吸波融冰混凝土路面升溫特性變化規(guī)律及影響因素

樊振陽 陳兵 王選倉? 李美鑫 原馳

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510000)

微波融冰技術(shù)具有高效率、低成本特點，又可減少對路面結(jié)構(gòu)的破壞，即將成為除冰技術(shù)發(fā)展新方向[1- 2]。其中微波融冰速率是制約融冰技術(shù)發(fā)展的首要因素[3]，國內(nèi)外許多學(xué)者對此展開研究。

David等[4]為了提升路面吸波升溫能力，提出了將鐵燧巖作為路面材料進行道路施工，并修筑了“微波路”；Gallego等[5]發(fā)現(xiàn)將鋼纖維作為瀝青混凝土中的微波吸收成分是可行的，加入瀝青混凝土質(zhì)量0.2%的10 mm長鋼纖維后，經(jīng)微波照射120 s，表面溫度可達140 ℃以上。焦生杰等[6- 7]采取仿真模擬進行了微波除冰雪效率影響因素研究；葉宏宇等[8]基于道路微波化冰機理，通過模擬與室內(nèi)試驗分析了微波頻率、微波輸出功率、微波導(dǎo)出口距路表距離、外界溫度、結(jié)冰厚度、結(jié)冰純凈度等因素對道路微波化冰效果的影響；關(guān)明慧等[9]通過室內(nèi)試驗研究了微波能量吸收率影響因素并初步研發(fā)了微波除冰設(shè)備；郭德棟等[10]通過室內(nèi)除冰試驗分析了磁鐵礦瀝青混凝土的微波除冰效率；康超鵬[11]將粉煤灰、羰基鐵粉、氧化鐵粉和磁鐵礦石摻加到水泥混凝土中，研究不同材料、不同摻量對混凝土力學(xué)性能及微波除冰效率的影響；王劍英等[12]基于微波吸收材料的吸波機理與影響因素，優(yōu)選羥基鐵粉、羥基鐵粉、四氧化三鐵、氧化鋁和膨脹石墨作為微波敏感涂層吸波材料，進行微波敏感涂層材料融冰試驗；高杰等[13]為進一步提高路面的微波融冰雪能力，研究了9種電磁波吸收材料的電磁特性，并分析了碳纖維、磁鐵礦石與鋼纖維用于路面微波除冰雪的研究進展，從發(fā)熱速率與經(jīng)濟性角度對比分析其應(yīng)用前景。

目前對于微波融冰的相關(guān)研究逐漸增多，大多集中在模擬及吸波材料優(yōu)選研究[14- 15]，但對吸波材料優(yōu)選、微波融冰影響因素及分析方法考慮不全面，研究結(jié)果成熟度不足。因此本研究探析了多種因素下的不同材料吸波混凝土路面升溫特性變化規(guī)律，結(jié)果可為后續(xù)微波融冰試驗及吸波道面結(jié)構(gòu)等方面的研究提供理論支撐。

1 原材料性質(zhì)

1.1 普通原材料

水泥為秦嶺牌P·C32.5 復(fù)合硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標見表1。砂子為普通河砂、表觀密度為2 548 kg/m3、細度模數(shù)為2.9、屬于Ⅱ 區(qū)中砂，拌和用水為自來水。

普通集料選用產(chǎn)自咸陽的普通石灰?guī)r集料，其具體性能見表2。粒徑選擇5～10 mm和10～20 mm的兩檔連續(xù)級配碎石，使用碎石場破碎的集料二次篩分，以保證其材料組成及級配的穩(wěn)定性。

表1 水泥基本性質(zhì)

表2 所用的普通碎石集料基本性質(zhì)

1.2 吸波集料及粉料

優(yōu)選出鋼渣、鋼纖維、鉛鋅礦渣、石墨粉及硫化鐵礦渣5種吸波集料及粉料。

鋼渣產(chǎn)自河北邯鄲鋼鐵廠，破碎后經(jīng)試驗室二次篩分使用5～20 mm連續(xù)級配鋼渣[16]；考慮水泥道面吸波混凝土實際工況，選擇銑銷工藝端鉤型鋼纖維；所采用鉛鋅礦渣產(chǎn)自甘肅白銀，經(jīng)試驗室二次篩分后使用10～20 mm連續(xù)級配；石墨粉購自石家莊華邦礦產(chǎn)品公司，所用石墨粉指經(jīng)膨化處理的膨脹石墨，未經(jīng)膨化的鱗片石墨因其在加熱狀態(tài)下會迅速膨脹，不能用于道面材料[17]；鐵礦渣選自安徽銅陵的低品位硫化亞鐵，粒徑主要包括5.0～10.0 mm、1.0～3.0 mm、0.3 mm 3種。如圖1-圖2所示。物理力學(xué)性能見表3-表7。

圖1 試驗用鋼渣、鋼纖維、鉛鋅礦渣及石墨

圖2 硫化亞鐵礦渣加工的規(guī)格集料

表3 鋼渣集料的基本物理力學(xué)性質(zhì)

表4 鋼纖維主要技術(shù)指標

表5 鉛鋅礦渣集料基本性質(zhì)

表6 所用石墨粉主要技術(shù)指標

表7 硫化鐵礦渣集料基本性質(zhì)1)

2 吸波道面混凝土成型及試驗方法

2.1 吸波混凝土成型

吸波集料可根據(jù)材料特性全部或部分替代普通石料的方式進行，以“等體積替代”為原則進行配合比設(shè)計[18]。鋼纖維應(yīng)控制摻量不超過3%，否則混凝土和易性較差。石墨粉應(yīng)以體積或質(zhì)量占比(非“替代”)的方式進行摻配。

針對水泥混凝土路面微波融冰需求，提出一體化表層、分層式薄層兩種吸波道面結(jié)構(gòu)[19- 20]。

吸波一體化表層結(jié)構(gòu)是將高效吸波組分均勻的鋪撒在混凝土表面，形成與面板混凝土結(jié)為整體的功能表層，即采用普通水泥道面配合比制備混凝土后一次澆筑振搗成型，初步抹平，待初凝后將已確定摻配比例的吸波材料均勻撒布至試件表面，使其與浮漿充分結(jié)合，形成高效吸波一體化道面結(jié)構(gòu)層，如圖3所示，共成型20 cm×20 cm×5 cm、20 cm×20 cm×8 cm、20 cm×20 cm×12 cm 3種尺寸鐵渣表層混凝土。一體化表層結(jié)構(gòu)選用不同規(guī)格鐵渣集料，粒徑組成為2.36 mm鐵渣+0.30 mm鐵渣,設(shè)計用量為6.0～6.5 kg/m2,2.36 mm與0.30 mm的組成比例為2∶1。鐵渣表層摻配方法是按組成比例均勻撒鋪在下承層混凝土試件表面。

對于分層式薄層結(jié)構(gòu)則按吸波層混凝土厚度3 cm考慮，采用不同吸波材料的混凝土配合比及吸波組分摻配比例見表8。

圖3 高效吸波一體化表層結(jié)構(gòu)試件剖面

表8 不同吸波組分下吸波混凝土配合比

分層式吸波薄層結(jié)構(gòu)具體實施方式是“兩種配比、分次入模、分層振搗”，即采用普通混凝土和吸波混凝土兩種材料分次入模，分步(層)振搗，即當下承層普通混凝土初凝成型后將表層吸波混凝土澆筑到試模中，兩次振搗成型。根據(jù)上述配合比，選用30 cm×30 cm×10 cm的車轍板試模，在試驗室拌制吸波混凝土并成型30 cm×30 cm×(5+3) cm試件。

吸波混凝土振搗成型后靜放2個晝夜，拆模后用濕布覆蓋，放置標準養(yǎng)護室養(yǎng)護14 d。

2.2 試驗方法及過程

測試環(huán)境溫度為室溫，微波頻率：2.45 GHz；入射功率：上方4個矩形波導(dǎo)共4 000 W。試件尺寸、波導(dǎo)口距離試件表面高度、試件干燥狀態(tài)、屏蔽條件根據(jù)后續(xù)分析進行調(diào)整。

測點布置：試件表面按照位置分布不同分為4種，測點序號分別為板中(1號)、板面(2-5號)、板角(6-9號)、板邊(10-13號)。板面測點根據(jù)試件尺寸不同分別布置，30 cm×30 cm試件取距中心點沿對角線方向12 cm處，20 cm×20 cm試件取距中心點沿對角線方向9 cm處，具體布置示意圖如圖4所示。

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圖4 試件表面測點布置示意圖

為便于試驗和數(shù)據(jù)分析，采用120 s每次的加熱循壞模式進行微波加熱試驗，每完成一次加熱，即取出試件用紅外測溫儀進行溫度測量。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 波導(dǎo)口距離對升溫特性的影響

使用不同數(shù)量普通混凝土立方體試塊墊在混凝土板下方進行調(diào)節(jié)，測試混凝土與波導(dǎo)口距離，研究距波導(dǎo)口距離15 cm、30 cm下不同類別混凝土板面升溫規(guī)律[21]，試驗過程如圖5所示，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，距離波導(dǎo)口15 cm比30 cm條件下，吸波混凝土可獲得更好的升溫效果，隨著加熱時間的延長，波導(dǎo)口距離不同造成混凝土升溫的差異逐漸增加。通過對板面溫度數(shù)據(jù)進行線性擬合得到其升溫速率如表9所示。

由表9可知，波導(dǎo)口距離從15 cm增加至30 cm后，4種吸波混凝土升溫速率分別降低30.7%、32.2%、32.2%和29.3%，表明諧振腔內(nèi)波導(dǎo)口距離的減小可以一定程度上提高混凝土試件表面的升溫速率。

圖5 波導(dǎo)口距離30 cm下微波加熱混凝土示意圖

圖6 不同波導(dǎo)口距離下4種典型吸波薄層混凝土板面測點溫度變化

表9 不同波導(dǎo)口距離吸波混凝土板面升溫速率

3.2 屏蔽狀態(tài)對升溫特性的影響

使用金屬鋁箔作為屏蔽材料粘貼在試件不同表面，得到自由、底屏、側(cè)屏、全屏(底面、側(cè)面均屏蔽)4種屏蔽狀態(tài)[22]，如圖7所示。

由于試驗材料種類較多，選取石墨混凝土進行試驗，分析屏蔽狀態(tài)對混凝土溫升的影響。試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，自由和底屏狀態(tài)下試件表面不同位置處溫差明顯大于側(cè)屏和全屏狀態(tài)；自由和底屏狀態(tài)下試件表面板角和板邊位置升溫較快，微波照射360 s后溫度較高，而側(cè)屏和全屏試件經(jīng)微波照射后板面溫度略高于板角和板邊；同等微波照射時間下底屏試件表面可達更高溫度。

圖7 屏蔽試件

圖8 不同屏蔽狀態(tài)下石墨混凝土表面升溫狀況

由圖9可知，不同屏蔽條件對吸波薄層混凝土試件表面不同位置的升溫速率影響是明顯不同的。由圖9(a)可知，板中心點處升溫速率側(cè)屏最高、全屏次之、自由和底屏較低，考慮中心點處測點數(shù)量單一、升溫速率相對較慢，試驗結(jié)果受吸波組分分布差異和測量手段的偶然誤差影響較大，故依據(jù)板中結(jié)果分析規(guī)律具有較大的局限性。由圖9(b)可知，板面測點處底屏狀態(tài)升溫速率最高，另外3種狀態(tài)速率結(jié)果相近。這是由于自由狀態(tài)下入射微波能量經(jīng)混凝土內(nèi)部吸收反射后仍有一部分能量會以透射的形式離開混凝土，而底面屏蔽后此部分微波能量便會反射再次進入混凝土內(nèi)部，從而被二次利用。因此進行吸波融冰道面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，有必要在吸波層下方設(shè)置微波屏蔽層，以有效提升吸波道面的融冰效率。由圖9(c)和9(d)可知，底面屏蔽下升溫速率明顯高于其他屏蔽條件，而側(cè)屏和全屏條件下升溫速率最低。板邊、板角均位于試件邊緣，當側(cè)面屏蔽后直接減少了此處接收的微波能量，故側(cè)屏、全屏狀態(tài)下這兩處測點升溫速率明顯低于底屏、自由狀態(tài)。

圖9 不同屏蔽狀態(tài)下幾種吸波薄層混凝土的升溫速率

根據(jù)上述分析得知，在吸波道面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計中，吸波層下方設(shè)置微波屏蔽層可有效提高道面表面的升溫速率。另一方面，對吸波道面材料試驗研究時有必要根據(jù)實際結(jié)構(gòu)組合下的工作狀態(tài)合理設(shè)置屏蔽狀態(tài)，如對設(shè)置屏蔽層的吸波道面宜采用全屏狀態(tài)、對吸波層下無屏蔽層的吸波道面結(jié)構(gòu)宜采用側(cè)屏狀態(tài)。

3.3 混凝土厚度對升溫特性的影響

以鐵渣吸波表層結(jié)構(gòu)為試驗對象，5、8 和12 cm厚度鐵渣表層混凝土分別在側(cè)屏、全屏和底屏狀態(tài)下的表面升溫擬合結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，側(cè)屏和全屏狀態(tài)下不同厚度鐵渣表層混凝土試件表面僅板中位置的升溫速率差異較為明顯，其他位置處升溫差異較小，即側(cè)面屏蔽后厚度變化對板面吸波升溫的影響程度呈現(xiàn)中間高、四周低的規(guī)律，這是由于微波無法從側(cè)面入射減少了側(cè)面入射微波對試件表面升溫的干擾。由底屏下的板中和板面測點升溫速率得知，厚度5 cm試件可獲得最大的升溫速率，在板中位置處厚度8 cm比厚度12 cm試件升溫速率高，而在板面位置處厚度8 cm與厚度12 cm試件升溫速率相差無幾。這表明屏蔽層深度距表面大于8 cm時，吸波表層已無法有效利用底面反射微波能量。

因此，試件厚度增加會導(dǎo)致表面升溫速率降低，必然也會降低微波融冰效率。對于吸波水泥道面材料進行研究時，應(yīng)統(tǒng)一試件厚度以減少試驗偏差。通過對不同屏蔽狀態(tài)下吸波表層混凝土的升溫試驗研究，得到吸波道面結(jié)構(gòu)設(shè)計時反射屏蔽層距吸波層的距離應(yīng)小于8 cm，以使得表面吸波層獲得更好的吸波升溫效率。

圖10 不同厚度吸波表層混凝土表面的升溫速率

3.4 干濕狀態(tài)對升溫特性的影響

以鋼渣混凝土吸波薄層試件為試驗對象，開展干燥、潮濕和飽水3種狀態(tài)微波加熱試驗。采用板面4個測點實測數(shù)據(jù)分析干濕狀態(tài)對表面吸波升溫狀態(tài)的影響規(guī)律，線性擬合結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同干濕狀態(tài)下鋼渣混凝土板面的升溫試驗結(jié)果及擬合結(jié)果

由擬合結(jié)果可知，3種干濕狀態(tài)下鋼渣混凝土表面的吸波升溫速率存在較小的差異，干燥、潮濕及飽水狀態(tài)下混凝土表面的吸波升溫速率分別為0.195、0.162及0.152，表明隨著混凝土含水量升高表面吸波升溫速率會有所降低。與干燥狀態(tài)相比，潮濕狀態(tài)下升溫速率降低16.9%、飽水狀態(tài)下升溫速率降低22%。

3.5 結(jié)構(gòu)形式對升溫特性的影響

試驗條件：干燥、自由無屏蔽、入射功率4 000 W、h=45 cm和40 s×8次加熱方式。為分析一體化表層結(jié)構(gòu)與分層薄層結(jié)構(gòu)的升溫特性優(yōu)劣，選擇板角及板中5測點實測溫度作為擬合升溫特性模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究不同結(jié)構(gòu)形式試件的升溫速率[23- 24]。升溫速率預(yù)估方法為：通過混凝土表面溫度擬合曲線反向延長至-40 ℃，取-35 ℃對應(yīng)的坐標與微波照射時間為0 s時曲線坐標，求得兩坐標之間的斜率即為吸波混凝土升溫速率。預(yù)估擬合曲線如圖12所示。各混凝土表面升溫模型方程如表10所示。

圖12 吸波混凝土融冰工作溫度區(qū)間內(nèi)的升溫效率預(yù)估

表10 吸波混凝土表面升溫模型方程

不同類別吸波混凝土預(yù)估速率見表11。由表11可知，相對于普通混凝土，鐵渣表層吸波混凝土升溫速率平均提高了4倍，鋼渣混凝土提高了54%，鉛鋅礦渣混凝土提高了33%，鋼纖維混凝土提高了120%，石墨混凝土提高了42%，鋼纖維&石墨復(fù)摻混凝土提高了73%。故吸波一體化表層結(jié)構(gòu)升溫速率明顯高于摻有吸波組分的薄層混凝土結(jié)構(gòu)，即吸波表層結(jié)構(gòu)較分層式薄層結(jié)構(gòu)具有更加高效的融冰效率。

表11 吸波混凝土融冰工作溫度范圍升溫速率預(yù)估結(jié)果

4 結(jié)論

通過微波加熱試驗研究了波導(dǎo)口距離、屏蔽狀態(tài)、混凝土厚度、干濕狀態(tài)和結(jié)構(gòu)形式等因素對吸波混凝土表面升溫特性的影響規(guī)律，主要研究結(jié)論如下：

(1)波導(dǎo)口距離從15 cm增加至30 cm后，4種分層式吸波道面升溫速率分別降低30.7%、32.2%、32.2%和29.3%，表明波導(dǎo)口距離的減小可以一定程度上提高混凝土試件表面的升溫速率。

(2)以石墨混凝土為試驗對象，表明底屏、自由狀態(tài)下吸波混凝土試件升溫速率明顯高于側(cè)屏、全屏狀態(tài)。

(3)以不同厚度鐵渣表層混凝土為試驗對象，厚度5 cm試件可獲得最大的升溫速率，試件厚度增加會導(dǎo)致表面升溫速率降低。

(4)3種干濕狀態(tài)下鋼渣混凝土表面的吸波升溫速率存在較小的差異，隨著混凝土含水量升高表面吸波升溫速率仍會有所降低。

(5)吸波表層結(jié)構(gòu)升溫速率明顯高于摻有吸波組分的薄層混凝土結(jié)構(gòu)，吸波表層結(jié)構(gòu)較分層式薄層結(jié)構(gòu)具有更加高效的融冰效率。

(6)推薦吸波道面結(jié)構(gòu)為：1～2 cm高效吸波一體化表層+28～30 cm普通混凝土或1～2 cm吸波一體化表層+8～10 cm吸波混凝土(+微波屏蔽金屬網(wǎng))+18～20 cm普通(鋼纖維)混凝土。