导电碳纤维抗凝冰路面除冰性能比较研究＊

康厚荣 张谢东 李 红

（贵州省交通建设人才基地1） 贵阳 550001） （武汉理工大学交通学院2） 武汉 430063）

0 引 言

贵州地区冬季路面凝冰导致路面抗滑能力急剧下降，会严重影响道路交通安全和正常的交通秩序［1］，国内外关于路面除冰形成了多种方法［2－7］.由于电热效应，碳纤维导电沥青混凝土在通电的状态下会发热.这一特性，可以用于抗凝冰路面以预防或消除凝冰.另外碳纤维线也有通电发热的特性，把碳纤维线－玻纤格栅组合配置在路面结构中，也可以起到抗凝冰的效果［8－9］.针对2种除凝冰路面结构，本文建立了抗凝冰路面有限元模型，并针对2种抗凝冰路面进行了除冰性能比较.

1 抗凝冰沥青路面有限元分析模型

1.1 基本假定

对抗凝冰路面进行热分析时，在垂直于行车方向的一个横断面上建立二维有限元模型，并做出如下假设：（1）各结构层为均匀、连续、各向同性的连续弹性体系；（2）不计各层自重，层间完全连续，水平方向约束，只有竖直方向的位移，土基底面完全约束；（3）不考虑路面结构温度场的横向分布，忽略阴面和阳面的温度差异；（4）忽略接触热阻，路面各层材料之间结合紧密，层间温度和热流连续；（5）忽略各层材料的导热系数受温度变化的影响；（6）忽略太阳辐射（凝冰天气通常无阳光，因此太阳辐射忽略不计）.

1.2 有限元模型

按照抗凝冰路面结构，建立如图1a）所示尺寸为1 000mm×380mm的几何模型，在模型中，沿路面宽度方向为x方向，沿路面厚度方向为y方向.图1a）中粗黑线条表示碳纤维－玻纤格栅.模型上层40mm代表AC－13沥青混凝土上面层，其下5mm代表碳纤维格栅发热层，格栅下面为60mm AC－16沥青混凝土中面层和80mm AC－25沥青混凝土下面层，面层下面考虑一层基层，为200mm水泥稳定碎石.不同级配的沥青混合料在不同温度条件下的热工参数不同，但相差不大，文中计算时不考虑材料热工参数随温度的变化，取为常数，各层相应的材料参数见表1.选择ANSYS计算软件中的Plane55来模拟抗凝冰沥青路面，网络划分，x方向单元尺寸为20mm，y方向为20mm或者至少划分2个单元，并进行网格划分见图1b）［10－11］.

图1 碳纤维－玻纤格栅抗凝冰沥青路面有限元模型

表1 路面各结构层的材料性质

碳纤维沥青混凝土抗凝冰路面有限元模型基本与上述模型相同，发热层厚度不同（6cm厚的AC－20导电沥青混凝土为发热层，少了格栅发热层），见图2.

图2 碳纤维导电沥青混凝土抗凝冰路面有限元模型

分析类型为非线性瞬态分析［12］.初始温度条件：沥青路面上面层温度假定与环境温度相同，其他各层温度均匀.研究表明，发热格栅层或者导电碳纤维沥青混凝土对面层以下一定深度的影响很小，因此，分析时可认为基层底部边界为绝热，不考虑热传导；两侧边为重复对称边界，该边界热流率为零；上表面为对流换热边界，其中，对流换热系数与环境温度、路面温度以及风速等因素有关；发热格栅层加载的热载荷为生热率，发热线处加载的生热率可以由碳纤维格栅线功率及其横截面面积计算得到.

2 抗凝冰沥青路面热量传递模型分析

2.1 碳纤维导电沥青混凝土抗凝冰路面模型

导电碳纤维沥青混凝土的输入功率分别取200，300，400，500，600W／m2.假定环境温度为－8℃，风速为0，上表面对流传热系数为10W／（m2·℃），各层初始温度（至上而下）－8，1，1，1，1，1 ℃，分别采用瞬态热分析，计算时间为18 000s，时间步长为60s.图3得出碳纤维导电沥青混凝土抗凝冰路面结构表面中心位置温度历程.

图3 碳纤维导电沥青混凝土抗凝冰路面通电发热升温模拟曲线

2.2 碳纤维－玻纤格栅抗凝冰沥青路面模型

碳纤维－玻纤格栅的输入功率分别取200，300，400，500，600W／m2，其他条件同前.图4得出碳纤维－玻纤格栅抗凝冰沥青路面结构表面中心位置温度历程.

图4 碳纤维－玻纤格栅抗凝冰沥青路面通电发热升温模拟曲线

图3及图4表明提高输入功率，可以使路面获得较快的升温速率和较高的升温幅度，但是碳纤维－玻纤格栅抗凝冰沥青路面升温更快，升温幅度更大.

2.3 计算模型与试验实测结果比较

在室内实体模型试验中，格栅铺设在路表面下5cm时，将试件提前放入试验箱中，保证试样的温度和空气温度相同.抗冰冻路面模拟试验箱进行实验时环境温度为－6.3～－6.6℃，设定的功率为300和400W.根据试验实测结果确定最终的模型材料参数.通电发热单位面积内功率为300W／m2，路面升温情况见图5；为400W／m2路面升温情况见图6.

图5 功率300W／m2路面升温情况

图6 功率400W／m2路面升温情况

在室内试验时，凝冰试验箱内为了保持在设定的温度条件，一直有较大的强风，使“路面”表面热对流损失远大于仿真分析条件下的热量损失.为了使仿真分析与室内试验结果具有可比较性，可以比较室内试验模型“路面”表面以下1cm处点的温度变化与仿真分析中“路面”表面的温度变化.

对比图4与图5、图6，同样的环境温度下（约－7℃），输入功率300W／m2时，仿真分析表明，“路面”表面温度升高到0℃需要花费约1h，如图4；输入功率400W／m2时，仿真分析表明，“路面”表面温度升高到0℃需要花费约40min，如图4.室内试验中，输入功率300W／m2时，“路面”以下1cm处温度升高到0℃需要花费约40min，输入功率400W／m2时，“路面”以下1cm处温度升高到0℃需要花费约30min.仿真分析与室内试验结果之间存在一定的差异.造成这种差异的结果应该是由于边界条件的差异，比如室内试验实体模型尺寸较小，热量散失相对较大，发热层下结构不同等等，抛开这些因素，这样的结果差异应该是可以接受的，可以认为有限元分析模型基本可以代替同等条件下的实际结构来进行仿真分析.

3 两种抗凝冰路面发热性能分析比较

为比较碳纤维沥青混凝土与碳纤维格栅沥青混凝土导电及发热性能，取输入功率为400W／m2进行比较.路面表面升温曲线见图7，从图中可以看出，相同的输入功率下及相同的环境温度条件下，格栅路面升温速度明显高于碳纤维混凝土路面，格栅路面升温幅度也明显高于碳纤维混凝土路面.

图7 功率400W／m2路面升温曲线

图8为碳纤维沥青混凝土抗凝冰路面通电升温2h后的道路各结构层吸收的热量比较图，其中中面层为碳纤维沥青混凝土层，热量损失为路面表面对流消耗的热量.由图8可见，发热层本身（碳纤维沥青混凝土层）吸收了相当一部分热量.图9为碳纤维－玻纤格栅混凝土抗凝冰路面通电升温2h后的路面各结构层吸收热量比较图.从图9中可以看出，发热层本身吸收的热量很少，可以有更多的热量供上面层（路面表面）升温，并且热量损失所占比例较小.显然，碳纤维－玻纤格栅混凝土抗凝冰路面中的电热能被更好地利用，经济性较高，而且路面上面层吸收热量更快，升温更快，抗凝冰效果也更好.

图8 碳纤维沥青混凝土抗凝冰路面升温时各层热量图

图9 碳纤维－玻纤格栅抗凝冰沥青路面升温时各层热量图

另外，由图8和9可见，在通电发热的过程中，碳纤维沥青混凝土发热路面产生的热量有超过60%的热量被上面层以外的道路结构层吸收或损失，碳纤维－玻纤格栅产生的热量也有超过50%的热量被上面层以外的道路结构层吸收，因此，值得研究如何降低额外的热量损失.

4 结 论

1）针对2种抗凝冰路面建立了有限元模型，并重点就碳纤维－玻纤格栅抗凝冰沥青路面做了有限元模型分析与室内试验结果比较，比较结果表明所建立的有限元模型结果基本可以反映抗凝冰路面结构的升温效果.

2）碳纤维沥青混凝土抗凝冰路面与碳纤维－玻纤格栅沥青混凝土抗凝冰路面发热性能分析比较结果表明，后者的路面升温更快，电热利用效率更高，另外考虑到施工便利性等原因，后者更适合用于抗凝冰路面.

3）碳纤维沥青混凝土抗凝冰路面与碳纤维－玻纤格栅沥青混凝土抗凝冰路面发热性能分析比较结果也表明，至少有50%的热量被浪费掉了，因此，值得研究如何提高热量利用效率.

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