公路桥梁超薄导电磨耗层除冰系统试验研究

骆宏勋，李　晟，章照宏，袁铜森，郑　辉，张登春，李孔清

(1.湖南省永吉高速公路建设开发有限公司，湖南 古丈　416000；2.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙　410008；3.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙　410015；4.湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭　411201)



公路桥梁超薄导电磨耗层除冰系统试验研究

骆宏勋1，李晟1，章照宏2，袁铜森3，郑辉3，张登春4，李孔清4

(1.湖南省永吉高速公路建设开发有限公司，湖南 古丈416000；2.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙410008；3.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙410015；4.湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭411201)

利用超薄导电磨耗层对路面进行融雪化冰是一种有效的道路抗冰技术。制作了600 mm×600 mm×380 mm的桥梁试件，通过低温人工环境室对超薄导电磨耗层除冰过程进行了模型试验。结果表明：采用超薄导电磨耗层除冰，电阻越小，磨耗层表面加热时温度分布越均匀，3 Ω的磨耗层比5 Ω的磨耗层除冰效果要好；当试件上表面风速为8.0 m/s、环境室温度为-4.1 ℃融冰时，磨耗层的融冰功率需要370 W/m2。当磨耗层的发热功率为334 W/m2时，对上表面风速为8.0 m/s、环境室温度为-3.7 ℃的工况勉强能防结冰。

；桥梁路面；超薄导电磨耗层；防冻融冰；模型试验

随着高速公路和桥梁建设的快速发展，高速公路网及其桥梁在国民经济和社会生活中的作用越来越重要，但是冬季道路和桥梁结冰或积雪是影响高速公路交通安全，造成高速公路交通事故的一个重要因素[1，2]。根据世界主要大中城市调查结果，因道路结冰造成的交通事故占冬季交通事故总量的35%以上[3]。多年来各国的道路交通部门对道路的防冰融冰问题开展了大量的研究工作，这些研究主要针对发热电缆加热路面的除冰过程[4-8]，国内主要研究了发热电缆对路面融雪化冰的影响[9-14]，而对超薄导电磨耗层除冰系统研究很少。袁玉卿[15]研究了导电沥青混凝土发热的影响因素，分析了电压和纤维质量分数对试块发热升温的影响，并进行真雪的融化试验。本文以赤石大桥为工程依托，首次针对公路桥梁超薄导电磨耗层融冰系统进行模型试验，研究低温环境下不同电阻的磨耗层除冰过程，研究结果为超薄导电磨耗层除冰系统的实际工程应用提供参考。

1　试验模型及测试装置介绍

桥梁试件依照赤石大桥的桥面结构制作，试件大小为600 mm×600 mm×380 mm，上层为沥青铺装层100 mm(40 mm SMA-13细粒式改性沥青+60 mm AC-20(C)中粒式沥青硂)。超薄导电磨耗层直接刷在SMA-13面层，由隔热粘结层、导电发热层、抗滑磨耗层三层组成的薄层复合结构，以导电环氧树脂作为粘结料，具有导电、抗滑功能的磨耗层厚度5～10 mm，以36 V安全电压作为电源对磨耗层进行通电加热。沥青层的下面为280 mm(C55混凝土)桥面体，试件测点布置如图1所示。试件共布置5层测温热电偶，试件上表面布置101到106这6个测点，中面层上表面布置107到109共3个测点，混凝土上表面布置112到117这6个测点，混凝土中间层布置205到210这6个测点，试件下表面布置201到204共4个测点。图2为2 mm厚的底层隔热层，起粘结和隔热作用；图3为5 mm厚的中层导电层，起导电和发热作用；图4为面层磨耗层，起抗滑和保护作用。

图1　桥梁试件超薄导电磨耗层除冰系统热电偶布置

实验测试装置如图5所示，对试件四周侧面包裹泡沫材料进行保温，试件上表面放置一层薄膜，在薄膜上放入2～3 mm厚的水，工业落地扇调一、二、三档风，其对应的上表面风速分别为3.0 m/s、5.5 m/s和8.0 m/s，用于模拟不同的桥面风速。人工环境室的温度和湿度通过邻室的3台制冷机进行控制。2个试件的超薄导电磨耗层电阻分别为5 Ω和3 Ω，通过调压器调节导电磨耗层的电压以控制其功率。实验得出普通SMA-13试块的导热系数均值为1.463 W/(m·K)。温度测量通过将试件内部布置的K型热电偶接到Agilent34972A数据采集器，通过网线传输到个人电脑将数据输出。

图2　超薄导电磨耗层底层隔热层

图3　超薄导电磨耗层中层导电层

图4　超薄导电磨耗层面层磨耗层

图5　超薄导电磨耗层除冰实验照片

2　超薄导电磨耗层除冰实验

2.1试验工况

本试验对电阻分别为5 Ω和3 Ω的2个试件进行除冰实验，每个试件测试4个工况，其试验工况如表1所示。

表1 实验测试工况工况磨耗层电阻/Ω试件上表面风速/(m·s-1)磨耗层发热功率/(W·m-2)环境室温度/℃融冰过程室内温湿度平均值温度/℃湿度/%12345.00.5320-11.4～-4.5-7.366.63.0320-10.0～-5.0-6.663.25.5436-5.5～-1.4-3.865.38.0436-5.8～-2.4-4.462.856783.00.5334-8.5～-7.2-7.864.83.0334-6.8～-3.0-4.966.45.5334-6.9～-1.0-3.566.78.0370-6.2～-2.0-4.166.4

下面以工况4为例，描述试件的结冰及融冰过程。

2.2工况4结冰过程

由图6可知，启动制冷机前，试件上表面温度为3.5 ℃，启动制冷机对人工环境室进行降温，同时将工业落地扇调到8.0 m/s的风速，试件温度不断下降。当试件上表面温度降低到-1.7 ℃时，试件上表面已经完全结冰，冰层平均厚度2 mm。工况4试件上表面温度由3.5 ℃下降到-1.7 ℃需要55 min，结冰速率为5.6 ℃/h。

图6　工况4试件上表面结冰过程

2.3工况4融冰过程

当试件上表面温度降低到-1.7 ℃时，开启导电磨耗层电源对试件进行加热。在低温环境下加热试件过程中，试件内部温度发生一定的变化。当试件上表面温度达到4.5 ℃时，薄膜上的冰层全部融化，此时关闭导电磨耗层电源，完成除冰试验。

由图7可知，用超薄导电磨耗层加热试件时，试件上表面温度由-1.7 ℃上升到4.5 ℃需要121 min(2.02 h)，温升速率为3.1 ℃/h。融冰时，前10 min试件上表面温度上升较快，接近呈线性变化；10 min以后试件上表面温度上升缓慢，由于试件本身不平整，试件上表面各测点的温度差别较大。由图8可知，加热过程中沥青中面层上表面不断上升，由刚开启时的1.2 ℃上升到3.5 ℃，温度变化率为1.2 ℃/h。说明用超薄导电磨耗层加热路面除冰时，对沥青中面层有一定的影响，温度有一定程度的上升，但由于隔热粘结层的隔热作用，沥青中面层的温升速率比路面的温升速率要少得多。由图9可知，融冰时混凝土上表面温度从0.5 ℃增加到0.7 ℃，温度变化率为0.1 ℃/h，温度基本上维持不变。说明在超薄导电磨耗层除冰过程中，磨耗层加热对混凝土层温度影响较小，隔热粘结层的隔热材料起到了较好的隔热效果。

图7　工况4融冰时试件上表面温度变化

图8　工况4融冰时沥青中面层上表面温度变化

图9　工况4融冰时混凝土上表面温度变化

3　不同工况下超薄导电磨耗层除冰和防结冰实验结果分析

分别对磨耗层电阻为5 Ω和3 Ω的2个试件8个工况进行除冰试验，每种工况的试验结果如表2所示，磨耗层电阻为3 Ω的防结冰试验结果如表3所示。

由表2可知，磨耗层电阻较大时(工况1～工况4均为5 Ω)，磨耗层表面最高温度较高，且表面温度分布不均匀，消耗的功率较大；磨耗层电阻较小时(工况5～工况8均为3 Ω)，磨耗层表面最高温度较低，且表面温度分布均匀，消耗的功率较小，除冰效果较好。环境室温度越低、风速越大，融冰时磨耗层消耗的功率越大。

工况1对应的是环境室微风速，除冰时间为126 min，试件上表面温度变化率较大，为4.19 ℃/h，磨耗层功率为320 W/m2能达到除冰要求；工况2的功率为320 W/m2，融冰时间为186 min，此工况下较大部分冰未融化，磨耗层提供的功率不够；工况3的功率为436 W/m2，融冰时间为171 min，此工况下大部分冰都已经融化，提供的功率达到要求；工况4融冰时间为121 min，此工况下大部分冰都已经融化，磨耗层提供的功率亦能达到要求。

表2 不同工况下除冰实验测试结果对比工况融冰时间/min磨耗层最高温度/℃试件上表面温度/℃融冰前融冰后融冰前后试件上表面温度变化率/(℃·h-1)沥青中面层表面温度/℃混凝土上面层温度/℃融冰前融冰后融冰前融冰后112612.0-4.04.84.19-0.23.01.51.621865.4-0.82.20.971.02.41.10.4317110.6-1.94.62.28-0.63.6-0.70.7412110.7-1.74.53.051.23.50.50.75844.9-1.42.93.062.86.32.01.861604.3-0.63.11.394.98.55.04.072054.2-0.63.31.115.79.09.05.881704.9-0.92.81.322.07.11.72.3

工况5～工况7的功率均为334 W/m2，工况5由于是微风速，除冰时间较短，为84 min，且试件上表面温度变化率较大，为3.06 ℃/h；在相同的功率条件下，在环境室温度相近的情况下，随着风速的增大，除冰时间越长，试件上表面温度变化率越小，工况7比工况6除冰时间要长45 min；工况8的功率为370 W/m2，除冰时间为170 min，磨耗层提供的功率基本能达到要求。

表3 磨耗层电阻为3Ω的防结冰试验结果试件上表面风速/(m·s-1)磨耗层发热功率/(W·m-2)环境室温度/℃加热时间/min加热过程内室温湿度平均值温度/℃湿度/%磨耗层面最高温度/℃试件上表面平均温度/℃加热前加热后试件上表面平均温度的变化率/(℃·h-1)0.5268-6.0～-5.085-5.659.67.52.54.81.613.0334-7.4～-4.5105-5.460.14.81.92.10.145.5334-6.0～-2.773-4.165.56.12.23.20.888.0334-5.0～5.4130-3.761.55.83.02.7-0.12

由表3可知，电阻为3Ω的超薄导电磨耗层在发热功率为268 W/m2时，对试件上表面风速为0.5 m/s、环境室温度为-5.6 ℃的工况能防结冰。磨耗层发热功率为334 W/m2时，对试件上表面风速为5.5 m/s、环境室温度为-4.1 ℃的工况能防结冰；对试件上表面风速为8.0 m/s、环境室温度为-3.7 ℃的工况勉强能防结冰，如果环境室温度继续降低，试件上表面会结冰。

4　结论

通过超薄导电磨耗层在低温人工环境室内的除冰试验，研究了公路桥梁试件在磨耗层电阻为5 Ω和3 Ω下的结冰和融冰过程，得出如下结论：

1) 采用超薄导电磨耗层除冰，磨耗层加热对混凝土层温度影响较小，隔热粘结层的隔热材料起到了较好的隔热效果。磨耗层电阻越小，磨耗层表面加热时温度分布越均匀，3 Ω的磨耗层比5 Ω的磨耗层除冰效果要好。

2) 采用3 Ω的超薄导电磨耗层融冰时，对于试件上表面风速为8.0 m/s、环境室温度为-4.1 ℃的工况，磨耗层的融冰功率需要370 W/m2。

3) 采用3 Ω的超薄导电磨耗层防结冰时，当磨耗层的发热功率为334 W/m2时，对试件上表面风速为8.0 m/s、环境室温度为-3.7 ℃的工况勉强能防结冰。风速增大或环境温度降低，则需要增大导电磨耗层的防结冰功率。

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2016-07-29

湖南省交通运输厅科技进步与创新项目(201413);湖南省自然科学基金项目(2016JJ2054)

骆宏勋(1978-)，男，硕士，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理。

；1008-844X(2016)03-0085-04

；U 443.33

；A