超薄導電磨耗層除冰系統(tǒng)除冰工程應用

葉 罕， 袁銅森

(1. 湖南省永吉高速公路建設開發(fā)有限公司, 湖南 吉首 416000; 2. 湖南省交通科學研究院, 湖南 長沙 410015)

超薄導電磨耗層除冰系統(tǒng)除冰工程應用

葉 罕1， 袁銅森2

(1. 湖南省永吉高速公路建設開發(fā)有限公司, 湖南 吉首 416000; 2. 湖南省交通科學研究院, 湖南 長沙 410015)

冬季路面冰雪清除工作是保障交通暢通和行車安全的基礎。目前，路面冰雪清除主要采用人工清掃、機械清理、撒砂撒鹽等，效率低且不及時。在2016年初的“超級寒潮”期間，自主研發(fā)的新型主動除冰技術——超薄導電磨耗層主動抗冰系統(tǒng)在廈蓉高速(G72)汝郴段上寨特大橋試驗段成功應用，測試結果發(fā)現：當除冰熱負荷為140 W/m2，可維持路表溫度在1 ℃左右，足以清除路表溫度為-5 ℃，積雪厚度5～10 cm冰雪。超薄導電磨耗層主動抗冰系統(tǒng)可實現路面冰雪及時、快速、主動清除，大大提高了道路冰雪災害應急處理響應速度和安全保障能力，為道路除冰雪問題提出了全新的解決方案。

橋面除冰； 超薄導電磨耗層； 導電纖維布； 除冰系統(tǒng)； 現場測試

0 前言

隨著高速公路和橋梁建設的快速發(fā)展，高速公路網及其橋梁在國民經濟和社會生活中的作用越來越重要，但是冬季橋梁冰雪狀況是影響高速公路交通安全，造成高速公路交通事故的一個重要因素。資料表明：正常干燥瀝青路面的摩擦系數為0.6，雨天路面摩擦系數降為0.4，雪天則為0.28，結冰路面只有0.18，結冰路面汽車制動距離為正常道路的6～7倍，極容易造成交通事故[1-3]。冬季路面積雪結冰會導致交通堵塞，車輛制動距離增大，從而引發(fā)車輛發(fā)生打滑側翻或追尾等事故。

冬季降雪通常會以浮雪、積雪和結冰3種形式滯留于路面，其中積雪和結冰對交通安全影響最為顯著。一直以來，人們都在探尋行之有效的融雪化冰的方法。目前，國內外處理路面積雪結冰的方法有清除法和融化法。其中，清除法和化學融化法都略顯被動且具有滯后性，對環(huán)境和路面結構也有一定的破壞。傳統(tǒng)清除路面積雪的方法主要是采用人工、機械鏟除或撒布融雪鹽等被動融冰雪技術，不僅勞動強度大，使用效果滯后，而且融雪鹽也對道路結構物、植被和生態(tài)環(huán)境等造成嚴重影響[4-6]。智能主動抗冰系統(tǒng)是近年來歐美等國率先研究的綜合性技術，是一種具有預見性的防冰技術，該系統(tǒng)集成應用監(jiān)測、自動控制、功能性材料等多學科理論與技術，以期實現路面冰雪狀態(tài)實時感知、預警信息及時發(fā)布、結冰預防處治、自動清除冰雪等環(huán)節(jié)的信息化和智能化，大大提高了道路冰雪災害應急處理的響應速度和安全保障能力。超薄導電磨耗層智能主動抗冰系統(tǒng)由路面狀態(tài)感知子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)、路面發(fā)熱子系統(tǒng)等組成。路面發(fā)熱子系統(tǒng)以導電纖維布作為導電層，研制出具有導電、抗滑功能的超薄磨耗層(5～10 mm)，采用低電壓通電加熱方式實現路面冰雪快速融化。

1 超薄導電磨耗層除冰系統(tǒng)設計

超薄導電磨耗層除冰系統(tǒng)的核心為超薄導電磨耗層，該層由隔熱粘結層、導電層以及磨耗層組成，如圖1所示。隔熱粘結層主要由雙組份環(huán)氧樹脂及石灰粉組成，環(huán)氧樹脂A組分用量25%～35%，環(huán)氧樹脂B組分用量為40%～55%，石灰粉的用量為3.6%～10%。將石灰粉與環(huán)氧樹脂A組分混合并攪拌均勻后加入環(huán)氧樹脂B組分再次攪拌至均勻。

已有研究表明，碳纖維布具有良好的導電性能[7-10]，因此本方案采用導電纖維布作為導電層，纖維布的裁剪寬度設計為1 m，長度可根據融冰熱負荷確定，融冰熱負荷越高，電極間距越小，纖維布長度越短。沿導電碳纖維布的長度方向兩側安裝銅片電極，電極寬度4～6 cm，厚度0.03～0.08 mm，導電碳纖維布與電極的固定方式為鉚接，鉚接孔間距5～10 cm。導電纖維布采用環(huán)氧樹脂與隔熱粘結層連接。

圖1 超薄導電磨耗層(單位：mm)

磨耗層采用雙組份環(huán)氧樹脂與黑剛玉磨耗碎石混合組成，其中環(huán)氧樹脂A組分用量15%～25%，環(huán)氧樹脂B組分用量為30%～40%，黑剛玉磨耗碎石的用量為50%～55%，玄武巖碎石粒徑3～4 mm。施工過程中先在安裝好的碳纖維布表面均勻涂刷2～3 mm厚的環(huán)氧樹脂混合料，再均勻撒鋪黑剛玉磨耗碎石保護層。黑剛玉磨耗碎石的厚度控制在1～3 mm，隨之將表面完全覆蓋，并充分壓平。

環(huán)氧樹脂隔熱粘層有效地減少了熱量向底層傳遞，導電碳纖維布層具有價格較低、發(fā)電阻小、熱效率高的優(yōu)點，磨耗層有效地滿足了路面行車的抗滑耐磨損要求。導電碳纖維布整體層較薄，具有施工靈活的優(yōu)點，可適用于新建道路或已通車道路，提高路面行車安全性能。

2 試驗段實施

據調查，湖南省郴州市廈蓉高速(G72)上寨特大橋隧道入口處在每年冰凍季節(jié)都會先于其它路段結冰，主要原因是： ①場地海拔較高，處于山谷之間，受地形地貌影響風速高且濕度大； ②在隧道入口處由于內外溫差較大，即使沒有降水過程，水汽也極易積聚、結冰，加之行駛車輛經過隧道口時會產生“黑洞”或“白洞”現象，使駕駛員視線、反應能力等急劇下降，由此容易引發(fā)交通事故。因此超薄導電磨耗層除冰系統(tǒng)試驗段選擇在上寨特大橋右幅(天鵝塘隧道入口)實施，該位置橋面鋪裝結構層為6 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-20C)+4 cmSBS改性瀝青瑪蹄脂碎石(SMA-13)。導電纖維布磨耗層試驗段總長度為8 m，電極間距為2 m，共布置3個區(qū)。試驗段平面布置如圖2所示。

圖2 導電纖維布磨耗層試驗段平面布置圖

導電膠水磨耗層，由下至上依次分為：隔熱粘結層、電極、導電膠水層、磨耗層。隔熱粘結層的設計厚度為2 mm、導電膠水層設計厚度5 mm、磨耗層設計厚度3 mm。施工過程如圖3所示。

a)隔熱粘結層施工b)電極布置

c)纖維布鋪設d)人工拋灑碎石

e)試驗段竣工后效果圖

3 試驗段除冰效果測試

鋪設完畢，待膠水干燥后，對其電阻進行了3次測試，測試時間分別為2015年2月(施工完畢7 d，地面溫度5 ℃)，2015年7月(夏天，地面溫度38 ℃)，2016年1月(冬天，地面溫度2 ℃)，測試結果表明電阻基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后的電阻如表1所示。各試驗區(qū)的平均電阻約為0.67 Ω，單個試驗區(qū)的寬度為3.5 m，長度為2 m，試驗區(qū)面積為7 m2，供電電壓為24 V，計算得到試驗區(qū)的平均功率為142.6 W/m2(2016年實測結果)。

2016年1月23日～24日，“超級寒潮”來襲，試驗段所在區(qū)域出現了大范圍降雪、結冰現象。24日晚，廈蓉高速(G72)汝郴段積雪深度5～10 cm，并伴有2～3級偏北大風，過程降溫幅度達6～8 ℃，橋面溫度為在-5～0 ℃之間，導致沿線大部分道路、橋梁出現結冰現象，高速臨時封閉。但超薄導電磨耗層除冰系統(tǒng)表現良好，通過其智能控制系統(tǒng)，準確、及時地啟動了導電系統(tǒng)，使得試驗段路表溫度維持在1 ℃左右?！俺壓薄眮硪u期間，試驗段區(qū)域完全沒有出現積雪、結冰現象，現場狀況如圖4所示。

表1 試驗區(qū)電阻實測結果

圖4 超薄導電磨耗層主動抗冰系統(tǒng)除冰效果照片

可以發(fā)現：超薄導電磨耗層除冰系統(tǒng)實現了路面冰雪及時、快速、主動清除，大大提高了道路冰雪災害應急處理響應速度和安全保障能力，為道路除冰雪問題提出了全新的解決方案。

4 結論及展望

冬季路面冰雪清除工作是保障交通暢通和行車安全的基礎。目前，路面冰雪清除主要采用人工清掃、機械清理、撒砂撒鹽等，效率低且不及時。超薄導電磨耗層智能主動抗冰系統(tǒng)為道路除冰雪問題提出了全新的解決方案。通過對超薄導電試驗段的施工及運營可得出以下結論：

1)由路面狀態(tài)感知子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)、路面發(fā)熱子系統(tǒng)等組成的超薄導電磨耗層智能主動抗冰系統(tǒng)能實現路面冰雪及時、快速、主動清除，保證冰雪天氣的交通安全。

2)當除冰熱負荷為140 W/m2，可維持路表溫度在1 ℃左右，足以清除路表溫度為-5 ℃、積雪厚度5～10 cm冰雪。

結合試驗段的實施及1 a多的運營情況，該系統(tǒng)還可作如下改進：

1)進一步優(yōu)化導電纖維布的布置方式，減少設計功率，可考慮僅在采用輪跡帶區(qū)域布置纖維布，這樣可使供電功率減少40%。

2)導電纖維布與電極的連接方式值得進一步研究，建議纖維布與電極的固定采用工廠預制的方式，并采用緩凝型膠水粘貼纖維布。

3)環(huán)氧樹脂基磨耗層低溫施工時固化時間較慢，在溫度約6 ℃時，環(huán)氧樹脂的初步固化時間約需12 h，完全固化時間需至少3 d；建議采用非環(huán)氧基的材料作為磨耗層的粘結劑，建議采用目前應用較廣的丙烯酸酯聚合物溶液+碎石的組合。

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