鋼筋骨架增強的碎石融冰功能層融冰效果研究*

吳義華 王 博 羅傳熙 唐 峰

(安徽省交通控股集團有限公司1) 合肥 230000) (華南理工大學土木與交通學院2) 廣州 5120000)

0 引 言

在低溫季節，橋面瀝青鋪裝層表面往往會形成冰層，威脅行車安全[1].為了防止橋面低溫結冰，傳統的方法是在橋面撒布融雪劑，而融雪劑易滲入橋面結構，腐蝕橋面鋼筋，威脅橋梁結構安全[2-4].本文提出一種新型的融冰結構，在橋面鋪裝結構內部鋪設一層導電骨料作為融冰功能層，通過鋼筋網格束縛導電骨料，對導電骨料層導電加熱從而提高瀝青鋪裝層的溫度，達到融冰的效果.而對導電材料的選擇和導電骨料層加熱融冰能力的評估是迫切需要解決的問題.

1 融冰結構試件

鋼筋骨架增強的碎石融冰功能層的主要作用是通過瀝青層與橋面板間的碎石來實現排水、調溫和融冰作用.為了實現融冰的作用，填充的碎石需要有一定的導電性，但其導電性不能太強，避免形成短路現象，所以導電骨料的選擇顯得十分的重要[5].為了充分研究導電材料的實用性，本文選用鐵粒(含鐵量極高)、鐵礦石1#(含鐵量40%)、鐵礦石2#(含鐵量30%)、鋼渣這四種材料作為導電材料制作試件.

圖1 四種不同的導電材料

本文研究的橋面鋪裝結構層包括水泥混凝土調平層、融冰功能層、瀝青鋪裝層.水泥混凝土調平層采用C40水泥混凝土，融冰功能層包括鋼筋網架和導電材料.

1.1 試件的制作

1) 鋼網將尺寸為240 mm×240 mm×35 mm鋼筋網焊接為25個小格網，每個小格網的尺寸約為40 mm×40 mm，在小格網連接處焊上高度為30 mm鋼筋.在鋼筋網上涂上快固化絕緣漆，分三次涂刷，每次涂刷后，待絕緣漆干燥后(靜置時間為1 h)，再刷第二遍，刷完第三遍后，晾干12 h后，使用萬用表測量后確保鋼筋網處于不導電狀態.

2) 混凝土的拌和采用機器拌和，一塊板的規格尺寸：300 mm×300 mm×45 mm，體積3.6 L.按照工程用混凝土配合比設計結果，稱好各種原料，依次加入拌和機中，設定拌和時間 60 s，即可拌和均勻.

3) 水泥混凝土試件 將混凝土拌和物一次裝入模具，并稍有富余.然后將模具放在振動臺上振搗.試件振搗后，靜置10 min，將涂塑鋼筋網插入試件中，插入深度為10 mm.將制作好的混凝土試件送入溫度(20±2) ℃、濕度95%的標準養護室，養護7 d.

4) 排水聯結功能層布設 在涂塑鋼筋網內灑布熱的SBS改性瀝青防水黏結層，用量為1.2 kg/m2；將加熱的導電材料均勻地灑在防水黏結層表面，并將兩條電極與熱電偶安裝于涂塑鋼筋網下面的導電材中.

5) 瀝青層鋪裝 將拌和好的全部瀝青混合料，用小鏟稍加拌和后均勻地裝入試模，將其置于輪碾機的平臺上，注意碾壓方向要與裝有熱電偶一邊的試模平行，將兩條熱電偶插入距瀝青混合料表面約5 mm處，其探頭需與前兩條熱電偶的探頭處于同一個截面，碾壓成型，連同試模一起在常溫條件下放置48 h后脫模.

2 排水調溫層導電加熱測試

2.1 使用設備

1) 控制箱 為深入研究排水調溫層的導電性能，本文研發了加熱控制箱控制箱，控制箱包括控溫器和變壓器，變壓器有6，12，24和36 V共4個檔位切換.控制箱可根據不同的試驗材料選擇不同的電壓，同時根據所需的加熱溫度，準確的控制加熱的時長.

2) AT4208多路溫度測試儀 可同時對多路溫度數據進行采集，精度可達0.1 ℃，測試范圍可達-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 加熱測試結果

通過對鐵粒(含鐵量高)、鐵礦石1#、鐵礦石2#、鋼渣這四種導電材料進行通電實驗，測試結果如圖2.

圖2 不同導電材料加熱情況下碎石層溫度圖

由圖2可知，導電材料為鐵粒的試件，加熱結果較好，可在3 h內將溫度提升10 ℃，但如果將電壓調高至24 V時則產生了短路現象.鐵礦石1#、鐵礦石2#、鋼渣這3種導電材料中，鋼渣幾乎不導電，通電后，溫度基本不變，說明鋼渣含有的導電粒子不足以形成導電網絡.鐵礦石1#、鐵礦石2#兩者試件在12 V電壓的導電加熱情況下碎石層溫度逐步上升，兩者加熱效果幾乎一致.但在24 V電壓導電加熱情況下，鐵礦石1#的升溫效果更好，可見含鐵量對于加熱效果有一定影響.

目前,學術界主要有三種理論用于解釋復合材料的導電機理：導電通道理論、隧道效應學說、電場發射學說[6].其中，導電通道理論是從宏觀上闡述復合材料的導電行為[7]，而隧道效應學說、電場發射學說都是從微觀意義上解釋復合材料的導電行為[8].鋼筋骨架增強的碎石用作融冰功能層的碎石層屬于復合材料，其導電機理實為導電通道學說、隧道效應學說、電場發射學說三者共同作用而成.鐵粒屬于導電填料含量較高的,導電粒子之間的間距較小,形成導電通道的幾率較大,在低電壓的情況下就已經導電狀態，但在高電壓的情況下，由于電場發射原理作用下導電粒子的數量大量增加，進而形成短路現象；鐵礦石的導電粒子數量足以在低電壓的情況下形成導電通道，并且在電壓增加的情況下導電粒子的數量有所增加，導電效果有所提升，但未形成短路現象；鋼渣本身導電粒子含量低、低外加電壓作用下,碎石層中導電粒子之間的間距較大,形成鏈狀導電通道的幾率較小，所以無法進行導電加熱.綜上研究，選用鐵礦石1#作為碎石層的導電材料作進一步的研究.

3 融冰效果影響因素

3.1 加熱功率

為充分研究鋼筋骨架增強的碎石融冰功能層在不同的加熱功率下其融冰效果，分別采用了不同的加熱電壓(12，24，36 V)進行融冰試驗.為了更加直觀上的觀察融冰效果，本文模擬現實中瀝青路面結冰到融冰結束的過程，融冰情況見圖3、4.

圖3 不同加熱時間下的融冰效果

圖4 不同電壓下瀝青層溫度變化情況

從圖4可知，不同的電壓下加熱碎石層，在2 h內三者加熱效率基本一致，但在加熱2 h后不同電壓間的加熱效果開始顯示出不同.在36 V加熱電壓情況下，瀝青層上的冰塊基本在加熱240 min后就已基本融解完畢，此時瀝青層溫度為4.1 ℃；在24 V加熱電壓情況下，瀝青層上的冰塊基本在加熱270 min后就已基本融解完畢，此時瀝青層溫度為3.8 ℃；在12 V加熱電壓情況下，瀝青層上的冰塊基本在加熱300 min后就已基本融解完畢，此時瀝青層溫度為4.1 ℃.可見鐵礦石在12，24，36 V的加熱電壓下均可實現對瀝青層上的冰塊進行融解，但是不同電壓間融解的速率有所不同，電壓越大融解速率越快.

3.2 瀝青層材料

橋面鋪裝結構上面層混合料采用的形式主要是SMA型瀝青混合料、AC型瀝青混合料與開級配瀝青混合料，為了充分驗證含有鋼筋骨架增強的碎石用作融冰功能層的鋪裝結構融冰效果，本文成型的不同類型的瀝青混合料鋪裝結構，通過實際模擬融冰試驗，評價不同類型瀝青混合料的融冰效果，見圖5.

圖5 不同類型瀝青混合料融冰效果

在通電前1 h，不同類型的瀝青層融冰效果基本一致；但在1 h后，不同瀝青層厚度的情況下融冰效果有較大差別.其中主要是開級配瀝青混合料與密級配瀝青混合料的區別，開級配瀝青混合料本身孔隙率較大、導熱系數較低所以導熱效果較差，導電碎石層的熱量難以傳遞到瀝青層上，導致融冰效果較差；但密級配瀝青混合料由于孔隙較小、導熱系數較大所以導熱效果較好，在同樣的加熱時間下導電碎石層的熱量可快速傳遞至瀝青層，從而融冰效果較好；SMA型瀝青混合料與AC型瀝青混合料兩者都屬于密級配型瀝青混合料，導電碎石層傳遞至瀝青層的速率基本一致，所以融冰效果基本相同.開級配瀝青混合料由于其較小的導熱系數，其融冰所需時間較長，并且當冰塊融解一段時間后，由于冰水的直接下滲造成試件出現了短路現象，無法繼續加熱.可見不同類型的瀝青混合料作為含有鋼筋骨架加強的碎石用作融冰功能層的橋面鋪裝結構的上面層對融冰效果有比較大的影響.密級配瀝青混合料有利于導電碎石層的融冰速率.

3.3 瀝青層厚度

影響融冰效果的因素除了加熱方式、瀝青層類型，還有一個更加直觀的因素-瀝青層的厚度.為了充分研究瀝青層厚度對于融冰效果的影響，本文成型了瀝青層厚度分別是4，5、6 cm的試件，并對試件進行了導電加熱實驗，實驗結果見圖6.

圖6 不同厚度的瀝青層融冰效果

在通電前2 h，不同厚度的瀝青層融冰效果基本一致；但在2 h后，不同瀝青層厚度的情況下融冰效果有較大差別.在同樣的加熱時間下瀝青層厚度增加1 cm，瀝青層的溫度就有下降1 ℃，這就意味著融冰的速率將會隨著瀝青層厚度的減小而增加.同樣的這也就意味著厚度較小的瀝青層有利于減少融冰時間，降低融冰所需要消耗的能源.

4 結 論

1) 通過對使用鐵粒、鐵礦石、鋼渣等材料作為導電石料的試件進行通電加熱實驗，發現鐵礦石作為導電材料填充到碎石層時瀝青路面的加熱效果最佳，并且加熱速率隨著鐵礦石的含鐵量增加而呈現小范圍的上升現象.

2) 在使用鐵粒作為導電骨料時，因為導電粒子過多，在增加電壓的情況下會出現短路現象，為了考慮加熱功率的影響，鐵粒并不適宜作為導電材料填充碎石層.

3) 不同類型的瀝青混合料作為含有鋼筋骨架加強的碎石用作融冰功能層的橋面鋪裝結構的上面層對融冰效果有比較大的影響.密級配瀝青混合料有利于導電碎石層的融冰速率；而開級配瀝青混合料由于其較小的導熱系數，其融冰所需時間較長，并且當冰塊融解一段時間后，試件出現了短路現象，無法繼續加熱.

4) 通電2 h，不同厚度的瀝青層融冰效果基本一致；但在2 h后，不同瀝青層厚度的情況下融冰效果有較大差別.在同樣的加熱時間下瀝青層厚度增加1 cm，瀝青層的溫度就下降1 ℃.