輕骨料導電混凝土面層的升溫與化冰實驗研究＊

陳 龍 孫明清 李 濱 李 紅 張謝東

（武漢理工大學理學院1） 武漢 430070） （武漢理工大學交通學院2） 武漢 430063）

如何解決冬季路面結(jié)冰積雪問題是我國寒區(qū)冬季公路養(yǎng)護中存在的普遍問題，目前，公路交通部門一直沿用的氯鹽融雪劑將造成道路、橋梁的腐蝕，道路兩旁綠化帶的破壞，土壤堿化板結(jié)，污染地下水源等，給基礎設施和自然環(huán)境帶來了較大的負面影響［1］.機械除冰雪雖然效率較高，但環(huán)境溫度較低時對冰層的消除不徹底，而且不能實現(xiàn)實時、自動的融冰.因此，在不斷地尋找環(huán)保節(jié)能的除雪方式過程中，熱融雪化成為首選.目前，主要研究應用的熱融雪法有導電混凝土、加熱電纜［2］和循環(huán)熱流體［3］等.

在導電混凝土融冰化雪研究方面，唐祖全、侯作富等較系統(tǒng)地研究了碳纖維混凝土的電導率與碳纖維摻量、硅粉、集料、電極形式等的關(guān)系，配制了碳纖維混凝土小板在野外和冰柜內(nèi)的化冰和融雪實驗，并采用有限元法分析了不同環(huán)境條件下所需的電功率［4－6］.美國內(nèi)布拉斯加州的77號公路上的Roca Spur橋是世界上第一座在橋面上鋪設導電混凝土融雪的橋梁，鋪設面積為306m2，導電混凝土層厚度為102mm.該混凝土含不同顆粒級配的石墨粉25%（體積分數(shù)）和鋼纖維1.5%，材料電阻率為395Ω·cm.通電時路面平均溫度比周圍空氣溫度要高10℃左右，能成功將冰雪融化.系統(tǒng)建造總費用為193 175美元，平均每場雪耗電3 200kW·h［7］.

王小英等［8］采用納米導電炭黑制備了導電水泥砂漿.由于納米導電炭黑價格（15～20元／kg）低，摻量也比較少，而且與混凝土原材料容易拌合，適合于大量配制使用的導電混凝土.本文在此基礎上，配制了炭黑輕骨料導電混凝土，并將其作為混凝土面層的表層，在模擬的寒冷環(huán)境下研究不同電功率作用時路面的升溫和化冰效果.目的在于評價炭黑輕骨料導電混凝土在低溫下的升溫性能、電阻率的穩(wěn)定性.

1 輕骨料導電混凝土路面的結(jié)構(gòu)形式及測試系統(tǒng)

1.1 含輕骨料導電混凝土的混凝土面層

該面層的截面如圖1所示.由于本試驗要在冰柜內(nèi)進行，受冰柜空間限制，試驗用路面面層的長和寬均為40cm.低層混凝土按C30設計，配合比為：m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（碎石）＝1∶0.4∶1.23∶3.待攪拌均勻后，用振動棒振搗密實，搗實抹平后在上面鋪一層玻璃纖維布用于隔熱.1d后再在上面澆注輕骨料導電混凝土，其制備方法為：m［水泥（華新42.5普通硅酸鹽水泥）］∶m（水）∶m（砂）∶m［輕集料（宜昌寶珠碎石型高強頁巖陶粒）］∶m［粉煤灰（漢川電廠II級粉煤灰）］∶m［減水劑（武漢浩源化工廠FDN）］∶m［炭黑（性能指標見表1）］＝1∶0.63∶1.76∶1.2∶0.17∶0.012∶0.07.先將輕集料浸水1h，將表面的自由水風干待用.m［炭黑分散劑（自制）］∶m（炭黑）為1∶1，先將炭黑分散劑溶于少許水，然后加入炭黑略攪拌，使炭黑呈較大的顆粒狀，再加入素混凝土混合料中一起干拌3min，加入所需要的水再攪拌3min.將攪拌均勻的混合料填模，在模具兩相對側(cè)面插2塊不銹鋼網(wǎng)（尺寸為10cm×40cm）作為電極，導線事先焊接在不銹鋼網(wǎng)上，用振動棒振搗1min.振實前圖1的A，B，C，D，E等5處埋設細空心銅管，用于放置熱電偶測溫度.24h后脫模，在空氣中澆水養(yǎng)護28d后測試.導電混凝土的電阻為10Ω，其電阻率為100 Ω·cm.

圖1 導電混凝土面層截面圖（單位：cm）

表1 炭黑主要性能指標

1.2 測試方法

220V市電經(jīng)調(diào)壓器給混凝土面層供電.在埋設的細銅管內(nèi)填注導熱硅脂，然后插入熱電偶以測試面層厚度方向的溫度變化，用Keithley2700多通道數(shù)據(jù)采集儀連接熱電偶進行數(shù)據(jù)采集，如圖2所示.施加的電壓大小分別為31，28.3，25.3，21.9V，使得混凝土面層單位面積平均電功率分別為600，500，400和300W／m2，施加不同的電壓是為了考察不同電功率的作用下路面結(jié)構(gòu)各測點的溫度變化及化冰情況.采用數(shù)字萬用表測試電壓和電流，以控制輸入的功率大小和導電混凝土電阻的變化.通電后，通過導電混凝土將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使得路面溫度升高.

圖2 電熱路面模型與測試系統(tǒng)

將試件放入可調(diào)溫度的冰柜中，通過調(diào)節(jié)檔位來控制冰柜內(nèi)環(huán)境溫度.化冰試驗中將480mL的水倒在混凝土表面，在低溫環(huán)境下結(jié)成厚度約3mm冰，再通過施加一定的電壓來進行化冰試驗.由于真實路面面層的混凝土板在水平方向尺寸比厚度方向尺寸大得多，而且混凝土的面層作為主要的散熱面，因此混凝土板的四周散熱在實際工程中較少.試驗中試件的厚度方向長度與水平方向長度尺寸相當，側(cè)面散熱量較大，為盡量減小混凝土面層側(cè)面向四周的熱量損失，側(cè)面采用3cm厚擠塑聚苯乙烯泡沫板包裹.試件底面為吊裝用的4mm厚鋼板，鋼板下再墊一層擠塑聚苯乙烯泡沫板后放入冰柜.

2 結(jié)果與討論

混凝土面層單位面積電功率為300，400，500和600W／m2時各測點的溫度隨時間變化的情況如圖3所示.各圖中冰柜內(nèi)環(huán)境溫度在一定的范圍內(nèi)波動（－20～－15℃），這主要與普通家用冰柜的溫度控制精度不高有關(guān).普通家用冰柜控制方法為：當溫度高于某一數(shù)值時，壓縮機啟動開始制冷，直至低于某一溫度時壓縮機才停止工作.由于放置在冰柜內(nèi)的混凝土路面發(fā)熱和冰柜本身的散熱，使得冰柜內(nèi)部升溫較快，而降溫較慢，圖3b）、3c）、3d）中，電功率較大時這一現(xiàn)象更加明顯.各圖所呈現(xiàn)的基本規(guī)律為：A，B測溫點位于導電混凝土內(nèi)部，溫度最高，上升速度最快，升溫過程中兩點的溫度比較接近，表明導電混凝土層內(nèi)部發(fā)熱均勻.在電發(fā)熱后期，B點的溫度超過A點的溫度.由于表面與外界發(fā)生對流輻射換熱，表面溫度（F點）低于A，B測點溫度.C測點位于隔熱層以下，離導電混凝土層底部約2.5cm，C點溫度低于A，B點溫度，表明隔熱層有一定的阻熱效果.但是，C，D，E 等測點的溫度在400，500和600W／m2等作用下的溫度升高都在10℃以上，造成熱量的損失仍然較大.各測點的溫度呈現(xiàn)波動式的增加，特別是表面溫度在各功率作用下表現(xiàn)明顯，這種變化主要受到冰柜壓縮機循環(huán)啟動制冷的影響，壓縮機工作時向外排熱，引起面層內(nèi)各測點的溫度不繼續(xù)升高而是降低.但是，從各圖表面溫度的波動情況來看，隨導電混凝土電功率的增加波動性有減小的趨勢，說明導電混凝土電功率較大時能抗衡環(huán)境降溫的影響.

圖3 不同電功率作用下導電混凝土面層內(nèi)各測點溫度隨時間的變化

從圖3可以看出，在本文的模擬實驗環(huán)境下，導電混凝土電功率為300和400W／m2時混凝土面層的表面溫度在600min內(nèi)達到的最高溫度約為－2.5℃，升溫速度較慢.需要指出的是，電功率為300W／m2時初始溫度為－14.3℃，電功率為400W／m2時初始溫度為－16.2℃.而且，在通電中期以后，兩者所處的環(huán)境溫度也有差別：電功率為300W／m2時環(huán)境溫度在 －17～－11℃范圍內(nèi)，電功率為400W／m2時環(huán)境溫度在－19～－14℃范圍內(nèi).因此，400W／m2的升溫效果仍然高于400W／m2的升溫效果.另外，圖3a）中漏采了C測點的數(shù)據(jù)，從其它各圖的趨勢看，C點的溫度變化與F點接近.

比較圖3c）和3d），導電混凝土的電功率500W／m2時混凝土面層溫度在400min內(nèi)升到0℃以上，導電混凝土的電功率600W／m2時混凝土面層溫度在520min內(nèi)升到0℃以上.與300和400W／m2通電的情況類似，電功率為500W／m2時初始溫度為－16.2℃，電功率為600W／m2時初始溫度為－18.2℃.兩者試驗的環(huán)境溫度差別在于：電功率為500W／m2時環(huán)境溫度在 －17～－12℃范圍內(nèi)，電功率為600W／m2時環(huán)境溫度在－21～－15℃范圍內(nèi).另外，電功率為500 W／m2時，在通電后期各測點溫度基本保持平衡.電功率為600W／m2時，溫度還可繼續(xù)升高.因此，為滿足不同條件下混凝土面層升溫的需要，有必要使整個系統(tǒng)能夠自動提供多種功率，使得混凝土面層能應對復雜的環(huán)境.

圖4a）、4b）分別為混凝土面層表面覆3mm厚的冰，單位面積電功率為400和500W／m2時各測點的溫度隨時間變化的情況.圖4a）中，冰柜內(nèi)環(huán)境溫度在－10～－5℃的范圍內(nèi)波動，比圖3b）的溫度高，初始時各測點的溫度均低于環(huán)境溫度是由于該混凝土面層直接從另一更低的環(huán)境中進入.表面初始溫度為－15℃，通電440min左右表面3mm厚冰層基本化完.圖4b）中，試驗的環(huán)境溫度為－17～－10℃，表面初始溫度為－15℃，表面溫度升至0℃的時間約400min（與圖3c）接近），通電540min左右表面3mm厚冰層基本化完.在持續(xù)通電作用下，表面溫度保持在2～2.5℃之間.通過目測看到，與面層結(jié)合處的冰首先融化，在無外力作用時局部位置形成空洞，局部空洞擴大使冰層與混凝土面層脫離，冰層受面層四周聚苯板和混凝土接縫處未融化的冰支撐，最后通過輻射傳熱將冰層融化變成水蒸發(fā)掉.因此，實際測試中發(fā)現(xiàn)面層表面溫度在化冰期間并不總停留在0℃的冰點，路面溫度控制也應在2℃以上.

圖4 不同電功率作用下導電混凝土面層化冰時各測點溫度隨時間的變化

綜合化冰和升溫結(jié)果可得，路面結(jié)冰不超過3mm時，對于－10～－5℃的環(huán)境，單位面積設計電功率400W／m2比較適合；對于－15～－10℃的環(huán)境，單位面積設計電功率500W／m2比較適合；而對－20～－15℃的環(huán)境，單位面積設計電功率600W／m2比較適合.Tuan和Yehia在Roca Spur橋上采用導電混凝土的化雪試驗表明：氣溫在－7～－10℃時，單位面積的電功率為452W／m2可及時融化約10mm／h的降雪量.盡管化雪和融冰有所不同，但都需要把路面溫度升高到1～2℃.所以，本文圖4a）的結(jié)果與其比較接近.為降低電功率和能耗，在導電混凝土層與普通混凝土層之間實現(xiàn)良好的隔熱是今后要解決的關(guān)鍵問題，以盡可能地減少導電混凝土向下傳遞的熱量，增加電熱能的利用率.另外，實際工程中還需要多種功率的組合控制來減少能耗，如開始升溫時采用稍大的功率，以減少對流輻射損失，達到化冰溫度后采用較小的功率供電并維持表面溫度.化冰過程中，導電混凝土的電阻隨時間變化如圖5所示.

圖5 化冰過程中導電混凝土的電阻

從圖5中可以看輕骨料導電混凝土在通電條件下電阻值保持穩(wěn)定，受外界環(huán)境影響不大.而且，經(jīng)過若干次試驗，100h的通電后電阻仍然保持在10Ω.從穩(wěn)定上考慮，能夠提供道路融雪化冰所需要的穩(wěn)定電功率.

3 結(jié)束語

試驗研究表明，輸入電功率較大時，在相同的低溫、相同的時間內(nèi)面層表面溫度較高.在路面結(jié)冰不超過3mm且環(huán)境溫度分別為－10～－5℃，－15～－10℃，20～－15℃時，導電混凝土層基本滿足要求的輸入電功率分別應為400，500，600W／m2.炭黑輕骨料導電混凝土在多次通電過程中電阻穩(wěn)定，因而電功率穩(wěn)定.

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