導電碳纖維抗凝冰路面除冰性能比較研究＊

康厚榮 張謝東 李 紅

（貴州省交通建設人才基地1） 貴陽 550001） （武漢理工大學交通學院2） 武漢 430063）

0 引 言

貴州地區冬季路面凝冰導致路面抗滑能力急劇下降，會嚴重影響道路交通安全和正常的交通秩序［1］，國內外關于路面除冰形成了多種方法［2－7］.由于電熱效應，碳纖維導電瀝青混凝土在通電的狀態下會發熱.這一特性，可以用于抗凝冰路面以預防或消除凝冰.另外碳纖維線也有通電發熱的特性，把碳纖維線－玻纖格柵組合配置在路面結構中，也可以起到抗凝冰的效果［8－9］.針對2種除凝冰路面結構，本文建立了抗凝冰路面有限元模型，并針對2種抗凝冰路面進行了除冰性能比較.

1 抗凝冰瀝青路面有限元分析模型

1.1 基本假定

對抗凝冰路面進行熱分析時，在垂直于行車方向的一個橫斷面上建立二維有限元模型，并做出如下假設：（1）各結構層為均勻、連續、各向同性的連續彈性體系；（2）不計各層自重，層間完全連續，水平方向約束，只有豎直方向的位移，土基底面完全約束；（3）不考慮路面結構溫度場的橫向分布，忽略陰面和陽面的溫度差異；（4）忽略接觸熱阻，路面各層材料之間結合緊密，層間溫度和熱流連續；（5）忽略各層材料的導熱系數受溫度變化的影響；（6）忽略太陽輻射（凝冰天氣通常無陽光，因此太陽輻射忽略不計）.

1.2 有限元模型

按照抗凝冰路面結構，建立如圖1a）所示尺寸為1 000mm×380mm的幾何模型，在模型中，沿路面寬度方向為x方向，沿路面厚度方向為y方向.圖1a）中粗黑線條表示碳纖維－玻纖格柵.模型上層40mm代表AC－13瀝青混凝土上面層，其下5mm代表碳纖維格柵發熱層，格柵下面為60mm AC－16瀝青混凝土中面層和80mm AC－25瀝青混凝土下面層，面層下面考慮一層基層，為200mm水泥穩定碎石.不同級配的瀝青混合料在不同溫度條件下的熱工參數不同，但相差不大，文中計算時不考慮材料熱工參數隨溫度的變化，取為常數，各層相應的材料參數見表1.選擇ANSYS計算軟件中的Plane55來模擬抗凝冰瀝青路面，網絡劃分，x方向單元尺寸為20mm，y方向為20mm或者至少劃分2個單元，并進行網格劃分見圖1b）［10－11］.

圖1 碳纖維－玻纖格柵抗凝冰瀝青路面有限元模型

表1 路面各結構層的材料性質

碳纖維瀝青混凝土抗凝冰路面有限元模型基本與上述模型相同，發熱層厚度不同（6cm厚的AC－20導電瀝青混凝土為發熱層，少了格柵發熱層），見圖2.

圖2 碳纖維導電瀝青混凝土抗凝冰路面有限元模型

分析類型為非線性瞬態分析［12］.初始溫度條件：瀝青路面上面層溫度假定與環境溫度相同，其他各層溫度均勻.研究表明，發熱格柵層或者導電碳纖維瀝青混凝土對面層以下一定深度的影響很小，因此，分析時可認為基層底部邊界為絕熱，不考慮熱傳導；兩側邊為重復對稱邊界，該邊界熱流率為零；上表面為對流換熱邊界，其中，對流換熱系數與環境溫度、路面溫度以及風速等因素有關；發熱格柵層加載的熱載荷為生熱率，發熱線處加載的生熱率可以由碳纖維格柵線功率及其橫截面面積計算得到.

2 抗凝冰瀝青路面熱量傳遞模型分析

2.1 碳纖維導電瀝青混凝土抗凝冰路面模型

導電碳纖維瀝青混凝土的輸入功率分別取200，300，400，500，600W／m2.假定環境溫度為－8℃，風速為0，上表面對流傳熱系數為10W／（m2·℃），各層初始溫度（至上而下）－8，1，1，1，1，1 ℃，分別采用瞬態熱分析，計算時間為18 000s，時間步長為60s.圖3得出碳纖維導電瀝青混凝土抗凝冰路面結構表面中心位置溫度歷程.

圖3 碳纖維導電瀝青混凝土抗凝冰路面通電發熱升溫模擬曲線

2.2 碳纖維－玻纖格柵抗凝冰瀝青路面模型

碳纖維－玻纖格柵的輸入功率分別取200，300，400，500，600W／m2，其他條件同前.圖4得出碳纖維－玻纖格柵抗凝冰瀝青路面結構表面中心位置溫度歷程.

圖4 碳纖維－玻纖格柵抗凝冰瀝青路面通電發熱升溫模擬曲線

圖3及圖4表明提高輸入功率，可以使路面獲得較快的升溫速率和較高的升溫幅度，但是碳纖維－玻纖格柵抗凝冰瀝青路面升溫更快，升溫幅度更大.

2.3 計算模型與試驗實測結果比較

在室內實體模型試驗中，格柵鋪設在路表面下5cm時，將試件提前放入試驗箱中，保證試樣的溫度和空氣溫度相同.抗冰凍路面模擬試驗箱進行實驗時環境溫度為－6.3～－6.6℃，設定的功率為300和400W.根據試驗實測結果確定最終的模型材料參數.通電發熱單位面積內功率為300W／m2，路面升溫情況見圖5；為400W／m2路面升溫情況見圖6.

圖5 功率300W／m2路面升溫情況

圖6 功率400W／m2路面升溫情況

在室內試驗時，凝冰試驗箱內為了保持在設定的溫度條件，一直有較大的強風，使“路面”表面熱對流損失遠大于仿真分析條件下的熱量損失.為了使仿真分析與室內試驗結果具有可比較性，可以比較室內試驗模型“路面”表面以下1cm處點的溫度變化與仿真分析中“路面”表面的溫度變化.

對比圖4與圖5、圖6，同樣的環境溫度下（約－7℃），輸入功率300W／m2時，仿真分析表明，“路面”表面溫度升高到0℃需要花費約1h，如圖4；輸入功率400W／m2時，仿真分析表明，“路面”表面溫度升高到0℃需要花費約40min，如圖4.室內試驗中，輸入功率300W／m2時，“路面”以下1cm處溫度升高到0℃需要花費約40min，輸入功率400W／m2時，“路面”以下1cm處溫度升高到0℃需要花費約30min.仿真分析與室內試驗結果之間存在一定的差異.造成這種差異的結果應該是由于邊界條件的差異，比如室內試驗實體模型尺寸較小，熱量散失相對較大，發熱層下結構不同等等，拋開這些因素，這樣的結果差異應該是可以接受的，可以認為有限元分析模型基本可以代替同等條件下的實際結構來進行仿真分析.

3 兩種抗凝冰路面發熱性能分析比較

為比較碳纖維瀝青混凝土與碳纖維格柵瀝青混凝土導電及發熱性能，取輸入功率為400W／m2進行比較.路面表面升溫曲線見圖7，從圖中可以看出，相同的輸入功率下及相同的環境溫度條件下，格柵路面升溫速度明顯高于碳纖維混凝土路面，格柵路面升溫幅度也明顯高于碳纖維混凝土路面.

圖7 功率400W／m2路面升溫曲線

圖8為碳纖維瀝青混凝土抗凝冰路面通電升溫2h后的道路各結構層吸收的熱量比較圖，其中中面層為碳纖維瀝青混凝土層，熱量損失為路面表面對流消耗的熱量.由圖8可見，發熱層本身（碳纖維瀝青混凝土層）吸收了相當一部分熱量.圖9為碳纖維－玻纖格柵混凝土抗凝冰路面通電升溫2h后的路面各結構層吸收熱量比較圖.從圖9中可以看出，發熱層本身吸收的熱量很少，可以有更多的熱量供上面層（路面表面）升溫，并且熱量損失所占比例較小.顯然，碳纖維－玻纖格柵混凝土抗凝冰路面中的電熱能被更好地利用，經濟性較高，而且路面上面層吸收熱量更快，升溫更快，抗凝冰效果也更好.

圖8 碳纖維瀝青混凝土抗凝冰路面升溫時各層熱量圖

圖9 碳纖維－玻纖格柵抗凝冰瀝青路面升溫時各層熱量圖

另外，由圖8和9可見，在通電發熱的過程中，碳纖維瀝青混凝土發熱路面產生的熱量有超過60%的熱量被上面層以外的道路結構層吸收或損失，碳纖維－玻纖格柵產生的熱量也有超過50%的熱量被上面層以外的道路結構層吸收，因此，值得研究如何降低額外的熱量損失.

4 結 論

1）針對2種抗凝冰路面建立了有限元模型，并重點就碳纖維－玻纖格柵抗凝冰瀝青路面做了有限元模型分析與室內試驗結果比較，比較結果表明所建立的有限元模型結果基本可以反映抗凝冰路面結構的升溫效果.

2）碳纖維瀝青混凝土抗凝冰路面與碳纖維－玻纖格柵瀝青混凝土抗凝冰路面發熱性能分析比較結果表明，后者的路面升溫更快，電熱利用效率更高，另外考慮到施工便利性等原因，后者更適合用于抗凝冰路面.

3）碳纖維瀝青混凝土抗凝冰路面與碳纖維－玻纖格柵瀝青混凝土抗凝冰路面發熱性能分析比較結果也表明，至少有50%的熱量被浪費掉了，因此，值得研究如何提高熱量利用效率.

［1］貴州省氣象科技服務中心.貴州凝冰災害預警研究［M］.北京：氣象出版社，2007.

［2］劉 凱，王選倉，王 芳.中外高速公路融雪化冰技術和方法［J］.交通企業管理，2011（8）：73－74.

［3］CUNDY V ANYDAHL J EPELL K M.Geothermal heating of bridge decks［R］.Second International Snow Removal and Ice Research Symposium，Hanover，New Hampshire，May 1978.

［4］王華軍，趙 軍.地熱能道路融雪化冰過程實驗研究［J］.太陽能學報，2009（2）：177－181.

［5］FERRARA A A，HASLETT R.Prevention of preferential bridge icing using heat pipes［R］.Washington，D.C.Federal Highway Administration，July 1975，FHWA－RD－75－111.

［6］ANONYMOUS.Heated pipes keep bridge deck ice free［J］.Civil Engineering，1998，68（1）：19－20.

［7］李炎鋒，胡世陽，武海琴.發熱電纜用于路面融雪化冰的模型［J］.北京工業大學學報，2008（12）：1298－1302.

［8］陳 龍，孫明清，李 濱，等.碳纖維格柵混凝土電熱路面的化冰試驗研究［J］.公路，2010（4）：175－179.

［9］侯作富.融雪化冰用碳纖維導電混凝土的研制及應用研究［D］.武漢：武漢理工大學，2003.

［10］KOHNKE P C.ANSYS Theory reference，release 6.1［M］.ANSYS Incorporated，1999.

［11］HOU Zuofu，LI Zhuoqiu，TANG Zuquan.The finite element analysis and design of electrically conductive concrete for roadway deicing or snow－melting system［J］.ACI Materials Journal，2003，100（6）：469－476.

［12］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.