機場道面碳纖維發熱線融雪模型試驗研究

邢嘉明， 肖衡林， 陳 智

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

寒冷地區冬季，受到惡劣天氣影響，機場因積雪結冰被迫關閉，造成經濟效益的損失。冰雪覆蓋滑行道的標線，容易引起安全事故，并且滑行道內部溫度變化會造成一定程度的結構損傷[1]。近年來在機場道面上普遍應用的融雪化冰方式有融雪劑法和機械除冰法[2]。化學法除冰雪方便易行，效果顯著，但撒氯鹽的方式經常需要后續的處理，容易腐蝕路面和污染環境。國內機場目前使用機械除雪的方式進行融雪化冰，高效除冰是機械方法的顯著特點，該法對清除大量冰雪較為合適，缺點是費時費力[3]。

將電能轉化為熱能的自發熱融雪化冰技術逐漸發展為學者的研究重點之一，主要有電熱法[4]、地熱法[5]、導電混凝土加熱法[6]等。李榮清對碳纖維發熱線應用在橋面施工進行了室內試驗[7]。李春鳴研究連續式自發熱機場道面的融雪化冰規律，在不同的發熱功率和冰層厚度等條件下展開了室外融雪化冰試驗[8]。武海琴、李炎鋒等研究了碳纖維發熱線的選型、埋深和發熱線布置間距，通過碳纖維融雪化冰結合有限元分析方法對路面變化進行了研究，得出不同的溫度條件下道面和結構層內部溫度分布、升溫規律[9]。趙宏明、車廣杰等通過有限元研究了布置不同間距發熱線的混凝土板表面溫升的均勻性，并通過混凝土小板室內溫升試驗研究了混凝土板輸入功率和溫升的關系[10]。

因耗能較高造成碳纖維自發熱融雪化冰技術在國內外研究較少，國內暫無機場混凝土道路模型的制作，對于融雪化冰過程中各結構層內部的溫度變化以及熱量在垂直方向上的傳導還未進行研究。基于此，通過在恒溫實驗室內制作機場混凝土大型模型試件，機場混凝土道面內部發熱線通過接通外部電源，試件模型內部溫度開始增加。利用融雪化冰原理，在混凝土試件各個結構層埋置測溫探頭以便于監測試件內部的溫度變化情況和研究溫升規律。

1 試驗方案設計及監測系統組成

1.1 碳纖維發熱線

此次試驗所需的碳纖維發熱線型號如:線材24 K型,電阻17 Ω/m,線材功率28 W/m。最高工 作溫度為100℃。

1.2 混凝土試件模型

根據《民用機場水泥混凝土道面設計規范》(MH5004-2009)與《民用機場飛行區水泥混凝土道面面層施工技術規范》(MH5006)，試驗試件為1.2 m×1 m×0.85 m，標準是4F級別的機場跑道的混凝土板，土基為厚200 mm的壓實土，土層壓實度為96%。墊層采用中砂，厚度為150 mm。基層采用厚度為300 mm水泥混凝土，基層和面層水泥混凝土采用P.O 42.5水泥、沙、碎石、混凝土高效減水劑。面層厚度設200 mm，道面配合比如表1所示。

表1 試件配合比表

1.3 試件制作方法

試件由上到下依次為面層、基層、墊層和土層，如圖1所示。為了施工方便，混凝土試件在恒溫室內澆筑完成，將碳纖維發熱線埋置于混凝土試件中，通電后發熱線傳遞熱能。試件共設置兩個發熱層，道面5 cm和10 cm下分別埋置第一發熱層和第二發熱線層。碳纖維發熱線的長度為10 m，布置方式選為U型，布置間距為10 cm。

圖 1 混凝土試件模型

1.4 監測系統組成

為保證試驗順利進行，采取視頻監測和溫度監測兩部分來更好地監測試驗狀況。視頻監測及時反映實驗室內的情況，溫度監測是在試件內部及表面均勻布置測點的位置進行實時的測溫。視頻設備采用HIKVISION監控攝像頭，測溫設備采用LTM8871型數字溫濕度傳感器，溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內精度為±0.5℃。所有傳感器傳回的溫度數據由LTM8662多功能數據采集控制模塊進行處理后傳到PC端進行實時記錄。

1-碳纖維發熱線；2-試驗邊界；3-測溫點圖 2 試件立面圖

為了能監測混凝土試件每一層結構的溫度變化情況，測溫點分為試件表面測溫層和試件內部測溫層。為探究溫升規律，將62個測溫點均勻地布置在試件表面及試件內部，如表2和圖3所示。

表2 測溫探頭布置

1.5 試驗方法及步驟

試驗主要探究機場道面的溫升規律、熱傳遞及輸入功率與混凝土試件溫升的關系。對比不同加熱功率下溫度變化曲線，將試驗分為S1,S2和S3。為模擬真實狀況，在大型恒溫實驗室內設溫度為-5℃，受外界環境影響，不能完全達到設定的溫度值，將試驗的溫度誤差控制在2℃以內。將人工造雪機里的冰雪勻稱地灑在試件道面上，厚度均為10 mm。發熱線的輸入功率由輸入電壓的改變來進行控制，按照發熱線電阻的最大規格來計算最大發熱功率：發熱線電阻為17 Ω/m，其最高承受220 V電壓，根據公式計算得碳纖維發熱線在電圧220 V下的單位面積上最大發熱功率S1為237 W/m2。同理，輸入電壓分別為S2：200 V，S3：180 V，對應的輸入功率為S2：196 W/m2，S3：158 W/m2。

2 試驗結果與分析

2.1 第一測溫層溫度分布規律

選第一測溫層的南北方向為與發熱線平行的板邊，東西方向為與發熱線垂直的板邊，如圖3a所示。試件平行邊溫度、垂直邊溫度、四角溫度、中心溫度均取同樣的四個測溫點，求平均值。如圖4所示，三組實驗的道面中心始終保持溫度最高，板邊其次，道面四個邊角的溫度最低，這是由于熱傳遞在道面中心的效果最好，室內冷空氣對其影響相對較小。板邊和道面邊角位于溫度場的邊緣，因為熱輻射和熱對流發生，故溫度較低。

圖 3 平面布置圖

在剛開始加熱時，各位置初始階段溫度相差在1℃之內，在加熱過程中，碳纖維發熱線作為熱源將溫度逐漸向上傳遞給道面，道面整體溫度變化趨勢呈上升狀。由圖4可知，當S3加熱至20 h，S2和S1加熱至14 h，試件整體升溫速率由先快后慢開始趨于穩定狀態。S1、S2和S3的最高道面中心溫度分別為6.66℃、4.49℃、3.67℃，道面邊角溫度為2.36℃、1.02℃、0.64℃，即道面中心溫度分別高出道面邊角溫度65%、77%、112%，道面與發熱線平行的板邊溫度分別為2.83℃、2.64℃、2.06℃，高出對應道面邊角溫度17%、61%、68%，道面與發熱線垂直的板邊平均溫度分別為5.39℃、2.76℃、2.09℃，高出對應邊角溫度56%、63%、69%。由上述分析可得，在同一時刻，發熱功率越大，整個道面發熱越均勻，且溫度更快趨于穩定。因為在同一時刻，發熱功率大，整體可以抵抗環境溫度變化的能力增強。

2.2 第二測溫層溫度分布規律

第二測溫層上的測溫探頭布置于距離道面下方5 cm處，布置方式與第一發熱層相同，共計16個測溫點，均勻網格狀布置。在0～20 h，S3溫度整體呈上升狀，升溫速率先快后慢，20～24 h，S3溫升趨于穩定。S1和S2加熱至14 h達到最大溫度，加熱速率與S3一致。第二測溫層S1、S2、S3的最高中心溫度分別為4.76℃、2.86℃、2.36℃，邊角溫度為1.00℃、0.06℃、-0.20℃，即中心溫度分別高出邊角溫度79%、98%、101%。所取平行邊的四個測溫點平均溫度分別為2.60℃、1.63℃、1.16℃，高出對應邊角溫度62%、96%、71%，垂直邊的四個測溫點平均溫度分別為2.90℃、1.75℃、1.25℃，高出對應邊角溫度66%、97%、117%。第二測溫層整體平均溫度上升值小于道面層，這是因為第二測溫層熱傳遞現象明顯，大部分向上傳遞用于道面層融雪化冰，少部分向下傳遞，造成熱量損失(圖5)。

2.3 第三測溫層溫度分布規律

第三測溫層的測溫探頭布置于面層與基層之間，布置方式與道面層和第二測溫層相同。在澆筑基層時，因冷氣進入，造成熱量流失，故對第三測溫層垂直邊溫升效果產生影響，溫度變化趨勢相比道面層和第二測溫層較緩慢。溫升趨勢與前兩層一致，如圖6所示，在0時，第三測溫層S1、S2、S3的中心溫度分別為-4.22℃、-4.51℃、-4.50℃，第14 h，S1和S2中心溫度分別為3.13℃、1.54℃，至20 h，S3中心溫度為0.97℃。同理，在0時，第三測溫層S1、S2、S3的邊角溫度分別為-3.84℃、-4.38℃、-4.39℃，第14 h，S1和S2邊角溫度分別為-0.91℃、-0.14℃，至20 h，S3邊角溫度為-0.38℃。第三測溫層在溫升趨于穩定時平均中心溫度S1、S2、S3分別上升7.35℃、6.05℃、5.47℃，平均邊角溫度分別上升4.75℃、4.24℃、4.01℃。

2.4 四五六測溫層溫度分布規律

第四測溫層位于基層和墊層之間，6個測溫探頭等間距縱向布置，分析具有代表性的板中心和邊角的溫度變化(圖3b)。在起始階段，第四測溫層S1、S2、S3的中心溫度分別為-4.03℃、-3.03℃、-4.13℃，第14 h，S1和S2中心溫度分別為3.49℃和1.72℃，第20 h，S3的中心溫度為1.31℃(圖7a)。同理，初始階段，第四測溫層S1、S2、S3的邊角溫度分別為-3.75℃、-3.19℃、-4.44℃，第14 h，S1和S2邊角溫度分別為1.72℃和1.32℃，第20 h，S3的邊角溫度為0.75℃。第四測溫層在溫升趨于穩定時平均中心溫度S1、S2、S3分別上升7.52℃、4.75℃、5.85℃，邊角溫度分別上升5.47℃、4.51℃、5.19℃。S1加熱16h溫度升高7.53℃，只占整體溫升的0.1%，S2和S3加熱至20 h和24 h分別占整體溫升的0.2%和1.9%。第五測溫層位于墊層與土層之間，共計4個測溫探頭。第六測溫層位于土層中，距離墊層底10 cm處，共計4個測溫探頭，第五測溫層與第六測溫層布置方式均為等間距縱向布置(圖3c)。在加熱時中心和邊角的溫度逐漸上升，上升速度與一、二、三測溫層相比較緩慢(圖7b)。一、二、三的測溫層相比，第六溫層的中心和邊角溫度的溫升趨勢緩慢(圖7c)。這說明距離發熱線距離不同，受到的熱量傳遞效果不同，一、二、三測溫層距離發熱線較近，整體發熱均勻性好，在相同時間內，溫升速率更快，四、五、六測溫層距發熱線較遠，溫升效果相對比一、二、三測溫層較差。

(a)第四測溫層

2.5 縱向不同深度溫度分布規律

如圖8所示，S1、S2和S3加熱至15 h，試件整體溫度均有所增加，當加熱功率為S3時，道面層及道面下5 cm、20 cm、50 cm和65 cm處溫度分別增加6.96℃、5.65℃、4.77℃、4.06℃、3.125℃和0.69℃。顯然道面處溫升效果最好，這是因為道面距發熱線較近，且道面整體均勻性好。當加熱功率為S1和S2時，道面處溫度分別增加9.93℃和8.95℃。道面層融雪化冰順利，滿足預期要求。

(a)158 W/m2

3 結論

1)在一定時間內，道面層溫升效果最好，溫度最高且升溫最快。在實際工程中，在保證碳纖維發熱線不被破壞的前提下，可將發熱線盡可能埋置在離道面最近的位置，使得道面融雪化冰效果更好。

2)隨著加熱開始，試件整體溫度均勻上升，中心溫度上升效果最好，板邊其次，板角最差。這表明，溫度場中心溫度向四周均勻傳遞，離溫度場中心越遠，傳遞效果越弱。

3)對于碳纖維發熱線，不同的輸入功率，決定試件整體的溫升效果。試驗表明：當恒溫室內環境為-5℃時，發熱功率為237 W/m2，加熱2.5 h試件溫升最快穩定在0℃左右且最終穩定在6.6℃左右，能夠保證試件道面上無冰雪堆積。故當環境溫度-10℃～0℃時，237 W/m2為三個發熱功率中除冰的最小有效功率。