路面融雪化冰模型裝置試驗研究

王宇軍　常　睿　岳衛民

(1.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安　710065；　2.長安大學公路學院，陜西 西安 　710064；　3.西安公路研究院，陜西 西安　710054)

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·道路·鐵路·

路面融雪化冰模型裝置試驗研究

王宇軍1常睿2岳衛民3

(1.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安710065；2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064；3.西安公路研究院，陜西 西安710054)

摘要：針對路面融雪化冰現象，建立了一個小型道路融雪化冰試驗系統，通過不同部位溫度變化情況，分析了熱量在混凝土中的傳導規律，并在此基礎上，對結構層內溫度場、上表面溫度分布和升溫規律、預熱時間融雪效果進行了理論研究，為道路融雪化冰提供參考和依據。

關鍵詞：道路工程，路面，融雪化冰，模型裝置

在冬季，由于冰、雪天氣，路面附著力很快降低，這就要求車輛有良好的動力性和安全性，在冰雪天氣條件下運輸效率非常低，引發的交通事故不但威脅司乘人員的生命安全，而且會嚴重破壞交通設施及車輛，給建設單位帶來非常大的經濟損失[1,2]。因此，研究出有效的融雪化冰裝置具有很重要的意義。

在國外道路熱源融雪化冰技術領域，日本、美國、北歐等國家開展了許多工程研究和實踐。比如利用豐富的地熱水資源，冰島國推廣道路融冰雪工程應用；在芝加哥O’Hare國際機場的滑行跑道SNOW FREE融冰雪示范試驗工程中，人們開展了循環熱流體和熱管傳遞等方式的融雪路面研究。我國在這方面還處在初步階段，除了融化法等傳統的方法，也研究了能量轉化型的方法，比如利用發熱電纜的工程實踐——橋梁坡道融雪以及導電鋪面融冰雪技術等。

上述各融雪化冰技術存在不同程度的不足，比如造價高，能源利用率低等，所以，本文建立了小型道路融雪實驗系統，分析熱量在混凝土中的傳導規律，并對結構層內溫度場、上表面溫度分布和升溫規律、預熱時間融雪效果進行了理論研究。

1模型設計

1.1試驗設計

準備六根φ2 mm、長度為2 700 mm的高碳鋼絲，分別用直徑為1.4 mm的漆包線纏繞，使得其單根電感值為90 μH。然后按照橫向間距為300 mm、垂直高度為離底面100 mm均勻排布，然后澆筑水泥混凝土，其厚度為200 mm。每三根為一組，把六根高碳鋼絲分成兩組，組內串聯，兩組之間并聯后接到高頻電源控制板上。其結構圖如圖1所示。

1.2試驗結果分析

1)試驗1。澆筑混凝土前通電加熱，測得高碳鋼絲表面溫度，并記錄此時高頻電源輸出電流及功率。每根高碳鋼絲設置三個測溫點，其分布如圖2所示，通電后各測點的溫度值如表1所示。

由表1可知：a.各測點的溫度隨時間的延長而增加；b.由于各加熱棒之間屬于串聯關系，因此各加熱棒之間溫度的變化規律相似；c.根據電磁關系原理可知，越靠近加熱棒中心的位置電感量越集中，故各加熱棒2號測點的溫度變化遠大于1號和3號測點的溫度變化。

2)試驗2。澆筑混凝土后通電加熱，考慮到太陽光照射對混凝土塊溫度的影響，試驗安排在夜間進行，分別選擇路面及另一塊沒有預埋加熱裝置的混凝土塊進行測溫。預定的試驗塊測溫點分布如圖3所示，結果如表2所示。

由表2可知：

a.表面5個測點的溫度先減小后增大，究其原因是在通電伊始，表面溫度主要受大氣溫度的影響；隨著通電時間的增加，混凝土蓄熱達到一定程度，溫度傳遞到試件表面時，表面的溫度變化主要受通電時間和通電電流的影響。b.內部4個測點的溫度變化為增大，究其原因是測點與加熱裝置處于同一平面，溫度變化主要受加熱時間和通電電流的影響，但其溫度變化值小于高碳鋼絲表面的溫度變化值，主要是在熱量傳遞過程中部分熱能被混凝土吸收。

2實體工程模擬試驗

為模擬冬季的氣候條件，將水泥混凝土試件分別置于冰柜中進行試驗。

2.1溫度傳感器的布置

為準確測量加熱裝置在運轉過程中的溫度傳導規律，在試件中共布置28個PT100溫度傳感器，在試件高度方向上布設4層，每層布設7個PT100溫度傳感器，如圖4，圖5所示。

2.2試驗結果與分析

將試件放入冰柜中24 h，并在混凝土表面灑一層水，以便試件達到與周圍同一溫度，其表面情況如圖6所示。根據熱傳導理論，在理想條件下與發熱源等距離位置的溫度應相同，將同一時段、同一層面的數據進行平均化處理，結果見圖7，圖8。

通過不同層面的溫度變化發現，與加熱裝置處于同一層面的B層的溫度平均值最高，且升溫速度最快，與加熱裝置距離基本相同的A層和C層的溫度平均值相近，升溫速度基本相同，說明了在計算過程中，距離越遠的地方等溫面積越大，D層的溫度平均值最低。

結構層內只有導熱過程，且只有在環境溫度與加熱功率確定時發生。其中，因為B層與加熱裝置在同一層面，加熱過程初始階段，溫度上升；結構層內傳熱溫差隨溫度升高逐漸縮小，同時增加了表面對外散熱。

3結語

本文針對路面融雪化冰現象，建立了一個小型道路融雪化冰試驗系統，得到以下結論：

1)融雪裝置的溫度分布規律隨著距加熱源越近、溫度越高，以加熱裝置中心為準，規律沿著絲徑方向開始變化；路面隨著加熱時間的增加，在結構層里，各個測量點逐漸穩定升溫，隨后溫度趨向于平衡。2)受融化進程影響測點溫度變化特性的預熱階段各測點逐漸升溫；在融化階段，冰層測點融化實際變化與溫度曲線變化形態相同，但是結構層升溫并逐漸減慢；在融盡階段時，逐漸升高冰層測點溫度，結構層穩定升溫。3)在融冰結束時，水膜蒸發出現在路面層上的過程中，路面層溫度迅速下降的原因是周圍大量熱量被蒸發，這樣曲線就會產生一個凹形；同時也影響路面層以下的附近結構層，這樣溫度曲線就會使各測量點在融盡點附近出現不同的下凹、平緩現象。

參考文獻：

[1]儲樂平.感應加熱磁熱耦合場數值模擬及溫度回歸分析.大連：大連理工大學，2004.

[2]胡文舉，姜益強.橋面熱力融雪模型研究與分析.哈爾濱工業大學學報，2007，39(12)：1895-1899.

[3]徐效亮.基于電磁熱耦合理論的5.8GHz微波道路除冰溫度場仿真研究.西安：長安大學，2009.

[4]劉凱，王選倉.中外高速公路融雪化冰技術與方法.交通企業管理，2009(8)：73-74.

[5]楊潔，李海濤.電熱法除路面冰雪技術探討.中國安全生產科學技術，2009，5(5)：162-165.

Experimental study on the device of deicing and snow-melting model for the pavement

Wang Yujun1Chang Rui2Yue Weimin3

(1.ShaanxiProvincialHighwayConstructionGroupCo.,Ltd,Xi’an710065,China；2.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064，China;3.Xi’anHighwayResearchInstitute,Xi’an710054,China)

Key words：road engineering, pavement, deicing and snow-melting, model device

Abstract：This paper established a small road testing system of deicing and snow melting, and analyzing the law of heat-conduction in the concrete through the temperature change in different parts, and based on this, temperature distribution of structure layer and road surface, the ascending rule of temperature and snow melting effect of the preheating time were researched theoretically. It provides reference and basis for deicing and snow-melting of road.

文章編號：1009-6825(2016)14-0128-02

收稿日期：2016-03-04

作者簡介：王宇軍(1975- )，男，碩士，高級工程師

中圖分類號：U416

文獻標識碼：A