含电热管沥青路面路用性能的试验研究★

曹巧芹　王仙华　刘宜庆

(1．台州市四方交通建设工程有限公司，浙江台州　318000;2．东南大学ITS中心，江苏南京　210096)



含电热管沥青路面路用性能的试验研究★

曹巧芹1王仙华1刘宜庆2*

(1．台州市四方交通建设工程有限公司，浙江台州318000;2．东南大学ITS中心，江苏南京210096)

摘要:通过一系列对比试验，研究了电热管对沥青路面路用性能的影响，分析了含电热管沥青路面结构的高温稳定性，低温抗裂性以及抗疲劳性能，试验结果表明，电热管的布设不会改变原有路面的路用性能，并对路面结构的高温稳定性、低温抗裂性以及抗疲劳性能均有所提高。

关键词:电热管，路用性能，沥青路面

1　概述

冬季路面结冰积雪给行车安全和道路畅通造成不利影响。冰雪大大降低了路面的附着系数，导致汽车打滑，制动距离显著延长，严重的会酿成交通事故。传统的清除结冰积雪的方法主要是采用人工作业，如在路面撒布融雪剂等，这种方法不仅浪费人力物力，还对路面和环境带来了污染［1，2］。

电热管融冰化雪是一种新型主动融冰化雪方式。电热管埋设在路面结构中，冰雪天气时电热管通电启动，产生的热量传至路面能够快速融化路面冰雪。该方法操作简单，热冲击小，且能保证低温融冰化雪。但由于路面结构中埋设了电热管，改变了原来的路面结构，这对路面结构的路用性能会产生影响。国内对这方面开展的研究比较少，武海琴等［3］对含发热电缆用于路面融冰化雪进行了实验研究，探讨了影响融雪效果的因素和铺装功率;冯新军等［4］通过试验分析了导电沥青混合料的导电性能和路用性能随碳纤维掺量的变化。陈炎等［5］通过有限元模拟研究了电热管在路面中的布设问题。

本文拟对含电热管沥青路面的路用性能进行试验研究，分析电热管对沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性及抗疲劳性能的影响，以期对电热管升温融冰化雪沥青路面结构设计提供指导。

2　路用性能试验

2．1高温稳定性

高温稳定性是路用性能一个重要的方面，评价沥青混合料高温性能的试验手段很多［3-5］。本文采用高温车辙试验的评价方法，以动稳定度为评价指标，评价不同温度和状态下含电热管的沥青升温层的高温稳定性。车辙试件如图1，图2所示。

图1　含电热管的试件

图2　车辙试验后的试件

本文采用单变量对比分析，试验方案如表1所示，试验结果如表2，图3所示。

表1　高温稳定性试验方案

表2　高温车辙试验结果　次/mm

图3　高温车辙试验结果

由试验结果可知，含电热管结构的沥青混合料的动稳定度均满足现行规范对于沥青混合料动稳定度不小于2 800次/mm的要求，表现出优良的高温性能。冻融循环过程在一定程度上影响了含电热管的沥青混合料的高温稳定性，经过3次冻融循环后，较之未进行冻融循环的试件，其动稳定度有将近15%的降低。在相同试验温度下，沥青升温层中布设电热管对沥青层结构高温稳定性产生一定的影响，具体反映在动稳定度上，且在荷载区域内影响范围最大，具体表现在正上方布置试件的动稳定度要高于侧向布置试件的动稳定度，较之不含电热管的试件，此时的动稳定度都相对较高，可知在路面结构中布设电热管对高温抗车辙能力有一定的提高作用。

2．2低温抗裂性

低温性能也是路用性能的一个重要方面。本文采用小梁三点弯曲试验，在UTM-25动态伺服液压材料试验机上进行，试验温度-10℃，加载速率为50 mm/min，并增加一组添加消石灰的小梁试件作为对照组。对小梁进行冻融循环处理，具体试验方案见表3。

表3　小梁三点弯曲试验方案

含电热管的沥青混合料小梁与对照组的三点弯曲试验结果如表4与图4，图5所示。

表4　小梁三点弯曲试验结果

图4　小梁试验抗弯拉强度

图5　小梁试验最大弯拉应变

由试验结果可知:沥青混合料的低温抗弯拉强度受冻融影响明显，长期冻融作用使得沥青混合料的低温抗弯拉强度减小。通过最后两组数据Ⅱ，Ⅳ可知，消石灰的加入增强了小梁试件的最大弯拉应变与抗冻融的能力。电热管在小梁结构中起到一定程度的低温抗裂性的作用，具体表现在抗弯拉应变、弯拉强度与不含电热管的小梁低温试验指标相比有不同程度的提高。

2．3抗疲劳性能

疲劳是道路中较为常见的一种损坏现象。本文采用小梁疲劳试验，电热管沿行车方向布置。先对小梁通电待其均温达到60℃，保持2 h，并在室温条件下冷却至常温15℃并保持2 h，此为一个温度循环。温度循环过程如图6，图7所示。循环次数为10次、30次、50次三组。并设置不含电热管的对比组。

将进行过温度循环后的小梁在疲劳试验机上进行疲劳试验(见图8)，采用控制应力模式，应力比为0．3，0．4，0．5，0．6，加载波形为正弦连续波，频率为10 Hz，试验机温度为15℃。

图6　室内通电加热小梁

图7　15℃环境中冷却小梁

图8　加载中的小梁疲劳试件

试件均在环境温控箱内养护4 h以上，保证试件内部与外部温度均达到试验要求温度。试验时记录小梁初始破坏和极限破坏时施加应力与疲劳寿命，方案如表5所示。

表5　结构小梁疲劳试验方案

对试件进行各荷载水平下的疲劳试验，可以得到各组试件在各应力比下，应力与疲劳寿命之间的关系，结果如图9所示。

图9　结构小梁疲劳试验结果

对各类小梁的疲劳寿命与应力水平在双对数坐标上按下列方程进行拟合:

其中，Nf为试件破坏时重复的荷载作用次数;σ为施加的常量应力最大幅值;n，K'均为试验回归系数。分别得出疲劳曲线如图10所示。由图9可知，各类小梁的疲劳寿命均随着应力比的增大显著减小。在各应力比条件下，第Ⅱ类小梁破坏时的疲劳次数均为最大，且同样的温度循环状态下，含电热管结构的小梁寿命要高于无电热管结构的小梁疲劳寿命。

由图10可知，应力与疲劳寿命间在双对数坐标上存在着线性关系，截距表示疲劳曲线位置的高低，K'值越小表示抗疲劳性能越差;斜率越大表示应力水平的变化对疲劳寿命影响越大。在应力控制加载方式下，截距随着电热管工作次数的增加而降低，疲劳寿命阻抗降低。而斜率增大，疲劳荷载增加到一定程度后，疲劳寿命急剧减小。

图10　小梁双对数疲劳曲线

3　结语

通过对埋设电热管的沥青混合料试件进行高温车辙试验、小梁三点弯曲试验与疲劳试验研究，检验了其路用性能。由试验结果可知电热管的布设不会改变原有路面路用性能，并对路面结构的高温稳定性、低温抗裂性以及抗疲劳性能均有所提高，具体体现在:1)沥青升温层中布设电热管对沥青层结构高温稳定性产生一定的影响，且在荷载区域内影响范围最大，较之不含电热管的试件，动稳定度相对较高，可知在路面结构中布设电热管对高温抗车辙能力有一定的提高作用。2)电热管在小梁结构中起到一定程度的低温抗裂性的作用，具体表现在抗弯拉应变、弯拉强度与不含电热管的小梁低温试验指标相比有不同程度的提高，说明含电热管的电热层结构在低温下具有较好的延展性。

参考文献:

［1］李福普，王志军．长效型主动融雪沥青混合料路用性能试验［J］．公路交通科技，2012，29(3):7-11．

［2］代琳琳，赵晓明．融雪剂的环境污染与控制对策［J］．安全与环境工程，2005，11(4):29-31．

［3］李炎锋，武海琴，王贯明，等．发热电缆用于路面融雪化冰的实验研究［J］．北京工业大学学报，2006，32(3):217-222．

［4］冯新军，查旭东，程景．PAN基碳纤维导电沥青混凝土的制备及性能［J］．中国公路学报，2012，25(2):27-32．

［5］陈炎，张南童，王华荣．基于控制变量法的融冰道路电热管布设模拟［J］．绿色科技，2013(4):306-309．

［6］Souse Jorge B，Deacon John A，WeissmanShmuel L，et al．Permanent Deformation Response of Asphalt Aggregate Mixes［R］．SHRP-A-415．Washington D．C:National Research Council，1994．

［7］徐世法．沥青混合料高温变形特性的实验研究［J］．力学与实践，1994，16(3):34-36．

［8］周进川．国产沥青高温性能的环道试验研究［J］．石油沥青，1997，11(1):13-18．

On test of asphalt pavement with electric heating tube performance★

Cao Qiaoqin1Wang Xianhua1Liu Yiqing2*
(1．Taizhou Sifang Communication Construction Engineering Co．，Ltd，Taizhou 318000，China; 2．ITS Center of Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:In order to study the effects of electric heating tube on road performance of asphalt pavement，a series of contrast experiments have been done to analyze the high temperature stability，low temperature cracking resistance and fatigue resistance．The experiments show that the electric heating tubes embedded in the pavement haven’t changed the original road performance．Conversely，it performs better in high temperature stability，low temperature cracking resistance and fatigue resistance．

Key words:electric heating tube，road performance，asphalt pavement

通讯作者:刘宜庆(1991-)，男，在读硕士

作者简介:曹巧芹(1977-)，女，工程师;王仙华(1964-)，男，工程师

收稿日期:2015-10-21★:电加热管在道路主动防御冰雪灾害中的应用研究(项目编号:2012H33)

文章编号:1009-6825(2016)01-0147-03

中图分类号:U416．217

文献标识码:A