含電熱管瀝青路面路用性能的試驗研究★

曹巧芹　王仙華　劉宜慶

(1．臺州市四方交通建設工程有限公司，浙江臺州　318000;2．東南大學ITS中心，江蘇南京　210096)

?

含電熱管瀝青路面路用性能的試驗研究★

曹巧芹1王仙華1劉宜慶2*

(1．臺州市四方交通建設工程有限公司，浙江臺州318000;2．東南大學ITS中心，江蘇南京210096)

摘要:通過一系列對比試驗，研究了電熱管對瀝青路面路用性能的影響，分析了含電熱管瀝青路面結構的高溫穩定性，低溫抗裂性以及抗疲勞性能，試驗結果表明，電熱管的布設不會改變原有路面的路用性能，并對路面結構的高溫穩定性、低溫抗裂性以及抗疲勞性能均有所提高。

關鍵詞:電熱管，路用性能，瀝青路面

1　概述

冬季路面結冰積雪給行車安全和道路暢通造成不利影響。冰雪大大降低了路面的附著系數，導致汽車打滑，制動距離顯著延長，嚴重的會釀成交通事故。傳統的清除結冰積雪的方法主要是采用人工作業，如在路面撒布融雪劑等，這種方法不僅浪費人力物力，還對路面和環境帶來了污染［1，2］。

電熱管融冰化雪是一種新型主動融冰化雪方式。電熱管埋設在路面結構中，冰雪天氣時電熱管通電啟動，產生的熱量傳至路面能夠快速融化路面冰雪。該方法操作簡單，熱沖擊小，且能保證低溫融冰化雪。但由于路面結構中埋設了電熱管，改變了原來的路面結構，這對路面結構的路用性能會產生影響。國內對這方面開展的研究比較少，武海琴等［3］對含發熱電纜用于路面融冰化雪進行了實驗研究，探討了影響融雪效果的因素和鋪裝功率;馮新軍等［4］通過試驗分析了導電瀝青混合料的導電性能和路用性能隨碳纖維摻量的變化。陳炎等［5］通過有限元模擬研究了電熱管在路面中的布設問題。

本文擬對含電熱管瀝青路面的路用性能進行試驗研究，分析電熱管對瀝青路面的高溫穩定性、低溫抗裂性及抗疲勞性能的影響，以期對電熱管升溫融冰化雪瀝青路面結構設計提供指導。

2　路用性能試驗

2．1高溫穩定性

高溫穩定性是路用性能一個重要的方面，評價瀝青混合料高溫性能的試驗手段很多［3-5］。本文采用高溫車轍試驗的評價方法，以動穩定度為評價指標，評價不同溫度和狀態下含電熱管的瀝青升溫層的高溫穩定性。車轍試件如圖1，圖2所示。

圖1　含電熱管的試件

圖2　車轍試驗后的試件

本文采用單變量對比分析，試驗方案如表1所示，試驗結果如表2，圖3所示。

表1　高溫穩定性試驗方案

表2　高溫車轍試驗結果　次/mm

圖3　高溫車轍試驗結果

由試驗結果可知，含電熱管結構的瀝青混合料的動穩定度均滿足現行規范對于瀝青混合料動穩定度不小于2 800次/mm的要求，表現出優良的高溫性能。凍融循環過程在一定程度上影響了含電熱管的瀝青混合料的高溫穩定性，經過3次凍融循環后，較之未進行凍融循環的試件，其動穩定度有將近15%的降低。在相同試驗溫度下，瀝青升溫層中布設電熱管對瀝青層結構高溫穩定性產生一定的影響，具體反映在動穩定度上，且在荷載區域內影響范圍最大，具體表現在正上方布置試件的動穩定度要高于側向布置試件的動穩定度，較之不含電熱管的試件，此時的動穩定度都相對較高，可知在路面結構中布設電熱管對高溫抗車轍能力有一定的提高作用。

2．2低溫抗裂性

低溫性能也是路用性能的一個重要方面。本文采用小梁三點彎曲試驗，在UTM-25動態伺服液壓材料試驗機上進行，試驗溫度-10℃，加載速率為50 mm/min，并增加一組添加消石灰的小梁試件作為對照組。對小梁進行凍融循環處理，具體試驗方案見表3。

表3　小梁三點彎曲試驗方案

含電熱管的瀝青混合料小梁與對照組的三點彎曲試驗結果如表4與圖4，圖5所示。

表4　小梁三點彎曲試驗結果

圖4　小梁試驗抗彎拉強度

圖5　小梁試驗最大彎拉應變

由試驗結果可知:瀝青混合料的低溫抗彎拉強度受凍融影響明顯，長期凍融作用使得瀝青混合料的低溫抗彎拉強度減小。通過最后兩組數據Ⅱ，Ⅳ可知，消石灰的加入增強了小梁試件的最大彎拉應變與抗凍融的能力。電熱管在小梁結構中起到一定程度的低溫抗裂性的作用，具體表現在抗彎拉應變、彎拉強度與不含電熱管的小梁低溫試驗指標相比有不同程度的提高。

2．3抗疲勞性能

疲勞是道路中較為常見的一種損壞現象。本文采用小梁疲勞試驗，電熱管沿行車方向布置。先對小梁通電待其均溫達到60℃，保持2 h，并在室溫條件下冷卻至常溫15℃并保持2 h，此為一個溫度循環。溫度循環過程如圖6，圖7所示。循環次數為10次、30次、50次三組。并設置不含電熱管的對比組。

將進行過溫度循環后的小梁在疲勞試驗機上進行疲勞試驗(見圖8)，采用控制應力模式，應力比為0．3，0．4，0．5，0．6，加載波形為正弦連續波，頻率為10 Hz，試驗機溫度為15℃。

圖6　室內通電加熱小梁

圖7　15℃環境中冷卻小梁

圖8　加載中的小梁疲勞試件

試件均在環境溫控箱內養護4 h以上，保證試件內部與外部溫度均達到試驗要求溫度。試驗時記錄小梁初始破壞和極限破壞時施加應力與疲勞壽命，方案如表5所示。

表5　結構小梁疲勞試驗方案

對試件進行各荷載水平下的疲勞試驗，可以得到各組試件在各應力比下，應力與疲勞壽命之間的關系，結果如圖9所示。

圖9　結構小梁疲勞試驗結果

對各類小梁的疲勞壽命與應力水平在雙對數坐標上按下列方程進行擬合:

其中，Nf為試件破壞時重復的荷載作用次數;σ為施加的常量應力最大幅值;n，K'均為試驗回歸系數。分別得出疲勞曲線如圖10所示。由圖9可知，各類小梁的疲勞壽命均隨著應力比的增大顯著減小。在各應力比條件下，第Ⅱ類小梁破壞時的疲勞次數均為最大，且同樣的溫度循環狀態下，含電熱管結構的小梁壽命要高于無電熱管結構的小梁疲勞壽命。

由圖10可知，應力與疲勞壽命間在雙對數坐標上存在著線性關系，截距表示疲勞曲線位置的高低，K'值越小表示抗疲勞性能越差;斜率越大表示應力水平的變化對疲勞壽命影響越大。在應力控制加載方式下，截距隨著電熱管工作次數的增加而降低，疲勞壽命阻抗降低。而斜率增大，疲勞荷載增加到一定程度后，疲勞壽命急劇減小。

圖10　小梁雙對數疲勞曲線

3　結語

通過對埋設電熱管的瀝青混合料試件進行高溫車轍試驗、小梁三點彎曲試驗與疲勞試驗研究，檢驗了其路用性能。由試驗結果可知電熱管的布設不會改變原有路面路用性能，并對路面結構的高溫穩定性、低溫抗裂性以及抗疲勞性能均有所提高，具體體現在:1)瀝青升溫層中布設電熱管對瀝青層結構高溫穩定性產生一定的影響，且在荷載區域內影響范圍最大，較之不含電熱管的試件，動穩定度相對較高，可知在路面結構中布設電熱管對高溫抗車轍能力有一定的提高作用。2)電熱管在小梁結構中起到一定程度的低溫抗裂性的作用，具體表現在抗彎拉應變、彎拉強度與不含電熱管的小梁低溫試驗指標相比有不同程度的提高，說明含電熱管的電熱層結構在低溫下具有較好的延展性。

參考文獻:

［1］李福普，王志軍．長效型主動融雪瀝青混合料路用性能試驗［J］．公路交通科技，2012，29(3):7-11．

［2］代琳琳，趙曉明．融雪劑的環境污染與控制對策［J］．安全與環境工程，2005，11(4):29-31．

［3］李炎鋒，武海琴，王貫明，等．發熱電纜用于路面融雪化冰的實驗研究［J］．北京工業大學學報，2006，32(3):217-222．

［4］馮新軍，查旭東，程景．PAN基碳纖維導電瀝青混凝土的制備及性能［J］．中國公路學報，2012，25(2):27-32．

［5］陳炎，張南童，王華榮．基于控制變量法的融冰道路電熱管布設模擬［J］．綠色科技，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．瀝青混合料高溫變形特性的實驗研究［J］．力學與實踐，1994，16(3):34-36．

［8］周進川．國產瀝青高溫性能的環道試驗研究［J］．石油瀝青，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

通訊作者:劉宜慶(1991-)，男，在讀碩士

作者簡介:曹巧芹(1977-)，女，工程師;王仙華(1964-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-21★:電加熱管在道路主動防御冰雪災害中的應用研究(項目編號:2012H33)

文章編號:1009-6825(2016)01-0147-03

中圖分類號:U416．217

文獻標識碼:A