基于道路除冰的導(dǎo)電超薄磨耗層性能試驗(yàn)研究

田迎軍，劉文江，鄭輝，孫大志，陳杰*

(1.山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250000；2.山東交通學(xué)院 道路安全、應(yīng)急與減災(zāi)技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南250357；3.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南株洲412007)

0 引言

降雪通常會以浮雪、積雪和結(jié)冰3種形式滯留于路面，其中積雪和結(jié)冰對交通安全影響最為顯著。資料表明，結(jié)冰路面汽車制動距離是干燥路面的6～7倍，且易造成車輛打滑或側(cè)翻[1-2]，路面積雪結(jié)冰時(shí)造成的事故是干燥路面的5～10倍。2008年初，低溫凍雨冰雪天氣襲擊我國南方大部分地方，當(dāng)時(shí)采用簡單、非專業(yè)設(shè)備未能及時(shí)清除路面冰雪，造成大量交通事故和人員傷亡，多條高速公路封閉。如何實(shí)現(xiàn)高速公路積雪結(jié)冰路面的自動、及時(shí)清除，已經(jīng)成為保障交通通暢和行車安全的迫切需要和必然要求[3-6]。

各國對處理路面積雪結(jié)冰問題作了大量研究，形成一整套較為成熟的做法，如人工清掃、機(jī)械清除、撒鹽融化、撒砂抗滑等[7-10]，但這些被動技術(shù)措施都有滯后性，不利于高速公路的快速通行。路面主動破冰除雪技術(shù)尚處于研究和試驗(yàn)應(yīng)用階段，其中熱力融冰雪技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)和發(fā)展方向，尤其在橋面、彎道、隧道進(jìn)出口等特殊路段極具應(yīng)用價(jià)值。電加熱熱力除冰雪技術(shù)最具技術(shù)可行性，已在北歐和我國新疆、黑龍江等地的工程應(yīng)用[11-15]。但是，此項(xiàng)技術(shù)仍存在諸多問題，如：地?zé)峁芊ǔ跗谕顿Y較大，安裝與建造過程繁雜，且耐久性較差；發(fā)熱電纜易被行車荷載壓壞，不易維修；導(dǎo)電混凝土法耗電量較大，加熱融冰成本較高，而且此類路面的修復(fù)問題也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。最嚴(yán)重的是，導(dǎo)電混凝土電阻率較大，只能使用大電壓供電，一旦路面漏電，將會造成嚴(yán)重的安全事故與經(jīng)濟(jì)損失；地?zé)峁芊?、發(fā)熱電纜法以及導(dǎo)電瀝青混凝土法只能用于新建公路，對已修建公路不具備推廣條件；埋入式的電纜、鋼管可能引起應(yīng)力集中，破壞路面結(jié)構(gòu)；現(xiàn)有的電加熱方式基本上是對路面整體加熱，熱效率較低[16-19]。

為快速、高效、安全地清除路面結(jié)冰積雪，本文研發(fā)一種基于導(dǎo)電超薄磨耗層的路面熱力除冰雪系統(tǒng)，由導(dǎo)電相材料(如石墨、碳纖維等)及黏結(jié)料組成導(dǎo)電功能層加細(xì)碎石鋪設(shè)的磨耗層構(gòu)成路面結(jié)構(gòu)層，研究重點(diǎn)圍繞導(dǎo)電超薄磨耗層中的導(dǎo)電功能層材料組成進(jìn)行，力求使磨耗層的電阻率滿足融冰雪要求。

1 原材料

1.1 導(dǎo)電相材料

石墨本身具有滑膩性，混合時(shí)易于均勻分散，如圖1所示。與金屬導(dǎo)電材料相比，石墨具有抗腐蝕、耐酸耐堿等優(yōu)點(diǎn)；與具有相似特性的其他材料(如碳黑)相比，石墨又有更好的導(dǎo)電性能，其分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。石墨作為導(dǎo)電填料在很多領(lǐng)域已經(jīng)得到比較成熟的應(yīng)用，其主要性能如表1所示。

圖1 石墨(2000目) 圖2 石墨分子結(jié)構(gòu)

密度/(g·cm-3)粒徑/μm碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%電導(dǎo)率/(S·m-1)2.1～2.315098.90.20.033.2×105

研究表明，短切碳纖維是制備路面除冰用導(dǎo)電混凝土的一種理想導(dǎo)電組分材料。碳纖維是一種由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合碳，束狀碳纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3所示。碳纖維耐高溫，耐摩擦，耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定以及導(dǎo)熱、導(dǎo)電等特性較好，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般較高，在95%以上。制作導(dǎo)電超薄磨耗層的過程中涉及攪拌工藝，碳纖維長度越長，攪拌過程中的打結(jié)和結(jié)團(tuán)現(xiàn)象就越嚴(yán)重[20-23]，因此碳纖維需經(jīng)過短切工藝處理，處理后形態(tài)如圖4所示，其性能參數(shù)如表2所示。

1.2 黏結(jié)材料

耐高溫金屬、陶瓷等的膠接主要使用環(huán)氧樹脂為基的雙組分耐高溫膠粘劑，其工作溫度為-50～+180 ℃，短時(shí)可達(dá)+250 ℃，黏結(jié)性較好，可牢固地敷設(shè)于道路表面，具有良好的路用性能。因此，試驗(yàn)采用A、B膠的體積比為2︰1的環(huán)氧樹脂作為導(dǎo)電覆層的主體黏結(jié)材料。

圖3 束狀碳纖維 圖4 短切碳纖維

單絲直徑/μm抗拉強(qiáng)度/GPa抗伸模量/GPa碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%伸長率/%密度/(g·cm-3)外觀體積電阻率/(Ω·cm)7.0～10.03.6～3.8240～280≥ 951.51.6～1.76灰黑色1.5×10-3

1.3 磨耗層材料

導(dǎo)電超薄磨耗層中的導(dǎo)電功能層主要由環(huán)氧樹脂膠和導(dǎo)電相組分組成，強(qiáng)度較低，難以承受交通荷載作用。因此，在導(dǎo)電功能層表面鋪撒一層磨耗碎石，以起到抗磨耗和分散應(yīng)力的作用。初步設(shè)計(jì)導(dǎo)電超薄磨耗層厚度<10 mm，那么選用磨耗碎石粒徑范圍為2～5 mm，加之碎石應(yīng)具有良好的硬度和耐磨性能，因此本研究中選用粒徑2～3 mm的黑剛玉作為磨耗層碎石材料。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 設(shè)計(jì)理論

圖5 超薄導(dǎo)電磨耗層

除冰系統(tǒng)的核心為超薄導(dǎo)電磨耗層，主要作用是在通電過程中發(fā)熱來提高路表溫度，最終將冰雪融化。該層由隔熱黏結(jié)層、導(dǎo)電發(fā)熱層以及抗滑磨耗層組成，如圖5所示。隔熱黏結(jié)層起到與下承層牢固黏結(jié)、阻隔熱量向下傳導(dǎo)的作用；導(dǎo)電功能層電阻小，具備電-熱轉(zhuǎn)變能力，24 V電壓下即可發(fā)熱，可采用導(dǎo)電膠水(如石墨、短纖維等)、碳纖維布等材料；抗滑磨耗層有抗滑、保護(hù)功能，具有豐富構(gòu)造深度和抗滑能力。導(dǎo)電磨耗層直接鋪設(shè)在瀝青面層，適用于已建或新建路面。

導(dǎo)電功能層的導(dǎo)電性能決定了發(fā)熱效率，發(fā)熱功率

P=UI=U2/R

，

(1)

式中：U為外加電壓；I為導(dǎo)電功能層內(nèi)通過的電流；R為導(dǎo)電功能層的電阻，R=ρl/s，其中ρ為導(dǎo)電功能層的電阻率，l為外加電極之間的距離，s為與導(dǎo)電功能層接觸處的電極橫截面面積。

由式(1)可得：

P=U2s/(ρl)

。

(2)

由式(2)可知，當(dāng)導(dǎo)電功能層的幾何尺寸及電極位置確定，導(dǎo)電功能層的發(fā)熱功率與電阻率有關(guān)，電阻率越小，發(fā)熱功率越大，由電熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)可知單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量也越多，進(jìn)而融雪化冰效果越好。當(dāng)導(dǎo)電功能層的電阻率一定時(shí)，電極的設(shè)計(jì)、電極的距離也會影響導(dǎo)電功能層的發(fā)熱功率。因此，導(dǎo)電功能層的發(fā)熱性能可以通過電阻率和電極位置設(shè)置進(jìn)行控制。

2.2 制備工藝

在環(huán)氧樹脂膠中加入碳纖維和石墨，制得電導(dǎo)率滿足導(dǎo)電性能要求的導(dǎo)電功能層。在導(dǎo)電功能層的表面鋪設(shè)黑剛玉磨耗碎石制成導(dǎo)電超薄磨耗層整體。經(jīng)過對導(dǎo)電功能層的反復(fù)攪拌、涂刷試驗(yàn)，以及對黑剛玉磨耗碎石表面分布工藝過程的研究，得到制備超薄導(dǎo)電磨耗層的合理工藝，制備步驟如下。

1)原材料的準(zhǔn)備。將石墨粉放至干燥箱中進(jìn)行烘干處理，避免石墨粉在攪拌前因潮濕結(jié)團(tuán)，影響其攪拌時(shí)的分散效果。短切碳纖維必須采用優(yōu)質(zhì)聚丙烯腈經(jīng)過空氣預(yù)氧化工藝，在高純度的惰性氣體中，溫度在1000～1800 ℃時(shí)碳化而得。黑剛玉磨耗碎石應(yīng)進(jìn)行水洗烘干處理，使表面干燥潔凈，以確保可與環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)牢固。

2)按照所需比例對導(dǎo)電組分和環(huán)氧A、B膠進(jìn)行稱重備用。將石墨和短切碳纖維分別加入到環(huán)氧樹脂膠A、B組分中并不斷攪拌至均勻混合，將攪拌均勻的環(huán)氧樹脂膠A、B組分混合在一起，再次攪拌至均勻混合。

3)將第2步得到的導(dǎo)電混合物涂刷于路面(或試驗(yàn)室中用車轍板)上，涂刷厚度約為6 mm，在涂刷過程中應(yīng)保證導(dǎo)電功能層平整無坑洞。

4)在導(dǎo)電功能層表面涂刷環(huán)氧樹脂膠，并在涂刷完畢后立即采用滿布撒鋪法鋪設(shè)黑剛玉碎石。

圖6 超薄導(dǎo)電磨耗層橫切面

5)待導(dǎo)電超薄磨耗層完全固化后，掃除表面多余黑剛玉碎石。超薄導(dǎo)電磨耗層的剖切結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.3 電極設(shè)計(jì)

電極是導(dǎo)電超薄磨耗層的重要組成部分，在測量導(dǎo)電體系的電阻率時(shí)，電極處存在一定大小的接觸電阻，這不僅使整個(gè)體系的測量電阻率增大，還會消耗一部分電能，降低導(dǎo)電體系的發(fā)熱功率。因此，要制備出導(dǎo)電性能和發(fā)熱效率良好的導(dǎo)電超薄磨耗層，就必須采取措施，盡量減小電極間的接觸電阻。1)將電極與體系的接觸面進(jìn)行仔細(xì)地拋光與打磨，以增大其接觸面積。2)涂布高導(dǎo)電性粉末狀物質(zhì)(如銀粉)，填充體系與電極之間的微小孔隙，使二者能夠緊密接觸。3)施加壓力，使得電極與導(dǎo)電體系之間的接觸更為緊密。4)在條件允許的情況下，可采用導(dǎo)電液體電極或模壓金屬電來降低接觸電阻。

表3各種電極的電阻

材料電阻/Ω電阻率/(μΩ·m)銅絲58.070.17銅片35.310.11銅棒30.610.09

考慮到在所研究的導(dǎo)電體系表面涂布高導(dǎo)電性銀粉成本極高，而施加壓力又可能使還未凝固的復(fù)合導(dǎo)電體系發(fā)生幾何形變，對電導(dǎo)率產(chǎn)生間接影響，故選擇將電極表面進(jìn)行打磨拋光的方法來減弱接觸電阻的影響。以電阻率極小的紫銅為基本材料，選取長度相同的銅絲，銅片以及銅條分別作為電極進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。

由表3可知：3種電極的接觸電阻依次為銅絲>銅片>銅條；不同電極條件下導(dǎo)電體系的發(fā)熱效率依次為銅絲<銅片<銅條?？紤]到銅片狀電極易于布設(shè)施工且與銅棒電極電阻率相差不大，本文選用經(jīng)過拋光打磨后的銅片作為導(dǎo)電超薄磨耗層的電極。

圖7 電阻率隨碳纖維長度的變化曲線

2.4 試驗(yàn)

環(huán)氧樹脂膠導(dǎo)電性能很差，可以看作絕緣體，加入碳纖維和石墨后可使其具有一定的導(dǎo)電性能。首先探討碳纖維長度對導(dǎo)電性能的影響，然后在環(huán)氧樹脂膠中按照不同摻量加入石墨和碳纖維，研究2種導(dǎo)電組分摻量對環(huán)氧樹脂膠導(dǎo)電性能的影響規(guī)律，從而得到各因素的最佳狀態(tài)，確定滿足路面融雪化冰要求的最佳配比。導(dǎo)電超薄磨耗層電阻率隨碳纖維長度的變化曲線如圖7所示。

從圖7可以看出：隨著碳纖維長度的增大，導(dǎo)電發(fā)熱層的電阻率先減小后增大，石墨摻量為10%和15%時(shí)，電阻率均在碳纖維長2 mm時(shí)達(dá)到最小，石墨摻量為10%時(shí)最小電阻率為2.63 Ω·m，石墨摻量為15%時(shí)最小電阻率為1.35 Ω·m。原因是當(dāng)短切碳纖維長度小于2 mm時(shí)，碳纖維長度越短，相鄰碳纖維絲間越難搭接構(gòu)成導(dǎo)電通路；當(dāng)短切碳纖維長度大于2 mm時(shí)，碳纖維長度的增加使其容易在攪拌過程中結(jié)團(tuán)，在環(huán)氧樹脂膠中不易均勻分散，影響導(dǎo)電通路的形成。

相比其摻量的影響，碳纖維長度對材料電阻率的影響可以忽略不計(jì)，故不再對長度影響下的峰值做具體探討，在隨后進(jìn)行的超薄導(dǎo)電磨耗層試驗(yàn)當(dāng)中，均選擇2 mm的短切碳纖維進(jìn)行對比研究。

圖8 電阻率與短切碳纖維摻量的關(guān)系曲線

短切碳纖維摻量對導(dǎo)電功能層電阻率的影響如圖8所示。

從圖8可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)導(dǎo)電功能層石墨摻量一定時(shí)，導(dǎo)電功能層的電阻率隨著短切碳纖維摻量的增加而減?。惶祭w維摻量小于1.5%時(shí)，電阻率減小速率較慢；摻量在1.5%～2.5%時(shí)電阻率減小速度變快；碳纖維摻量大于2.5%時(shí)，電阻率下降變緩且漸漸趨于穩(wěn)定。因此，2.5%的碳纖維摻量是電阻率變化速率快慢的分界點(diǎn)。

石墨摻量對導(dǎo)電功能層電阻率的影響如圖9所示。

圖9 電阻率與石墨摻量的關(guān)系曲線

從圖9可以看出：當(dāng)碳纖維摻量一定時(shí)，石墨摻量的增加可以有效降低導(dǎo)電功能層的電阻率；當(dāng)碳纖維摻量為1.0%時(shí)，石墨摻量從10%提高到25%，試件的電阻率由3.839 Ω·m降低至0.061 Ω·m；石墨摻量小于20%時(shí)，電阻率隨著石墨摻量的增加急劇減??；石墨摻量大于20%時(shí)，電阻率仍隨著摻量的增加而減小，但速率變慢。

3 結(jié)論

1)從導(dǎo)電性能和路用性能的角度提出了導(dǎo)電材料的性能要求，遴選出石墨和碳纖維作為導(dǎo)電相材料，環(huán)氧樹脂膠作為黏結(jié)材料，黑剛玉作為磨耗層材料。

2)不同石墨摻量材料的電阻率均在碳纖維長2 mm時(shí)達(dá)到最小值?？紤]到碳纖維長度對材料電阻率的影響較小，試驗(yàn)時(shí)選擇2 mm的短切碳纖維進(jìn)行對比研究。

3)導(dǎo)電功能層的電阻率隨著短切碳纖維摻量的增加而減??；碳纖維摻量小于1.5%時(shí)，電阻率減小速率較慢，摻量在1.5%～2.5%時(shí)電阻率減小速度變快；碳纖維摻量大于2.5% 時(shí)，電阻率下降變緩且漸漸趨于穩(wěn)定。碳纖維摻量為2.5%是電阻率的分界點(diǎn)。

4)當(dāng)碳纖維的摻量一定時(shí)，石墨摻量的增加顯著降低石墨-碳纖維復(fù)合體系的電阻率，石墨摻量小于20%時(shí)，電阻率隨著石墨摻量的增加急劇減小；石墨摻量大于于20%時(shí)，電阻率仍然隨著摻量的增加而減小，但速率變慢。

5)擬選用石墨摻量為25%，碳纖維摻量為4.0%作為超薄導(dǎo)電磨耗層的最佳配比?？紤]到銅片狀電極易于布設(shè)施工且與銅棒電極電阻率相差不大，選用經(jīng)過拋光打磨后的銅片作為電極。