較高。發(fā)熱間隔為50 mm格柵與同水平輸出功率發(fā)熱間隔為25 mm格柵各方面升溫指標(biāo)相近；

(2)6 mm覆冰試件的升溫曲線與無覆冰和3 mm覆冰試件升溫曲線趨勢基本相同。與3 mm覆冰試件相比，6 mm覆冰試件的化冰效率隨冰層厚度增加顯著升高。輸出功率為647，1147，587 W/m2時(shí)，混凝土板對于6 mm冰層均具有良好的化冰效率和能力；

(3)在各環(huán)境溫度化冰試驗(yàn)中，負(fù)載電阻阻值相對穩(wěn)定，電阻變化率在3.6%以內(nèi)，該混雜纖維發(fā)熱格柵可用于路面融雪化冰。