路面融雪化冰模型裝置試驗(yàn)研究

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(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安　710065；　2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)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(yàn)研究

王宇軍1常睿2岳衛(wèi)民3

(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安710065；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.西安公路研究院，陜西 西安710054)

摘要：針對(duì)路面融雪化冰現(xiàn)象，建立了一個(gè)小型道路融雪化冰試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)不同部位溫度變化情況，分析了熱量在混凝土中的傳導(dǎo)規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度場(chǎng)、上表面溫度分布和升溫規(guī)律、預(yù)熱時(shí)間融雪效果進(jìn)行了理論研究，為道路融雪化冰提供參考和依據(jù)。

關(guān)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(chē)輛有良好的動(dòng)力性和安全性，在冰雪天氣條件下運(yùn)輸效率非常低，引發(fā)的交通事故不但威脅司乘人員的生命安全，而且會(huì)嚴(yán)重破壞交通設(shè)施及車(chē)輛，給建設(shè)單位帶來(lái)非常大的經(jīng)濟(jì)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(guó)外道路熱源融雪化冰技術(shù)領(lǐng)域，日本、美國(guó)、北歐等國(guó)家開(kāi)展了許多工程研究和實(shí)踐。比如利用豐富的地?zé)崴Y源，冰島國(guó)推廣道路融冰雪工程應(yīng)用；在芝加哥O’Hare國(guó)際機(jī)場(chǎng)的滑行跑道SNOW FREE融冰雪示范試驗(yàn)工程中，人們開(kāi)展了循環(huán)熱流體和熱管傳遞等方式的融雪路面研究。我國(guó)在這方面還處在初步階段，除了融化法等傳統(tǒng)的方法，也研究了能量轉(zhuǎn)化型的方法，比如利用發(fā)熱電纜的工程實(shí)踐——橋梁坡道融雪以及導(dǎo)電鋪面融冰雪技術(shù)等。

上述各融雪化冰技術(shù)存在不同程度的不足，比如造價(jià)高，能源利用率低等，所以，本文建立了小型道路融雪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析熱量在混凝土中的傳導(dǎo)規(guī)律，并對(duì)結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度場(chǎng)、上表面溫度分布和升溫規(guī)律、預(yù)熱時(shí)間融雪效果進(jìn)行了理論研究。

1模型設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)備六根φ2 mm、長(zhǎng)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(nèi)串聯(lián)，兩組之間并聯(lián)后接到高頻電源控制板上。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

1)試驗(yàn)1。澆筑混凝土前通電加熱，測(cè)得高碳鋼絲表面溫度，并記錄此時(shí)高頻電源輸出電流及功率。每根高碳鋼絲設(shè)置三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其分布如圖2所示，通電后各測(cè)點(diǎn)的溫度值如表1所示。

由表1可知：a.各測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；b.由于各加熱棒之間屬于串聯(lián)關(guān)系，因此各加熱棒之間溫度的變化規(guī)律相似；c.根據(jù)電磁關(guān)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(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度變化遠(yuǎn)大于1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度變化。

2)試驗(yàn)2。澆筑混凝土后通電加熱，考慮到太陽(yáng)光照射對(duì)混凝土塊溫度的影響，試驗(yàn)安排在夜間進(jìn)行，分別選擇路面及另一塊沒(méi)有預(yù)埋加熱裝置的混凝土塊進(jìn)行測(cè)溫。預(yù)定的試驗(yàn)塊測(cè)溫點(diǎn)分布如圖3所示，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：

a.表面5個(gè)測(cè)點(diǎn)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(shí)間的增加，混凝土蓄熱達(dá)到一定程度，溫度傳遞到試件表面時(shí)，表面的溫度變化主要受通電時(shí)間和通電電流的影響。b.內(nèi)部4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化為增大，究其原因是測(cè)點(diǎn)與加熱裝置處于同一平面，溫度變化主要受加熱時(shí)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(guò)程中部分熱能被混凝土吸收。

2實(shí)體工程模擬試驗(yàn)

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(jìn)行試驗(yàn)。

2.1溫度傳感器的布置

為準(zhǔn)確測(cè)量加熱裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的溫度傳導(dǎo)規(guī)律，在試件中共布置28個(gè)PT100溫度傳感器，在試件高度方向上布設(shè)4層，每層布設(shè)7個(gè)PT100溫度傳感器，如圖4，圖5所示。

2.2試驗(yàn)結(jié)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(dá)到與周?chē)粶囟?，其表面情況如圖6所示。根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，在理想條件下與發(fā)熱源等距離位置的溫度應(yīng)相同，將同一時(shí)段、同一層面的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理，結(jié)果見(jiàn)圖7，圖8。

通過(guò)不同層面的溫度變化發(fā)現(xiàn)，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(shuō)明了在計(jì)算過(guò)程中，距離越遠(yuǎn)的地方等溫面積越大，D層的溫度平均值最低。

結(jié)構(gòu)層內(nèi)只有導(dǎo)熱過(guò)程，且只有在環(huán)境溫度與加熱功率確定時(shí)發(fā)生。其中，因?yàn)锽層與加熱裝置在同一層面，加熱過(guò)程初始階段，溫度上升；結(jié)構(gòu)層內(nèi)傳熱溫差隨溫度升高逐漸縮小，同時(shí)增加了表面對(duì)外散熱。

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)路面融雪化冰現(xiàn)象，建立了一個(gè)小型道路融雪化冰試驗(yàn)系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

1)融雪裝置的溫度分布規(guī)律隨著距加熱源越近、溫度越高，以加熱裝置中心為準(zhǔn)，規(guī)律沿著絲徑方向開(kāi)始變化；路面隨著加熱時(shí)間的增加，在結(jié)構(gòu)層里，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)逐漸穩(wěn)定升溫，隨后溫度趨向于平衡。2)受融化進(jìn)程影響測(cè)點(diǎn)溫度變化特性的預(yù)熱階段各測(cè)點(diǎn)逐漸升溫；在融化階段，冰層測(cè)點(diǎn)融化實(shí)際變化與溫度曲線變化形態(tài)相同，但是結(jié)構(gòu)層升溫并逐漸減慢；在融盡階段時(shí)，逐漸升高冰層測(cè)點(diǎn)溫度，結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定升溫。3)在融冰結(jié)束時(shí)，水膜蒸發(fā)出現(xiàn)在路面層上的過(guò)程中，路面層溫度迅速下降的原因是周?chē)罅繜崃勘徽舭l(fā)，這樣曲線就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凹形；同時(shí)也影響路面層以下的附近結(jié)構(gòu)層，這樣溫度曲線就會(huì)使各測(cè)量點(diǎn)在融盡點(diǎn)附近出現(xiàn)不同的下凹、平緩現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

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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(hào)：1009-6825(2016)14-0128-02

收稿日期：2016-03-04

作者簡(jiǎn)介：王宇軍(1975- )，男，碩士，高級(jí)工程師

中圖分類號(hào)：U416

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A