空心陶瓷微珠隔热层对碳纤维电缆融雪路面升温速率影响研究

赵亚军，刘 阳，赵锐军，彭月明，李彦苍

(1.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北工程大学 力学实验教学示范中心，河北 邯郸 056038；3.张家口通泰高速公路投资股份有限公司，河北 张家口 075099；4.河北省建筑科学研究院，河北 石家庄 050021)

冬季道路积雪结冰，严重影响道路交通安全。25%～30%的交通事故是由寒冷的冬季路面结冰造成的，干燥的沥青路面附着系数为0.6，路面有积雪时，附着系数为0.2，路面结冰时，附着系数为0.15，路面积雪、结冰时附着系数分别为干燥沥青路面的1/3和1/4[1]。目前，国内外融雪除冰方法主要有人工清除、机械清除、化学融化、热融化四大类[2]。而近年来，热融化除冰方法凭借其环保特点，得到快速发展，这种方法主要分为3类：电加热法、流体加热法、地热管法[3-6]。其中碳纤维发热电缆属于电加热法中一种典型方法，其热转化率高，对道路结构受力影响小，环保、节能、易于施工、安全可靠[4]。众多学者对碳纤维电缆路面融雪的研究，主要集中于电缆埋深、间距、能耗与温度分布之间的关系[7]。陈绍辉等[8]对碳纤维电缆间距、埋深进行室内试验，通过数值模拟，对路面结构热物性参数进行分析。李荣清等[9]研究了间距、功率对融雪效果的影响。袁玉卿等[10]得出电缆布设形式、环境温度、积雪温度、通电时间与功率都会影响融雪效果。张楚杰等[11]利用数值模拟方法，研究了间距与埋深对路面温度均匀性影响。为提高升温速率和融雪效果，单纯地减小电缆间距、埋深或增大电缆功率并不能有效解决现实问题，减小电缆间距不利于节能，埋深太浅可能会造成路面结构的损伤，增加功率会使成本大幅增加。而保温隔热材料在工程中普遍应用，且造价成本较低，增加保温层能够有效提高升温速率和融雪效果，对结构的保温节能起着重要作用。因此，研究保温隔热层对融雪路面升温速率的影响意义重大。

本文选用含有陶瓷微珠的隔热材料作为隔热层，结合碳纤维电缆传热原理与路面结构特点，进行升温试验与数值分析，研究空心陶瓷微珠隔热层对碳纤维电缆融雪效果的影响。同时在实际道路中进行性能测试，对路面融雪除冰设计提供理论与技术支持。

1 室内升温试验

1.1 试验准备

试验中所使用的碳纤维电缆直径为5.2 mm，输入功率为35 W/m，外包材料为聚四氟乙烯+聚氯乙烯+聚乙烯。隔热层由空心陶瓷微珠、无机硅酸盐溶液、硅酸铝纤维和热反射物质组成，可承受2 000 ℃高温，具有隔热保温、防水阻燃、附着力强、施工方便、使用寿命长等特点。试件材料参数如表1。

表1 试件结构主要特性参数

共制作内置碳纤维电缆沥青混凝土试件6个，尺寸为300 mm×300 mm×100 mm。碳纤维发热电缆铺设在上下面层之间，埋设深度为50 mm，内置碳纤维电缆试件设计参数如表2所示，试件制作过程如图1所示。

图1 内置碳纤维发热电缆试件制作过程Fig.1 The fabrication process of the embedded carbon fiber heating cable specimen

表2 内置碳纤维发热电缆试件设计参数

1.2 试验结果分析

为统一初始温度，将待试验试件放入低温恒定试验箱内进行降温，降为设定温度-20 ℃后，开始在试验箱内进行升温试验，经过6 h升温试验，得到各试件的升温曲线，如图2所示。

图2 升温试验曲线图Fig.2 Temperature curve of specimen

在升温试验中，升温速率从升温曲线中表现为0 ℃之前增长较快，0 ℃之后逐渐趋于平缓，整体表现为非线性增长的趋势。在6 h时，T2、T3表面温度增幅分别为28.4 ℃、23.4 ℃，T2较T3升温速率提高了0.83 ℃/h，先于T3到达0 ℃近3 h。由此可以得出，试件的升温速率、最终表面温度与电缆布置间距有一定关系，间距越小，升温速率、最终表面温度增幅越大。

在同间距条件下，增设隔热层的试件，均在2 h左右达到0 ℃。T4、T5、T6最终表面平均温度分别为9.2 ℃、11 ℃、12 ℃，比T3温度分别高出5.7 ℃、7.5 ℃、8.5 ℃，整体升温速率平均提高0.95～1.42 ℃/h。由图2可以看出，T2的升温曲线与T4、T5、T6较为接近，虽在1 h内T2的升温速率较高，但随着时间的推移，在2.5 h左右，后三者的温度均要高于T2，且最终温度也均要高于T2。可以看出，增设隔热层要优于减小电缆间距，但由于设置2.22 kg/m2隔热层时，隔热效果已经接近最佳，T4、T5、T6之间的最终表面温度相差较小。

在本试验中，增设隔热层试件整体表现为良好的保温隔热性能，能够同减小50%间距情况，达到基本一致的升温效果。与此同时，空心陶瓷微珠隔热层的材料成本价格在1.2元/m2左右，电缆铺设间距为100 mm的成本价格为120元/m2。若为提高升温速率，缩短电缆间距，则会导致成本翻倍，而使用空心微珠隔热层，每平米成本仅增加1～1.4元便可达到同等效果，增设隔热层较减小电缆间距节约成本约88.3%～91.7%。

2 试验路段升温试验

为分析升温性能，铺设试验路段，碳纤维加热电缆铺设埋深为30 mm，铺设间距200 mm。图3为施工过程，在下面层施工结束后，首先对路面除灰清理，确保各层有效粘结，之后滚涂隔热层3遍。将固定于钢丝网上的碳纤维电缆铺设固定后，喷洒乳化沥青，以增强上下面层的粘结。为避免摊铺机履带压断电缆，首先人工铺洒少量沥青混合料，以刚好埋住电缆为宜，来分担履带压力，然后正常摊铺碾压。

图3 试验路段施工工序Fig.3 Construction process of test section

图4为融雪前后的红外热成像图，路面平均温度为-5.2 ℃，电缆工作2 h后，铺设电缆位置温度达到1.8 ℃，积雪全部融化，融雪效果显著，验证了增设空心陶瓷微珠隔热层的碳纤维电缆融雪路面的有效性。

图4 试验路段融雪效果Fig.4 Snowmelt effect of test section

3 隔热层隔热机理分析

空心陶瓷微珠能很好地降低涂料的导热系数，反射和隔绝了热量的传递，决定了隔热层良好的保温绝热性能，图5为空心陶瓷微珠隔热层隔热机理示意图。在升温试验中，由空心陶瓷微珠及其他物质组成的保温隔热层，会形成一个热量反射层，电缆通电时，阻隔大量的热量向基层传播，只有少部分热量会穿透或流失。在试验初期时，由于电缆温度较低，升温速率较无保温层的提升不明显，在电缆达到额定工作温度后，中心温度趋于恒定，升温速率较无保温层的有明显提升。

图5 空心陶瓷微珠隔热层隔热机理示意图Fig.5 Schematic diagram of insulation mechanism of hollow ceramic microsphere insulation layer

微珠球内外壁面的辐射反射率很高，可以起到对红外热辐射进行吸收、散射的作用。同时由于空心结构的存在，使得部分热辐射波进入空心陶瓷微珠内部后，在球体内部反复折射、干涉，特殊情况下产生谐振损耗[12]。当一均匀的平面纵波或横波遇到单个球形空心陶瓷微珠后，首先经过较薄的球壁折射并损耗一小部分入射波，再从球壁折射出在空心内部多次折射与反射，相互之间干涉抵消，此外，球壁中具有的吸波相组成也会吸收部分热辐射波[13]。

通过涂层反射层对热辐射的反射作用，及静止空气层对辐射和对流传热的有效抑制，使绝大部分的辐射热能被反射阻隔，有效提升高温条件下涂层的总热阻[14]，从而增大隔热层两表面的温度差和传热热阻，降低导热系数，有效抑制热传导和热辐射向下层传播，提高路面的升温速率。

4 热通量与温度场数值分析

4.1 模型建立

为分析对比隔热层对热流传递过程的影响，采用试验路段实际结构参数，如表3所示，同时结合试验路段结构分层[15]，如图6所示，利用ABAQUS数值模拟软件，建立碳纤维融雪路面数值模型，如图7所示。选用八节点传热六面体单元DC3D8为路面单元类型，设置瞬态热传递分析步，将热传导边界条件、对流换热、辐射等设置为加载条件，在预定义场中设定路面整体初始温度为-5 ℃，通过设定膜层散热系数来定义表面热交换条件，其中路表面为23.2 W/(m2·℃)，电缆为60 W/(m2·℃)，保温层为18 W/(m2·℃)，模拟试验环境为降雪环境，环境温度为-5 ℃，风速为3 m/s，铺装功率为300 W/m2。

表3 试验路段结构特性参数

图6 试验路段结构示意图Fig.6 Schematic diagram of test section structure

图7 有限元模型示意图Fig.7 Schematic diagram of finite element model

4.2 热通量分析

通过数值计算，得到了增设保温层和无保温层的动态升温过程，热通量的变化反应了热传递的方向与大小，如图8所示。

图8 热通量矢量云图Fig.8 Heat flux vector nephogram

无保温层试件的热量主要集中在电缆层和结构下部，且热流密度不均匀，热流向下传递趋势大，热量损失较多，路面升温效果不理想。有保温层试件的热传导方向主要集中在结构上部，热量损失较少，且温度分布较为均匀，表面温度高于无保温层试件。

4.3 温度场分析

数值模拟结果如图9所示，无保温隔热层的融雪路面温度场，平均表面温度仅为-2.48 ℃，试验路段的融雪路面温度场，如图9(b)所示，表面温度2.32 ℃。两者在仿真结果中相差4.8 ℃，与试验结果基本吻合。

图9 数值模拟结果Fig.9 Numerical simulation results

从分析结果的温度分布云图中可以看出，试验路段表面温度分布十分均匀，有利于对路面整体温度的控制，且隔热层在电缆工作过程中的阻热和反热的效果十分明显，向结构基层热流损失较未涂隔热层结构的少0.71 ℃/h。

5 结论

本文提出了一种高效经济的路面隔热层，可用于公路或桥梁路面融雪，通过室内试验、数值模拟及试验路段验证，分析了保温层对路面温度场的影响，结果表明：

1)增设隔热层对提高最终表面温度有显著效果，较无隔热层设置的试件最终表面温度高出23.4%～35.3%，升温速率提升0.95～1.42 ℃/h。隔热层增设厚度每增加一倍升温速率提升3%～6%，故选用隔热层厚度不宜过大。

2)空心微珠的低导热率、吸波反射作用是影响升温速率的主要原因。在碳纤维电缆下方增设隔热层，可以有效防止热量向下部流失，使热流密度集中在路面的上层，更有利于冰雪快速有效地融化。

3)在融雪路面中增设空心微珠隔热层可以节省大量安装与运行成本。使用空心微珠保温隔热层较减小电缆间距，在同升温速率下，节约电缆材料成本88.3%～91.7%与50%耗电量；在同耗电量下，升温速率提高30%左右。