多年凍土區(qū)機場跑道L型熱管+保溫板溫控技術(shù)

程國勇，馬少敏，楊依恒

（中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300300）

多年凍土的水熱平衡一旦遭到破壞就會出現(xiàn)嚴重退化，嚴重威脅地基的穩(wěn)定性及工程安全耐久性[1-3]。當前，多年凍土區(qū)公路和鐵路建設(shè)探索了許多行之有效的凍土保護及溫控措施，如通風管路基[4-6]、塊（碎）石路基[7]、熱棒[8-9]、遮陽板技術(shù)[10-11]、以橋代路[12]等。但與一般線路工程不同，機場跑道具有寬度大、荷載大、道基外土面區(qū)平整性要求高、跑道升降帶內(nèi)突出地面物體嚴格限制[13]等特點，這導致傳統(tǒng)凍土保護及溫控措施無法應(yīng)用于機場跑道。因此，需針對機場跑道特點及飛行區(qū)特殊要求探索新的凍土溫控方案。

目前，對L 型熱管溫控影響因素的相關(guān)研究并不多。董元宏等[14]通過有限元分析對有無L 型熱管兩種情況下的路基溫度場進行了對比分析，并驗證其降溫效果。楊永平等[15]對多年凍土區(qū)路基熱管合理傾斜角度進行了數(shù)值分析，得出不同傾斜角度下，路基中心邊坡下的凍土上限抬升值不同。樊云龍[16]對熱管路基進行了室內(nèi)實驗，分析了土層內(nèi)部溫度變化特征。李永強[17]分析了不同形式熱管路基的穩(wěn)定性，提出路基工程中熱管的合理布設(shè)位置。文獻[18]采用聚苯乙烯保溫材料在鐵路、公路和機場工程中進行了實驗研究及工程應(yīng)用，隔熱效果明顯。文獻[19]在加拿大北部伊努維克公路工程中開展了聚苯乙烯泡沫（EPS，expanded polystyrene）保溫材料實驗研究，分析了不同厚度保溫層下土層的熱融變形值。上述研究對L 型熱管的殼體材質(zhì)、蒸發(fā)段與冷凝段彎折角度、熱管蒸發(fā)段坡角、保溫板厚度和埋深等溫控影響因素并未進行分析。

基于以上研究分析，提出L 型熱管+保溫板新型凍土溫控技術(shù)。該技術(shù)將蒸發(fā)段傾斜設(shè)置在跑道中心下的熱核部位；同時將冷凝段安設(shè)在跑道兩側(cè)的排水溝內(nèi)且不高出地表，以滿足跑道升降帶地表平整、無固定凸起物體要求，為解決多年凍土區(qū)機場跑道的凍土地基保護問題提供了一種解決方案。通過采用室內(nèi)縮尺實驗在凍土實驗室內(nèi)進行實驗研究，分析不同對照實驗組下，L 型熱管+保溫板溫控措施關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對土基降溫效果的影響，驗證該技術(shù)在凍土道基中應(yīng)用的可行性，可為多年凍土區(qū)機場跑道溫控技術(shù)研究提供參考。

1 實驗簡介

1.1 實驗設(shè)備

凍土實驗室如圖1 所示。實驗室長8 m、寬7 m，實驗設(shè)備由控溫系統(tǒng)、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及實驗?zāi)Ｐ筒? 部分組成?？販叵到y(tǒng)為DWJ-10P 型凍土穩(wěn)定性實驗機，溫度控制范圍為-50 ℃～50 ℃，精度0.1 ℃。溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ENC12/14 數(shù)采機箱、AM16/32B 擴展版、109 型土壤溫度傳感器、9961 型溫度傳感器線纜、CR1000 數(shù)據(jù)采集器組成。溫度傳感器為熱敏電阻型傳感器，測溫范圍為-50 ℃～70 ℃，精度0.01℃。實驗?zāi)Ｐ筒鄢叽鐬?.9 m×1.9 m×1.1 m，模型槽置于實驗室中部，模型槽水平面與實驗室地面齊平，四周及底部采用絕熱材料來降低外界環(huán)境對土基溫度的影響。

圖1 凍土實驗室Fig.1 Permafrost laboratory

1.2 實驗方案

室內(nèi)實驗分為冷季實驗和暖季實驗。冷季實驗時長為4 個月，按一定溫度范圍控制實驗室環(huán)境溫度，實驗主要分為熱管殼體材質(zhì)實驗、熱管蒸發(fā)段坡角實驗、熱管彎折角度實驗；暖季實驗時長為2 個月，實驗主要分為保溫板厚度實驗和保溫最佳埋深實驗。溫度傳感器在模型槽內(nèi)每隔0.1～0.2 m 縱向設(shè)置，橫向間距根據(jù)實驗需要布置。在實驗過程中，參考東北地區(qū)年平均溫度作為環(huán)境溫度，同時將冷季和暖季的平均溫度、最低和最高溫度幅值作為參考值。

1.3 土質(zhì)參數(shù)

將實驗室槽中的土取9 組土樣，每組土樣取2 份，質(zhì)量為15 ～ 30 g，放入稱重盒。天平稱取總重，精度0.01 g，烘干土樣，繼續(xù)稱取土樣質(zhì)量，計算每個試樣的含水率，可得每組土樣的含水率平均值，最終，通過實驗可得9 組土樣的含水率為25.87%。

為計算土樣的濕密度和干密度，采用內(nèi)徑為0.08 m、高0.02 m 的環(huán)刀切取模型槽內(nèi)的土樣，土樣體積為1 ×10-4m3，環(huán)刀質(zhì)量為54.86 g，將土樣切削平整，放置在天平稱取總質(zhì)量為248.9 g，用總質(zhì)量減去環(huán)刀質(zhì)量，可得濕土總質(zhì)量為194.04 g。由土樣含水率為25.87%和濕密度及干密度計算公式[20]可得濕密度為1 940.40 kg/m3，干密度為1 541.59 kg/m3。

2 冷季實驗分析

根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的黑龍江地區(qū)氣溫資料，在1981—2010 年期間，月平均溫度在0 ℃以下的月份集中于9 月下旬至次年4 月，月平均最低溫度為-29.2 ℃，冷季實驗選取部分溫度段作為實驗溫度，調(diào)節(jié)溫度控制箱保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，模擬環(huán)境溫度。

2.1 L 型熱管殼體材料實驗

為驗證不同殼體材料L 型熱管降溫效果，將蒸發(fā)段埋置于土層，埋置熱管時彎折角（蒸發(fā)段與冷凝段夾角）統(tǒng)一取100°，坡角（蒸發(fā)段與水平面夾角）取45°，工質(zhì)為氨，蒸發(fā)段長度取1.5 m，冷凝段長度取1 m，管徑取24 mm，實驗周期為7 d，設(shè)定實驗環(huán)境溫度為-5 ℃和-25 ℃。比較工業(yè)純鋁、Q235 碳素鋼、304 不銹鋼3 種不同殼體材料的降溫效果，如圖2 和圖3 所示。

圖2 -5 ℃下土層溫度變化曲線Fig.2 Change of soil temperature at-5 ℃

圖3 -25 ℃下土層溫度變化曲線（材料實驗）Fig.3 Change of soil temperature at-25 ℃(material experiment)

從圖2 和圖3 可知，在-5 ℃和-25 ℃實驗環(huán)境溫度下，3 種不同殼體材料降溫效果不同，工業(yè)純鋁材料的殼體降溫效果強于Q235 碳素鋼和304 不銹鋼。實驗周期結(jié)束時，-5 ℃實驗環(huán)境溫度下，同一埋深下，工業(yè)純鋁比Q235 碳素鋼多降溫0.9 ℃～1.9 ℃，比304 不銹鋼多降溫1.1 ℃～2.4 ℃；-25 ℃實驗環(huán)境溫度下，同一埋深下，工業(yè)純鋁比Q235 碳素鋼多降溫0.9 ℃～2℃，比304 不銹鋼多降溫2.7 ℃～4.6 ℃，工業(yè)純鋁的降溫速率最快。工業(yè)純鋁的殼體材料降溫效果好的原因在于其導熱性強于Q235 碳素鋼和304 不銹鋼。

此外，分析同一埋深下溫度值隨時間變化情況可知，3 種不同殼體材料的熱管在實驗前兩天降溫速率較慢，這是由于凍土實驗在環(huán)境溫度設(shè)定時有一個降溫過程；同時，埋置熱管需要將土體挖開，會造成土體擾動產(chǎn)生部分熱量。實驗第3～7 d，熱管降溫速率隨時間的增加而變快，這是由于淺層的土層在實驗初期降溫過程中與環(huán)境溫度接觸，在實驗室環(huán)境溫度和熱管降溫共同作用下，造成降溫速率會加快；因此，選用工業(yè)純鋁材質(zhì)作為熱管的殼體材料，其優(yōu)點在于降溫效果好、經(jīng)濟性強和加工工藝成熟。

2.2 L 型熱管蒸發(fā)段坡角實驗

為驗證土層中L 型熱管蒸發(fā)段在不同坡角α 下的降溫效果，分別取10°、15°、25°、35°、45°坡角，熱管彎折角度β 取100°，工質(zhì)為氨，蒸發(fā)段長度取1.5 m，冷凝段長度取1 m，管徑取24 mm，熱管殼體材料為工業(yè)純鋁，實驗周期為7 d，在環(huán)境溫度-25 ℃下，比較不同坡角下的降溫效果，實驗結(jié)果如圖4 和圖5所示。

圖4 -25 ℃下土層溫度變化曲線（坡角實驗）Fig.4 Change of soil temperature at-25 ℃(slope angles experiment)

圖5 -25 ℃下梯度比變化曲線Fig.5 Change of gradient ratio at-25 ℃

從圖4 可知，在環(huán)境溫度-25 ℃下，蒸發(fā)段坡角不同，降溫效果也不同。不同埋深下，坡角在25°～45°時較10°～25°時的熱管降溫效果更好，這是由于蒸發(fā)段坡角增大，管內(nèi)工質(zhì)由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，沿管壁流速加大，重力式熱管的液體工質(zhì)蒸發(fā)轉(zhuǎn)化效能提高。隨著蒸發(fā)段坡角α 增大，L 型熱管降溫效果越明顯，但由于跑道道面寬度較大，蒸發(fā)段坡角越大，熱管耗材越大，加工成本越高，施工難度增加，需考慮最佳角度范圍內(nèi)的合理值，提出以梯度比（凍土路基核心區(qū)1/3 處降溫溫差/蒸發(fā)段斜率）作為綜合權(quán)衡經(jīng)濟性和降溫效果之間的定量指標。

從圖5 可知：當坡角α<25°時，隨著坡角增大，梯度比下降幅度較大，說明降溫溫差對梯度比起決定性作用；隨著坡角增大，降溫效果在增強，經(jīng)濟性降低，但未達到降溫效果最大化；當坡角α>25°時，隨著坡角增大，梯度比下降幅度變緩，說明蒸發(fā)段斜率（經(jīng)濟性）對梯度比起決定性作用，雖然熱管降溫效果增強，但耗材成本增加，經(jīng)濟性大大降低，未能滿足經(jīng)濟性最優(yōu)化。因此，當熱管蒸發(fā)段坡角取25°時，既能滿足降溫效果最佳化，同時也能實現(xiàn)經(jīng)濟性最優(yōu)化。故將L型熱管蒸發(fā)段坡角值設(shè)置為25°。

2.3 L 型熱管彎折角度實驗

為驗證土層中L 型熱管在不同彎折角度下的降溫效果，彎折角度β 取100°、120°、140°、160°，根據(jù)蒸發(fā)段坡角最佳值確定實驗中坡角為25°，熱管埋深0.7 m，工質(zhì)為氨，蒸發(fā)段長度取1.5 m，冷凝段長度取1 m，管徑取24 mm，選用工業(yè)純鋁為熱管殼體材料，實驗周期為7 d。在環(huán)境溫度-25 ℃下，比較不同彎折角度下的降溫效果，如圖6 所示。

圖6 熱管在不同彎折角下的降溫效果溫度變化曲線Fig.6 Change of lowering temperature of the heat pipe at different bending angles

從圖6 可知，在環(huán)境溫度-25 ℃下：同一埋深下，不同彎折角度下的溫度差值范圍在0.1 ℃～0.3 ℃。4 種彎折角度的溫度變化曲線趨勢大致相同；溫度變化曲線在第3～5 d 變化較快，4 種彎折角度的溫度變化曲線總體相同。這主要是由于在此階段中，液體工質(zhì)受溫差影響以氣體工質(zhì)上升至冷凝段，氣體擴散性和流動性受蒸發(fā)段和冷凝段彎折角度影響較?。煌瑫r由于在凍土實驗室內(nèi)環(huán)境中，溫度受風速、土層與環(huán)境溫度差值較小等影響，會產(chǎn)生一定誤差。考慮到L 型熱管冷凝段盡量豎直布置，結(jié)合蒸發(fā)段坡角取25°，故彎折角取120°。

3 暖季實驗分析

根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的黑龍江地區(qū)氣溫資料，在1981—2010 年期間，月平均溫度0 ℃以上的月份集中在4～9 月之間，最高溫度為23.6 ℃，最低溫度為0.3 ℃。暖季實驗選取部分溫度段作為實驗溫度，調(diào)節(jié)溫度控制箱，保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，模擬環(huán)境溫度。

3.1 保溫板厚度實驗

在土層中插入熱管進行實驗，EPS 保溫板厚度取2、3、5、8 cm。實驗前，環(huán)境溫度設(shè)為-30 ℃，對土體進行一周的降溫處理。保溫板埋于碎石層下10 cm，暖季環(huán)境溫度實驗值設(shè)置為15 ℃和30 ℃，實驗周期為10 d，對土層溫度進行監(jiān)測，結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 保溫板厚度實驗中15 ℃下土層溫度變化曲線Fig.7 Change of soil temperature at 15 ℃in experiment on effect of thick of insulation board

圖8 保溫板厚度實驗中30 ℃下土層溫度變化曲線Fig.8 Change of soil temperature at 30 ℃in experiment on effect of thick of insulation board

從圖7 和圖8 可知，在同一環(huán)境溫度和同一材質(zhì)熱管埋深下，2 cm 厚度保溫板的回溫率最大，3 cm 和5 cm 厚度保溫板的回溫率較為接近，8 cm 厚度保溫板的回溫率最小。2 cm 厚度保溫板土體回溫率較3 cm 和5 cm 厚度保溫板土體高0.61%～1.30%，較8 cm 厚度保溫板土體回溫率高1.21%～2.60%；3 cm 和5 cm 厚度保溫板較8 cm 厚度保溫板土體回溫率高0.61%～1.30%。因此，8 cm 厚度保溫板的保溫效果最優(yōu)，但厚度較大會導致經(jīng)濟性下降；3 cm 和5 cm 厚度保溫板保溫效果次之，兩者保溫效果較為接近，經(jīng)濟性優(yōu)于8 cm厚度保溫板；2 cm 厚度保溫板保溫效果相對較差。綜上分析，結(jié)合保溫效果和經(jīng)濟性考慮，可采用3 cm厚度保溫板進行隔熱層設(shè)置。

3.2 保溫板最佳埋深實驗

為驗證保溫板合理埋深，將EPS 保溫板在距上覆碎石層10、20、30 cm 埋深下進行溫度場測試，實驗前，環(huán)境溫度設(shè)為-10 ℃，對土體進行一周降溫處理，環(huán)境溫度控制范圍15 ℃和30 ℃，周期10 d，對土層進行監(jiān)測，結(jié)果如圖9 和圖10 所示。

從圖9 和圖10 可知，同一環(huán)境溫度和同一材質(zhì)熱管埋深下，保溫板距上覆碎石層10、20、30 cm 3 種不同埋深下，10 cm 埋深的土層回溫率最大，20 cm 埋深的土層回溫率次之，30 cm 埋深的土層回溫率最小；10 cm 埋深的土層回溫率較20 cm 和30 cm 埋深的土層回溫率分別高0.02%～0.71%和0.65%～1.71%；20 cm埋深的土層回溫率較30 cm 埋深的土層回溫率高0.62%～1.62%。因此，保溫板距上覆碎石層30 cm 埋深的保溫效果相對最優(yōu)，20 cm 埋深保溫效果次之，10 cm埋深保溫效果最差，建議將保溫板設(shè)在墊層30 cm 下，墊層與保溫板之間用碎石鋪墊。

圖9 保溫板最佳深埋實驗中15 ℃下土層溫度變化曲線Fig.9 Change of soil temperature at 15 ℃in experiment on optimal buried depth of insulation board

圖10 保溫板最佳深埋實驗中30 ℃下土層溫度變化曲線Fig.10 Change of soil temperature at 30 ℃in experiment on optimal buried depth of insulation board

4 結(jié)語

L 型熱管+保溫板溫控技術(shù)在多年凍土區(qū)機場跑道道基的溫控應(yīng)用中起到了積極作用，為改善多年凍土機場跑道道基熱穩(wěn)定性提供了新的解決方案。通過對工業(yè)純鋁、Q235 碳素鋼及304 不銹鋼3 種不同材質(zhì)熱管的降溫效果進行了試驗對比，然后采用降溫性能較好的工業(yè)純鋁L 型熱管對蒸發(fā)段坡角、熱管彎折角、保溫板厚度及保溫板埋深對道基溫控的影響程度進行了試驗分析，為該溫控技術(shù)方案的應(yīng)用提供了相關(guān)技術(shù)參數(shù)參考。通過試驗分析主要得出以下結(jié)論。

（1）熱管殼體材料分別為工業(yè)純鋁、Q235 碳素鋼和304 不銹鋼時，3 種材料的降溫效果不同，工業(yè)純鋁的降溫速率最快。因此，取工業(yè)純鋁材質(zhì)的殼體材料作為實驗熱管加工，其優(yōu)點在于降溫效果好、經(jīng)濟性強。

（2）在環(huán)境溫度-25 ℃下，熱管埋放置土層中的蒸發(fā)段坡角不同，降溫效果也不同。坡角在25°～45°范圍內(nèi)熱管的降溫效果更好，其中35°～45°和10°～15°范圍內(nèi)熱管降溫幅度變化不大。不同彎折角度的降溫幅度范圍變化差異較小，同一埋深下，溫度差值范圍在0.1 ℃～0.3 ℃。結(jié)合經(jīng)濟性和降溫有效性，建議坡角取25°，彎折角取120°。

（3）通過對2、3、5、8 cm 共4 種厚度的保溫板進行實驗，8 cm 厚度保溫板的保溫效果最優(yōu)，3 cm 和5 cm厚度保溫板保溫效果次之，2 cm 厚度保溫板保溫效果相對較差，結(jié)合保溫效果和經(jīng)濟性考慮，可采用3 cm厚度保溫板進行隔熱層設(shè)置。

（4）在同一環(huán)境溫度和同一材質(zhì)熱管埋深下，保溫板距上覆碎石層10、20、30 cm 3 種不同埋深回溫率相比之下，10 cm 埋深的土層回溫率最大，20 cm 埋深的土層回溫率次之，30 cm 埋深的土層回溫率最小。因此，建議將保溫板設(shè)在墊層30 cm 下，墊層與保溫板之間用碎石鋪墊。