桥面嵌入式导电沥青混凝土铺装热效应分析

高秋生

(黑龙江建筑职业技术学院 市政工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150025)

桥梁作为交通基础设施的咽喉工程，发挥着至关重要的作用，而在季节性冰冻地区，桥梁大部分是完全裸露在空气中，冬季最容易被冻结，桥面积雪结冰对桥梁通行能力和交通安全提出了严峻的考验，尤其是在桥梁的引桥与匝道处，轻则降低桥梁的运输能力，重则导致恶性交通事故的发生，造成惨重的人身伤害、巨大的经济财产损失和不利的社会舆论影响，正因为积雪结冰的危害严重，要确保车辆行驶安全畅通，世界各国都开展了大量融雪化冰技术的研究。

目前，道路与桥梁采用主要的融雪化冰方法是化学融化法和机械清除法。化学融化法是利用融雪剂降低冰点，从而使冰雪融化，但是融雪剂对桥梁结构腐蚀性大，导致钢筋诱蚀、桥面剥蚀破坏，致使桥梁运营时养护维修经费增多，大幅减少桥梁的生命周期，同时也带来了周边环境和水资源的污染，而环保融雪剂的价格昂贵难以推广；机械清除法除雪不彻底，机械设备使用效益低。为了达到技术先进、绿色环保、节能高效，又不会对桥梁结构造成影响，选择哪种融雪化冰方案至关重要，也成为我国交通管理部门急需解决的问题之一。通过对具有电学性能的混凝土电阻加热，使导电混凝土快速升温到0℃以上，从而达到及时有效地融雪化冰的目的，在道路安全和畅通方面有十分重要的意义。1999年，美国的Sherif Yehia和Christopher在美国内布拉斯加州林肯市的洛加马刺桥铺装了导电混凝土大板，用电热可让该桥在冬天的路面维持在10℃左右，在整个大雪纷飞的寒冬都不会受积雪影响，这是国外在热力融雪化冰方面，最早开展的关于桥梁路面实际工程的研究。在此领域，我国的科研人员还处在初步探索时期，应用到实际工程项目中鲜有报道。所以，我们对最新研究案例和取得的成果进行分析探讨，为防治桥梁冰冻灾害提供帮助。

国内外很多专家学者致力于研究最经济、最有效、最环保的桥面除雪化冰方法，认为导电混凝土具备解决这方面难题的潜力，针对现代交通运输的特点：交通量繁重、车辆荷载大以及人们日益对行车舒适度需求的提高，水泥混凝土桥面铺装已经不能与之相适应，逐渐由沥青混凝土桥面铺装所替代。基于以上因素，导电沥青混凝土能较好地解决此问题，该技术在充分发挥桥梁融雪化冰效率的前提下，既节约造价，又保护环境，同时能够适应现在交通发展的趋势。

1　导电沥青混凝土融雪化冰原理

在普通沥青混凝土中掺入适当类型和适宜掺量的导电相材料，满足沥青混凝土路用性能的同时，使其转变为具有良好导电性能的新型筑路材料，利用自身存在的电阻，对导电沥青混凝土施加一个安全电压，将电能转化为热能，沥青混凝土达到融解桥面冰雪的温度。然而，常见的导电沥青混凝土是单层的，温度升高后散热快，热量损失较大，为了减少热量散失，提高热效率，达到融化冰雪的目的，我们利用普通混凝土的导热性能较弱，而导电沥青混凝土的导热性能较强且具有良好粘结性能的特点，将多相耦合作用的导电沥青混凝土嵌入槽形的普通混凝土中，并在与桥面板之间设置一层隔热层，以防止产生的热量向外扩散。这样，可以充分发挥普通混凝土的保温功能，大幅提高了融雪化冰的效率，通电后导电沥青混凝土温度升高，产生的热量能更加有效地融化冰雪，并大大降低了能量损耗。同时，普通混凝土起到保护层的作用，可以防止导电钢筋裸露进而被腐蚀，以及导电时产生其它杂散电流的干扰。

2　制备导电沥青混凝土

2.1　材料的要求

1)沥青在混凝土中起胶结作用，为混合料提供弹性和粘性，沥青混合料要想具有良好的粘结强度，需要有足够的沥青包裹才能实现。沥青的导电性能较差，由于导电粒子间沥青膜的阻碍，导电相材料难以形成闭合的导电通路，要想改善混凝土的导电性能，必须掺入大量的导电相材料来改善其电学性能。因而，在如何确定沥青合理用量的问题上，需要满足两个条件，沥青混凝土的体积性能指标符合技术要求，同时具有良好的电学性能，对沥青混凝土的路用性能起到至关重要的作用。

2)导电相材料的选择和掺入量的控制是制备导电沥青混凝土的关键指标，普通沥青混凝土是良好的绝缘体，其电阻率可以达到1011Ω·m以上，而对于导电沥青混凝土，其电阻率至少要在100 Ω·m以下，才能在工程中起到融雪化冰的效果。在材料的选择上，石墨的层内电导率较高为104S/cm，层间电导率为10 S/cm呈现半导体特性，因此可作为理想的导电填料。运用渗滤理论来解释沥青混凝土由绝缘体转变为导电体这一过程，随着导电相材料掺量的增加，导电粒子接触概率逐渐增大，当达到渗滤阈值后电阻率就会发生突变，形成了体系内的导电通路网络。但是，随着石墨掺入量的增多会导致沥青混凝土力学性能降低，使导电沥青混凝土的路用性能受到影响，而纤维类导电材料被证实在沥青混凝土中的渗滤阈值较低，经过试验即使很少量的碳纤维就可以显著改善导电粉末填充沥青混凝土的导电性能。因此，在选择导电相材料时应在考虑导电性能的基础上，基于多相耦合，既要达到渗滤阈值，保证构建起导电通路，又要对掺入量进行严格控制，确保沥青混凝土的力学性能不受影响。

3)集料作为主要原材料支撑沥青混凝土骨架结构，其物理性能、几何特性、岩相、化学成分都会对沥青混凝土的性能起到至关重要的作用，而优选出适合导电沥青混凝土的集料是铺筑导电沥青混凝土桥面的重要步骤之一。

4)矿粉掺加到沥青混凝土中起到填充作用，使沥青混凝土的空隙减小。矿粉和沥青两者共同形成胶浆，提高了沥青混凝土的强度和稳定性。据此，我们按体积比掺入18%的石墨粉、4% 的碳纤维制作导电沥青混凝土试样。

2.2　试样的制作

首先把搅拌器加热到180℃，然后倒入预热至170℃的集料，接着将沥青熔融至160℃后倒入，搅拌90s；最后将碳纤维、石墨和矿粉拌和好加入其中，经过90s的搅拌，关闭电源待搅拌机停止转动后出料；放进车辙试样成型机中，同时预埋电极，按单层导电沥青混凝土、嵌入式导电沥青混凝土两种工况分别成型，最终形成复合多相导电沥青混凝土试样如图1、图2所示。

图1　单层导电沥青混凝土试样

图2　嵌入式导电沥青混凝土试样

3　导电沥青混凝土测温实验

3.1　实验环境及测点分布

保持环境温度恒定，在湿润条件下，由于导电沥青混凝土内部碳纤维周围水汽的导电性和冷凝迁移，与干燥状态相比，导电沥青混凝土的导电传热能力进一步提高，试样表面快速升温，这种现象更加接近冰雪条件下的桥面实际情况。

通过对导电沥青混凝土表面各点温度的测试，发现其分布并不均匀，因而将表面划分成若干区域，并按照顺时针方向进行编号，对各个区域内的控制点温度上升情况分析研究如图3所示。

图3　测点分布(单位：mm)

3.2　通电测温

3.2.1实验过程

利用试样中预埋的电极，施加电压让电流经过试样产生热量，将电能转化为热能。通过红外线测温装置，分别对两种导电沥青混凝土试样表面标定的测点，进行间断式测温，将所测得的温度数据做好记录，对比分析各试样的导热和散热特性。

3.2.2实验数据

以60 s为时间间隔，记录下每一个时间段的温度变化，经过90 min的充电后断电，观察两种导电沥青混凝土试样导热和散热的过程，测得湿润状态下的温度变化值，绘制成温度曲线，如图4、图5 所示。

图4　单层导电沥青混凝土试样温度曲线

图5　嵌入式导电沥青混凝土试样温度曲线

4　测温实验结果分析

1)根据导电沥青混凝土温度曲线图4、图5可知，在湿润环境下，90 min的充电时间内，单层导电沥青混凝土试样和嵌入式导电沥青混凝土试样，单位时间内表面温度平均上升8.10 ℃/h和12.64 ℃/h，在断电后的30 min内，单位时间内表面温度平均下降7.27 ℃/h和4.84 ℃/h。

2)通过图4、图5数据表明，导电沥青混凝土具有较强的导热性能，与单层导电沥青混凝土相比，嵌入式导电沥青混凝土的热效应显著提高，主要发挥了普通混凝土热传递性能弱的特点，体现在两个方面：一方面对导电沥青混凝土起到保温作用；另一方面能有效地隔绝空气防止热量扩散。因此，在通电条件下融雪化冰能力大为加强。

5　结　论

桥面嵌入式导电沥青混凝土铺装，既能发挥在沥青混凝土路面上行车舒适、平稳、噪声低、抗滑性好的特点，又可以实现桥面高效、及时融雪化冰，有力地保障道路畅通和行驶安全，减少道路拥堵和交通事故。其嵌入式结构，利用导电沥青混凝土良好的导电传热功能，发挥普通混凝土绝缘保温的特点，防止导电沥青混凝土通电发热时热量损失严重，使桥面融雪化冰效果显著提升。同时，还可以利用导电沥青混凝土的热效应，在冬季加热桥面，解决沥青混凝土桥面的低温开裂的现象。

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