機場道面碳纖維發(fā)熱線融雪模型試驗研究

邢嘉明， 肖衡林， 陳 智

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

寒冷地區(qū)冬季，受到惡劣天氣影響，機場因積雪結(jié)冰被迫關(guān)閉，造成經(jīng)濟(jì)效益的損失。冰雪覆蓋滑行道的標(biāo)線，容易引起安全事故，并且滑行道內(nèi)部溫度變化會造成一定程度的結(jié)構(gòu)損傷[1]。近年來在機場道面上普遍應(yīng)用的融雪化冰方式有融雪劑法和機械除冰法[2]?；瘜W(xué)法除冰雪方便易行，效果顯著，但撒氯鹽的方式經(jīng)常需要后續(xù)的處理，容易腐蝕路面和污染環(huán)境。國內(nèi)機場目前使用機械除雪的方式進(jìn)行融雪化冰，高效除冰是機械方法的顯著特點，該法對清除大量冰雪較為合適，缺點是費時費力[3]。

將電能轉(zhuǎn)化為熱能的自發(fā)熱融雪化冰技術(shù)逐漸發(fā)展為學(xué)者的研究重點之一，主要有電熱法[4]、地?zé)岱╗5]、導(dǎo)電混凝土加熱法[6]等。李榮清對碳纖維發(fā)熱線應(yīng)用在橋面施工進(jìn)行了室內(nèi)試驗[7]。李春鳴研究連續(xù)式自發(fā)熱機場道面的融雪化冰規(guī)律，在不同的發(fā)熱功率和冰層厚度等條件下展開了室外融雪化冰試驗[8]。武海琴、李炎鋒等研究了碳纖維發(fā)熱線的選型、埋深和發(fā)熱線布置間距，通過碳纖維融雪化冰結(jié)合有限元分析方法對路面變化進(jìn)行了研究，得出不同的溫度條件下道面和結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫度分布、升溫規(guī)律[9]。趙宏明、車廣杰等通過有限元研究了布置不同間距發(fā)熱線的混凝土板表面溫升的均勻性，并通過混凝土小板室內(nèi)溫升試驗研究了混凝土板輸入功率和溫升的關(guān)系[10]。

因耗能較高造成碳纖維自發(fā)熱融雪化冰技術(shù)在國內(nèi)外研究較少，國內(nèi)暫無機場混凝土道路模型的制作，對于融雪化冰過程中各結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的溫度變化以及熱量在垂直方向上的傳導(dǎo)還未進(jìn)行研究?；诖?，通過在恒溫實驗室內(nèi)制作機場混凝土大型模型試件，機場混凝土道面內(nèi)部發(fā)熱線通過接通外部電源，試件模型內(nèi)部溫度開始增加。利用融雪化冰原理，在混凝土試件各個結(jié)構(gòu)層埋置測溫探頭以便于監(jiān)測試件內(nèi)部的溫度變化情況和研究溫升規(guī)律。

1 試驗方案設(shè)計及監(jiān)測系統(tǒng)組成

1.1 碳纖維發(fā)熱線

此次試驗所需的碳纖維發(fā)熱線型號如:線材24 K型,電阻17 Ω/m,線材功率28 W/m。最高工 作溫度為100℃。

1.2 混凝土試件模型

根據(jù)《民用機場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范》(MH5004-2009)與《民用機場飛行區(qū)水泥混凝土道面面層施工技術(shù)規(guī)范》(MH5006)，試驗試件為1.2 m×1 m×0.85 m，標(biāo)準(zhǔn)是4F級別的機場跑道的混凝土板，土基為厚200 mm的壓實土，土層壓實度為96%。墊層采用中砂，厚度為150 mm?；鶎硬捎煤穸葹?00 mm水泥混凝土，基層和面層水泥混凝土采用P.O 42.5水泥、沙、碎石、混凝土高效減水劑。面層厚度設(shè)200 mm，道面配合比如表1所示。

表1 試件配合比表

1.3 試件制作方法

試件由上到下依次為面層、基層、墊層和土層，如圖1所示。為了施工方便，混凝土試件在恒溫室內(nèi)澆筑完成，將碳纖維發(fā)熱線埋置于混凝土試件中，通電后發(fā)熱線傳遞熱能。試件共設(shè)置兩個發(fā)熱層，道面5 cm和10 cm下分別埋置第一發(fā)熱層和第二發(fā)熱線層。碳纖維發(fā)熱線的長度為10 m，布置方式選為U型，布置間距為10 cm。

圖 1 混凝土試件模型

1.4 監(jiān)測系統(tǒng)組成

為保證試驗順利進(jìn)行，采取視頻監(jiān)測和溫度監(jiān)測兩部分來更好地監(jiān)測試驗狀況。視頻監(jiān)測及時反映實驗室內(nèi)的情況，溫度監(jiān)測是在試件內(nèi)部及表面均勻布置測點的位置進(jìn)行實時的測溫。視頻設(shè)備采用HIKVISION監(jiān)控攝像頭，測溫設(shè)備采用LTM8871型數(shù)字溫濕度傳感器，溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃。所有傳感器傳回的溫度數(shù)據(jù)由LTM8662多功能數(shù)據(jù)采集控制模塊進(jìn)行處理后傳到PC端進(jìn)行實時記錄。

1-碳纖維發(fā)熱線；2-試驗邊界；3-測溫點圖 2 試件立面圖

為了能監(jiān)測混凝土試件每一層結(jié)構(gòu)的溫度變化情況，測溫點分為試件表面測溫層和試件內(nèi)部測溫層。為探究溫升規(guī)律，將62個測溫點均勻地布置在試件表面及試件內(nèi)部，如表2和圖3所示。

表2 測溫探頭布置

1.5 試驗方法及步驟

試驗主要探究機場道面的溫升規(guī)律、熱傳遞及輸入功率與混凝土試件溫升的關(guān)系。對比不同加熱功率下溫度變化曲線，將試驗分為S1,S2和S3。為模擬真實狀況，在大型恒溫實驗室內(nèi)設(shè)溫度為-5℃，受外界環(huán)境影響，不能完全達(dá)到設(shè)定的溫度值，將試驗的溫度誤差控制在2℃以內(nèi)。將人工造雪機里的冰雪勻稱地灑在試件道面上，厚度均為10 mm。發(fā)熱線的輸入功率由輸入電壓的改變來進(jìn)行控制，按照發(fā)熱線電阻的最大規(guī)格來計算最大發(fā)熱功率：發(fā)熱線電阻為17 Ω/m，其最高承受220 V電壓，根據(jù)公式計算得碳纖維發(fā)熱線在電圧220 V下的單位面積上最大發(fā)熱功率S1為237 W/m2。同理，輸入電壓分別為S2：200 V，S3：180 V，對應(yīng)的輸入功率為S2：196 W/m2，S3：158 W/m2。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 第一測溫層溫度分布規(guī)律

選第一測溫層的南北方向為與發(fā)熱線平行的板邊，東西方向為與發(fā)熱線垂直的板邊，如圖3a所示。試件平行邊溫度、垂直邊溫度、四角溫度、中心溫度均取同樣的四個測溫點，求平均值。如圖4所示，三組實驗的道面中心始終保持溫度最高，板邊其次，道面四個邊角的溫度最低，這是由于熱傳遞在道面中心的效果最好，室內(nèi)冷空氣對其影響相對較小。板邊和道面邊角位于溫度場的邊緣，因為熱輻射和熱對流發(fā)生，故溫度較低。

圖 3 平面布置圖

在剛開始加熱時，各位置初始階段溫度相差在1℃之內(nèi)，在加熱過程中，碳纖維發(fā)熱線作為熱源將溫度逐漸向上傳遞給道面，道面整體溫度變化趨勢呈上升狀。由圖4可知，當(dāng)S3加熱至20 h，S2和S1加熱至14 h，試件整體升溫速率由先快后慢開始趨于穩(wěn)定狀態(tài)。S1、S2和S3的最高道面中心溫度分別為6.66℃、4.49℃、3.67℃，道面邊角溫度為2.36℃、1.02℃、0.64℃，即道面中心溫度分別高出道面邊角溫度65%、77%、112%，道面與發(fā)熱線平行的板邊溫度分別為2.83℃、2.64℃、2.06℃，高出對應(yīng)道面邊角溫度17%、61%、68%，道面與發(fā)熱線垂直的板邊平均溫度分別為5.39℃、2.76℃、2.09℃，高出對應(yīng)邊角溫度56%、63%、69%。由上述分析可得，在同一時刻，發(fā)熱功率越大，整個道面發(fā)熱越均勻，且溫度更快趨于穩(wěn)定。因為在同一時刻，發(fā)熱功率大，整體可以抵抗環(huán)境溫度變化的能力增強。

2.2 第二測溫層溫度分布規(guī)律

第二測溫層上的測溫探頭布置于距離道面下方5 cm處，布置方式與第一發(fā)熱層相同，共計16個測溫點，均勻網(wǎng)格狀布置。在0～20 h，S3溫度整體呈上升狀，升溫速率先快后慢，20～24 h，S3溫升趨于穩(wěn)定。S1和S2加熱至14 h達(dá)到最大溫度，加熱速率與S3一致。第二測溫層S1、S2、S3的最高中心溫度分別為4.76℃、2.86℃、2.36℃，邊角溫度為1.00℃、0.06℃、-0.20℃，即中心溫度分別高出邊角溫度79%、98%、101%。所取平行邊的四個測溫點平均溫度分別為2.60℃、1.63℃、1.16℃，高出對應(yīng)邊角溫度62%、96%、71%，垂直邊的四個測溫點平均溫度分別為2.90℃、1.75℃、1.25℃，高出對應(yīng)邊角溫度66%、97%、117%。第二測溫層整體平均溫度上升值小于道面層，這是因為第二測溫層熱傳遞現(xiàn)象明顯，大部分向上傳遞用于道面層融雪化冰，少部分向下傳遞，造成熱量損失(圖5)。

2.3 第三測溫層溫度分布規(guī)律

第三測溫層的測溫探頭布置于面層與基層之間，布置方式與道面層和第二測溫層相同。在澆筑基層時，因冷氣進(jìn)入，造成熱量流失，故對第三測溫層垂直邊溫升效果產(chǎn)生影響，溫度變化趨勢相比道面層和第二測溫層較緩慢。溫升趨勢與前兩層一致，如圖6所示，在0時，第三測溫層S1、S2、S3的中心溫度分別為-4.22℃、-4.51℃、-4.50℃，第14 h，S1和S2中心溫度分別為3.13℃、1.54℃，至20 h，S3中心溫度為0.97℃。同理，在0時，第三測溫層S1、S2、S3的邊角溫度分別為-3.84℃、-4.38℃、-4.39℃，第14 h，S1和S2邊角溫度分別為-0.91℃、-0.14℃，至20 h，S3邊角溫度為-0.38℃。第三測溫層在溫升趨于穩(wěn)定時平均中心溫度S1、S2、S3分別上升7.35℃、6.05℃、5.47℃，平均邊角溫度分別上升4.75℃、4.24℃、4.01℃。

2.4 四五六測溫層溫度分布規(guī)律

第四測溫層位于基層和墊層之間，6個測溫探頭等間距縱向布置，分析具有代表性的板中心和邊角的溫度變化(圖3b)。在起始階段，第四測溫層S1、S2、S3的中心溫度分別為-4.03℃、-3.03℃、-4.13℃，第14 h，S1和S2中心溫度分別為3.49℃和1.72℃，第20 h，S3的中心溫度為1.31℃(圖7a)。同理，初始階段，第四測溫層S1、S2、S3的邊角溫度分別為-3.75℃、-3.19℃、-4.44℃，第14 h，S1和S2邊角溫度分別為1.72℃和1.32℃，第20 h，S3的邊角溫度為0.75℃。第四測溫層在溫升趨于穩(wěn)定時平均中心溫度S1、S2、S3分別上升7.52℃、4.75℃、5.85℃，邊角溫度分別上升5.47℃、4.51℃、5.19℃。S1加熱16h溫度升高7.53℃，只占整體溫升的0.1%，S2和S3加熱至20 h和24 h分別占整體溫升的0.2%和1.9%。第五測溫層位于墊層與土層之間，共計4個測溫探頭。第六測溫層位于土層中，距離墊層底10 cm處，共計4個測溫探頭，第五測溫層與第六測溫層布置方式均為等間距縱向布置(圖3c)。在加熱時中心和邊角的溫度逐漸上升，上升速度與一、二、三測溫層相比較緩慢(圖7b)。一、二、三的測溫層相比，第六溫層的中心和邊角溫度的溫升趨勢緩慢(圖7c)。這說明距離發(fā)熱線距離不同，受到的熱量傳遞效果不同，一、二、三測溫層距離發(fā)熱線較近，整體發(fā)熱均勻性好，在相同時間內(nèi)，溫升速率更快，四、五、六測溫層距發(fā)熱線較遠(yuǎn)，溫升效果相對比一、二、三測溫層較差。

(a)第四測溫層

2.5 縱向不同深度溫度分布規(guī)律

如圖8所示，S1、S2和S3加熱至15 h，試件整體溫度均有所增加，當(dāng)加熱功率為S3時，道面層及道面下5 cm、20 cm、50 cm和65 cm處溫度分別增加6.96℃、5.65℃、4.77℃、4.06℃、3.125℃和0.69℃。顯然道面處溫升效果最好，這是因為道面距發(fā)熱線較近，且道面整體均勻性好。當(dāng)加熱功率為S1和S2時，道面處溫度分別增加9.93℃和8.95℃。道面層融雪化冰順利，滿足預(yù)期要求。

(a)158 W/m2

3 結(jié)論

1)在一定時間內(nèi)，道面層溫升效果最好，溫度最高且升溫最快。在實際工程中，在保證碳纖維發(fā)熱線不被破壞的前提下，可將發(fā)熱線盡可能埋置在離道面最近的位置，使得道面融雪化冰效果更好。

2)隨著加熱開始，試件整體溫度均勻上升，中心溫度上升效果最好，板邊其次，板角最差。這表明，溫度場中心溫度向四周均勻傳遞，離溫度場中心越遠(yuǎn)，傳遞效果越弱。

3)對于碳纖維發(fā)熱線，不同的輸入功率，決定試件整體的溫升效果。試驗表明：當(dāng)恒溫室內(nèi)環(huán)境為-5℃時，發(fā)熱功率為237 W/m2，加熱2.5 h試件溫升最快穩(wěn)定在0℃左右且最終穩(wěn)定在6.6℃左右，能夠保證試件道面上無冰雪堆積。故當(dāng)環(huán)境溫度-10℃～0℃時，237 W/m2為三個發(fā)熱功率中除冰的最小有效功率。