橋面發熱電纜防冰及融冰試驗研究

張提勇，董艷濤，陳仁山，劉 鋒，劉文江

（1.濟南城樂公路工程有限公司，山東 濟南 250011；2.山東交通學院，山東 濟南 250357；3.山東泉建工程檢測有限公司，山東 濟南 250014）

引言

因中國大部分地區冬季最低溫度低于零度，而橋面周圍空氣富含水汽，結構截面薄且沒有地溫的補給，故橋面降溫快、溫度低，冬季極易凝冰，降雪時容易積壓凝結。結冰、積雪路面抗滑附著能力僅為干燥狀態的1/4 ～1/3，道路通行安全和效率受到極大影響［1］，路面內敷設電纜加熱融冰雪效果穩定、效率高［2-3］。

1 橋面鋪裝材料熱力學參數試驗

測量橋梁常用鋪裝材料層的導熱系數，對鋪裝層敷設發熱電纜防冰雪技術的熱力學模型進行修正。

1.1 方案設計

參考《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定熱流計法》（GB/T 10295—2008）及《用熱流計法測定穩態熱通量和熱傳遞特性的試驗方法》（ASTMC 518—04）［4-5］，采用穩態平板法測試常用鋪裝材料層導熱系數。穩態平板法試驗設備基于在一維穩態情況下通過平板的導熱量Q和平板兩面的溫差成正比，和平板的厚度δ成反比，以及和導熱系數λ成正比的原理設計，測定材料的導熱系數。

1.1.1 試件

瀝青混凝土橋面鋪裝上面層采用SMA-13 細粒式改性瀝青混合料，下面層采用常用AC-20 中粒式改性瀝青混合料，以及橋面板常用C50 水泥混凝土，將被測的每種材料做成6 塊方形板狀試件，試件截面為200 mm×200 mm，實際導熱計算面積為100 mm×100 mm，試件厚度δ為實測量厚度。

1.1.2 試驗步驟

（1）對試件表面進行打磨處理，在表面涂刷一層導熱系數較大的導熱油，測量試件厚度，取試件3 點測量后取平均值。（2）將試塊安裝在導熱系數測量設備的冷熱板之間，并用設備絞盤卡緊，確保試件表面與冷熱板接觸緊密，不存空氣間隙。（3）啟動儀器，設置好冷熱板溫度、試件厚度，啟動系統進行加熱、冷卻，進入測試過程，等到冷熱板之間達到熱平衡和恒定，系統提示可以計數。測試溫度條件為冷板20 ℃、熱板50 ℃，即平均溫度35 ℃下的導熱系數。

1.1.3 相關試驗結果

輝綠巖細粒式瀝青層（SMA-13）導熱系數、玄武巖細粒式瀝青層（SMA-13）導熱系數測及面層石灰巖瀝青混合料（AC-20 中粒式改性瀝青）導熱性能參數測試分布規律相近，見圖1。

圖1 室內中面層導熱系數測試結果

1.2 試驗結果分析

根據研究得到石灰巖等巖石的導熱系數［6］，得出不同巖石材料的導熱系數因材料密實度和含水率等影響而不同，故對試驗結果取平均值，結果見表1。

表1 各種材料的導熱系數

可以發現，3 種瀝青混合料和水泥混凝土的導熱系數均比其主要組成骨料母巖的導熱系數低，經分析是其導熱系數受到混合材料孔隙率、壓實度、含水率等影響具有一定浮動，但是上下浮動不大。

2 橋梁防冰熱負荷計算

2.1 橋梁防冰凍設計氣象參數

根據濟南市歷史氣象數據，確定室外設計溫度取最冷月不少于5 d 的日最低溫度平均值［7］，為-5 ℃，相對濕度取74%，天空輻射溫度根據室外干球溫度和相對濕度由ASHRAE 提供的公式計算得出為-22.24 ℃，風頻率出現最多的風速為8.0 m/s，橋面溫度根據實驗測試結果取1.0 ℃。

2.2 橋梁防冰熱負荷計算物理模型

橋梁防冰物理模型（防凍結工況）見圖2。融冰熱負荷主要包括對流交換熱、輻射交換熱和橋面水分蒸發散熱等。

根據ASHRAE 手冊，融冰雪負荷：

式中：Q0—融冰雪表面的熱負荷，W/m2；Qs—融雪熱負荷，W/m2，無融雪時取0；Qm—融雪熔解熱，W/m2，無融雪時取0；Ar—無雪區域面積比，取1；Qe—蒸發潛熱，W/m2；Qh—無雪表面的對流熱與輻射熱負荷，W/m2。

為簡化計算量，取一個車道3.75 m 寬度面積進行計算。

2.3 平板對流傳熱系數計算

平板對流傳熱系數：

式中：kair—空氣在ta溫度下的熱導率，W/（m·k）；L—風在平板上吹過的特征長度，m；Pr—普朗特數；ReL—雷諾數的計算，ReL=uL/Vair，其中u—風速，m/s；L—平板長度，m，Vair取3.75；u—空氣的動力黏度，-5 ℃下空氣的動力黏度為1.285×10-5m2/s。

2.4 對流和輻射熱負荷計算

式中：hc—對流換熱系數，W/（m2·K）；ts—融冰溫度，取2 ℃；ta—環境溫度，取-5 ℃；Tf—液膜溫度，取2 ℃；δ—玻爾茲曼常數，取5.67×10-8W/（m2·K4）；εs—材料接觸面發射率，加熱濕平板表面發射率取0.9；TMR—天空輻射溫度均值，K。

分兩種情況計算：

（1）有云時

（2）無云時

2.5 含濕量計算

式中：P—大氣壓力，Pa；PV—水蒸氣的分氣壓力，Pa。

2.6 蒸發潛熱計算

式中：Wf—液膜表面飽和空氣的含濕量，液膜的露點溫度為2 ℃時的含濕量Wf=kgvapor/kgair，通過查找對應露點溫度下的飽和水蒸氣分壓力，求出Wf=0.004 364 kg/（kg 干空氣）；Wa—周圍空氣的含濕量，在標準大氣壓下，干球溫度為-5 ℃，相對濕度為74%時，空氣的含濕量為0.001 992 kg/（kg 干空氣）；hfg—水的蒸發潛熱，取2 499 kJ/kg；ρdryair—標準大氣壓下，-5 ℃干空氣的密度，取1.317 5 kg/m3；hm—質量傳遞系數。

式中：Pr=0.7，Sc=0.6。

2.7 環境溫度為-5 ℃時橋梁防凍熱負荷計算

環境溫度為-5 ℃時橋梁防凍熱負荷計算結果見表2。

表2 環境溫度為-5 ℃時橋梁防凍熱負荷

3 發熱電纜防冰路面耐久性能試驗

通過典型路面結構6 cm（AC-20）+4 cm（SMA）層間鋪設發熱電纜路面加速加載試驗，檢測發熱電纜路面施工工藝，評價防冰路面的耐久性、抗變形及抗開裂能力。試驗段場地布置見圖3，利用光纖光柵傳感器實時測量MMLS 加載作用下的縱橫線應變及車轍。將容許拉應變作為瀝青層疲勞開裂的重要控制指標，通過試驗分析最大拉應變隨加載次數的變化規律［8-10］。

圖3 加速加載試驗布置/m

加載設備使用小型移動荷載模擬系統MMLS3，用4 組膠輪模擬路面的加載情況。輪胎直徑300 mm，寬80 mm，相當于標準輪胎尺寸的1/3，最大接地壓力0.75 MPa，荷載為1.9 ～2.7 kN。單向輪作用為2 800 ～7 200 次/h。

3.1 各區材料及結構布置

加速加載試驗分區路面結構和電纜種類見表3。

表3 試驗分區路面結構

3.2 各區相應加載實驗情況

輪跡帶相對變形測試點布置見圖4。

圖4 輪跡帶相對變形測試點布置/cm

3.2.1 M1 區

分別對1、3、5、15、22、30、40 萬次加載時的應變值進行測量，以及加載40 萬次后的最大相對變形和車轍深度。應變變化、相對變形和車轍平均值結果見圖5、圖6。加載滿40 萬次的最大拉應變為246.4 。不同加載次數應變變化值、車轍深度實測值見表4、表5。

圖5 M1 區應變變化趨勢

圖6 M1 區輪跡帶相對變形測試結果

表4 不同加載次數下的應變變化值

表5 加載后車轍深度實測值/mm

3.2.2 M2 區

M2 區完成40 萬次加載時的路面最大拉應變為80.443 3，最大相對變形為5.7 mm，平均車轍深度為2.05 mm，輪跡中心平均相對變形為1.91 mm。實測結果見表6 和圖7、圖8。

表6 M2 區加載后車轍深度實測值/mm

圖7 M2 區輪跡帶相對變形測試結果

圖8 M2 區平均車轍測試結果

3.2.3 M3 區

分別對1、3、5、15、20、50 萬次加載時的應變和車轍進行測量。上表面最大拉應變隨荷載作用次數的變化情況見圖9 ～圖10。從實測結果看到隨加載次數增加，應變總體呈上升趨勢，50 萬次最大拉應變129.4。應變及車轍實測值見表7、表8。

圖9 M3 區應變變化趨勢

圖10 M3 區輪跡帶相對變形測試結果

表7 應變變化值

表8 M3 區加載后車轍深度實測值/m

3.2.4 M4 區

采用電纜SDHN，未采用SMA。分別對1、6.5、14、25、48 萬次加載時的應變、車轍進行測量，上表面最大應變和車轍變形隨荷載作用次數的變化情況見表9、表10。

表9 應變變化值

表10 M4 區加載后車轍深度實測值/mm

3.3 實驗結果分析

M1 區～M4 區加載完成后的最大拉應變、平均車轍深度、最大相對變形實測值對比見表12。與參照區M2 相比，埋入加熱電纜的區域路面拉應變變大，與有限元模擬分析的結果相吻合。其中，M1 區最大拉應變最大，約為M2 區的3 倍；M1、M3 的車轍深度大于參照區M2 但差異不大，基本處于同一水平，M4 車轍深度小于M2，導熱MSA 并未體現出更好的抗車轍能力。

加載試驗后，路面沒有產生開裂損壞；連續加載40 萬次后，各區域平均車轍深度均小于3 mm，符合預期要求，表明發熱電纜技術的各結構方案抗車轍能力和抗疲勞開裂能力可以接受。

表11 加載后應變、車轍、變形對比

4 結語

（1）通過一維穩態導熱系數法測量了瀝青混凝土路面主要材料的導熱系數，上層SMA 導熱系數在1.244 ～1.463，AC 面層在1.583 ～1.674 之間。瀝青混合料和水泥混凝土的導熱系數均比其構成骨料的母巖的導熱系數低，且因密實度及含水率等影響有一定波動。（2）根據ASHRAE 手冊結合山東濟南地區的歷史氣象資料，分析該地區的橋面抗凝冰熱負荷計算模型，在設計條件-5 ℃、風速3 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s 的橋梁防凍結冰熱負荷計算。可根據計算結果控制發熱電纜防冰工作功率。（3）通過發熱電纜路面加速加載試驗，檢測發熱電纜路面施工工藝，對發熱電纜防冰路面的耐久性、抗變形及抗開裂能力進行驗證試驗，證明了技術方案的可行性。