趙亞軍，劉 陽，趙銳軍，彭月明，李彥蒼

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 力學(xué)實驗教學(xué)示范中心，河北 邯鄲 056038；3.張家口通泰高速公路投資股份有限公司，河北 張家口 075099；4.河北省建筑科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

冬季道路積雪結(jié)冰，嚴重影響道路交通安全。25%～30%的交通事故是由寒冷的冬季路面結(jié)冰造成的，干燥的瀝青路面附著系數(shù)為0.6，路面有積雪時，附著系數(shù)為0.2，路面結(jié)冰時，附著系數(shù)為0.15，路面積雪、結(jié)冰時附著系數(shù)分別為干燥瀝青路面的1/3和1/4[1]。目前，國內(nèi)外融雪除冰方法主要有人工清除、機械清除、化學(xué)融化、熱融化四大類[2]。而近年來，熱融化除冰方法憑借其環(huán)保特點，得到快速發(fā)展，這種方法主要分為3類：電加熱法、流體加熱法、地?zé)峁芊╗3-6]。其中碳纖維發(fā)熱電纜屬于電加熱法中一種典型方法，其熱轉(zhuǎn)化率高，對道路結(jié)構(gòu)受力影響小，環(huán)保、節(jié)能、易于施工、安全可靠[4]。眾多學(xué)者對碳纖維電纜路面融雪的研究，主要集中于電纜埋深、間距、能耗與溫度分布之間的關(guān)系[7]。陳紹輝等[8]對碳纖維電纜間距、埋深進行室內(nèi)試驗，通過數(shù)值模擬，對路面結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)進行分析。李榮清等[9]研究了間距、功率對融雪效果的影響。袁玉卿等[10]得出電纜布設(shè)形式、環(huán)境溫度、積雪溫度、通電時間與功率都會影響融雪效果。張楚杰等[11]利用數(shù)值模擬方法，研究了間距與埋深對路面溫度均勻性影響。為提高升溫速率和融雪效果，單純地減小電纜間距、埋深或增大電纜功率并不能有效解決現(xiàn)實問題，減小電纜間距不利于節(jié)能，埋深太淺可能會造成路面結(jié)構(gòu)的損傷，增加功率會使成本大幅增加。而保溫隔熱材料在工程中普遍應(yīng)用，且造價成本較低，增加保溫層能夠有效提高升溫速率和融雪效果，對結(jié)構(gòu)的保溫節(jié)能起著重要作用。因此，研究保溫隔熱層對融雪路面升溫速率的影響意義重大。

本文選用含有陶瓷微珠的隔熱材料作為隔熱層，結(jié)合碳纖維電纜傳熱原理與路面結(jié)構(gòu)特點，進行升溫試驗與數(shù)值分析，研究空心陶瓷微珠隔熱層對碳纖維電纜融雪效果的影響。同時在實際道路中進行性能測試，對路面融雪除冰設(shè)計提供理論與技術(shù)支持。

1 室內(nèi)升溫試驗

1.1 試驗準(zhǔn)備

試驗中所使用的碳纖維電纜直徑為5.2 mm，輸入功率為35 W/m，外包材料為聚四氟乙烯+聚氯乙烯+聚乙烯。隔熱層由空心陶瓷微珠、無機硅酸鹽溶液、硅酸鋁纖維和熱反射物質(zhì)組成，可承受2 000 ℃高溫，具有隔熱保溫、防水阻燃、附著力強、施工方便、使用壽命長等特點。試件材料參數(shù)如表1。

表1 試件結(jié)構(gòu)主要特性參數(shù)

共制作內(nèi)置碳纖維電纜瀝青混凝土試件6個，尺寸為300 mm×300 mm×100 mm。碳纖維發(fā)熱電纜鋪設(shè)在上下面層之間，埋設(shè)深度為50 mm，內(nèi)置碳纖維電纜試件設(shè)計參數(shù)如表2所示，試件制作過程如圖1所示。

圖1 內(nèi)置碳纖維發(fā)熱電纜試件制作過程Fig.1 The fabrication process of the embedded carbon fiber heating cable specimen

表2 內(nèi)置碳纖維發(fā)熱電纜試件設(shè)計參數(shù)

1.2 試驗結(jié)果分析

為統(tǒng)一初始溫度，將待試驗試件放入低溫恒定試驗箱內(nèi)進行降溫，降為設(shè)定溫度-20 ℃后，開始在試驗箱內(nèi)進行升溫試驗，經(jīng)過6 h升溫試驗，得到各試件的升溫曲線，如圖2所示。

圖2 升溫試驗曲線圖Fig.2 Temperature curve of specimen

在升溫試驗中，升溫速率從升溫曲線中表現(xiàn)為0 ℃之前增長較快，0 ℃之后逐漸趨于平緩，整體表現(xiàn)為非線性增長的趨勢。在6 h時，T2、T3表面溫度增幅分別為28.4 ℃、23.4 ℃，T2較T3升溫速率提高了0.83 ℃/h，先于T3到達0 ℃近3 h。由此可以得出，試件的升溫速率、最終表面溫度與電纜布置間距有一定關(guān)系，間距越小，升溫速率、最終表面溫度增幅越大。

在同間距條件下，增設(shè)隔熱層的試件，均在2 h左右達到0 ℃。T4、T5、T6最終表面平均溫度分別為9.2 ℃、11 ℃、12 ℃，比T3溫度分別高出5.7 ℃、7.5 ℃、8.5 ℃，整體升溫速率平均提高0.95～1.42 ℃/h。由圖2可以看出，T2的升溫曲線與T4、T5、T6較為接近，雖在1 h內(nèi)T2的升溫速率較高，但隨著時間的推移，在2.5 h左右，后三者的溫度均要高于T2，且最終溫度也均要高于T2?？梢钥闯?，增設(shè)隔熱層要優(yōu)于減小電纜間距，但由于設(shè)置2.22 kg/m2隔熱層時，隔熱效果已經(jīng)接近最佳，T4、T5、T6之間的最終表面溫度相差較小。

在本試驗中，增設(shè)隔熱層試件整體表現(xiàn)為良好的保溫隔熱性能，能夠同減小50%間距情況，達到基本一致的升溫效果。與此同時，空心陶瓷微珠隔熱層的材料成本價格在1.2元/m2左右，電纜鋪設(shè)間距為100 mm的成本價格為120元/m2。若為提高升溫速率，縮短電纜間距，則會導(dǎo)致成本翻倍，而使用空心微珠隔熱層，每平米成本僅增加1～1.4元便可達到同等效果，增設(shè)隔熱層較減小電纜間距節(jié)約成本約88.3%～91.7%。

2 試驗路段升溫試驗

為分析升溫性能，鋪設(shè)試驗路段，碳纖維加熱電纜鋪設(shè)埋深為30 mm，鋪設(shè)間距200 mm。圖3為施工過程，在下面層施工結(jié)束后，首先對路面除灰清理，確保各層有效粘結(jié)，之后滾涂隔熱層3遍。將固定于鋼絲網(wǎng)上的碳纖維電纜鋪設(shè)固定后，噴灑乳化瀝青，以增強上下面層的粘結(jié)。為避免攤鋪機履帶壓斷電纜，首先人工鋪灑少量瀝青混合料，以剛好埋住電纜為宜，來分擔(dān)履帶壓力，然后正常攤鋪碾壓。

圖3 試驗路段施工工序Fig.3 Construction process of test section

圖4為融雪前后的紅外熱成像圖，路面平均溫度為-5.2 ℃，電纜工作2 h后，鋪設(shè)電纜位置溫度達到1.8 ℃，積雪全部融化，融雪效果顯著，驗證了增設(shè)空心陶瓷微珠隔熱層的碳纖維電纜融雪路面的有效性。

圖4 試驗路段融雪效果Fig.4 Snowmelt effect of test section

3 隔熱層隔熱機理分析

空心陶瓷微珠能很好地降低涂料的導(dǎo)熱系數(shù)，反射和隔絕了熱量的傳遞，決定了隔熱層良好的保溫絕熱性能，圖5為空心陶瓷微珠隔熱層隔熱機理示意圖。在升溫試驗中，由空心陶瓷微珠及其他物質(zhì)組成的保溫隔熱層，會形成一個熱量反射層，電纜通電時，阻隔大量的熱量向基層傳播，只有少部分熱量會穿透或流失。在試驗初期時，由于電纜溫度較低，升溫速率較無保溫層的提升不明顯，在電纜達到額定工作溫度后，中心溫度趨于恒定，升溫速率較無保溫層的有明顯提升。

圖5 空心陶瓷微珠隔熱層隔熱機理示意圖Fig.5 Schematic diagram of insulation mechanism of hollow ceramic microsphere insulation layer

微珠球內(nèi)外壁面的輻射反射率很高，可以起到對紅外熱輻射進行吸收、散射的作用。同時由于空心結(jié)構(gòu)的存在，使得部分熱輻射波進入空心陶瓷微珠內(nèi)部后，在球體內(nèi)部反復(fù)折射、干涉，特殊情況下產(chǎn)生諧振損耗[12]。當(dāng)一均勻的平面縱波或橫波遇到單個球形空心陶瓷微珠后，首先經(jīng)過較薄的球壁折射并損耗一小部分入射波，再從球壁折射出在空心內(nèi)部多次折射與反射，相互之間干涉抵消，此外，球壁中具有的吸波相組成也會吸收部分熱輻射波[13]。

通過涂層反射層對熱輻射的反射作用，及靜止空氣層對輻射和對流傳熱的有效抑制，使絕大部分的輻射熱能被反射阻隔，有效提升高溫條件下涂層的總熱阻[14]，從而增大隔熱層兩表面的溫度差和傳熱熱阻，降低導(dǎo)熱系數(shù)，有效抑制熱傳導(dǎo)和熱輻射向下層傳播，提高路面的升溫速率。

4 熱通量與溫度場數(shù)值分析

4.1 模型建立

為分析對比隔熱層對熱流傳遞過程的影響，采用試驗路段實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表3所示，同時結(jié)合試驗路段結(jié)構(gòu)分層[15]，如圖6所示，利用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，建立碳纖維融雪路面數(shù)值模型，如圖7所示。選用八節(jié)點傳熱六面體單元DC3D8為路面單元類型，設(shè)置瞬態(tài)熱傳遞分析步，將熱傳導(dǎo)邊界條件、對流換熱、輻射等設(shè)置為加載條件，在預(yù)定義場中設(shè)定路面整體初始溫度為-5 ℃，通過設(shè)定膜層散熱系數(shù)來定義表面熱交換條件，其中路表面為23.2 W/(m2·℃)，電纜為60 W/(m2·℃)，保溫層為18 W/(m2·℃)，模擬試驗環(huán)境為降雪環(huán)境，環(huán)境溫度為-5 ℃，風(fēng)速為3 m/s，鋪裝功率為300 W/m2。

表3 試驗路段結(jié)構(gòu)特性參數(shù)

圖6 試驗路段結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of test section structure

圖7 有限元模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of finite element model

4.2 熱通量分析

通過數(shù)值計算，得到了增設(shè)保溫層和無保溫層的動態(tài)升溫過程，熱通量的變化反應(yīng)了熱傳遞的方向與大小，如圖8所示。

圖8 熱通量矢量云圖Fig.8 Heat flux vector nephogram

無保溫層試件的熱量主要集中在電纜層和結(jié)構(gòu)下部，且熱流密度不均勻，熱流向下傳遞趨勢大，熱量損失較多，路面升溫效果不理想。有保溫層試件的熱傳導(dǎo)方向主要集中在結(jié)構(gòu)上部，熱量損失較少，且溫度分布較為均勻，表面溫度高于無保溫層試件。

4.3 溫度場分析

數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示，無保溫隔熱層的融雪路面溫度場，平均表面溫度僅為-2.48 ℃，試驗路段的融雪路面溫度場，如圖9(b)所示，表面溫度2.32 ℃。兩者在仿真結(jié)果中相差4.8 ℃，與試驗結(jié)果基本吻合。

圖9 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.9 Numerical simulation results

從分析結(jié)果的溫度分布云圖中可以看出，試驗路段表面溫度分布十分均勻，有利于對路面整體溫度的控制，且隔熱層在電纜工作過程中的阻熱和反熱的效果十分明顯，向結(jié)構(gòu)基層熱流損失較未涂隔熱層結(jié)構(gòu)的少0.71 ℃/h。

5 結(jié)論

本文提出了一種高效經(jīng)濟的路面隔熱層，可用于公路或橋梁路面融雪，通過室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬及試驗路段驗證，分析了保溫層對路面溫度場的影響，結(jié)果表明：

1)增設(shè)隔熱層對提高最終表面溫度有顯著效果，較無隔熱層設(shè)置的試件最終表面溫度高出23.4%～35.3%，升溫速率提升0.95～1.42 ℃/h。隔熱層增設(shè)厚度每增加一倍升溫速率提升3%～6%，故選用隔熱層厚度不宜過大。

2)空心微珠的低導(dǎo)熱率、吸波反射作用是影響升溫速率的主要原因。在碳纖維電纜下方增設(shè)隔熱層，可以有效防止熱量向下部流失，使熱流密度集中在路面的上層，更有利于冰雪快速有效地融化。

3)在融雪路面中增設(shè)空心微珠隔熱層可以節(jié)省大量安裝與運行成本。使用空心微珠保溫隔熱層較減小電纜間距，在同升溫速率下，節(jié)約電纜材料成本88.3%～91.7%與50%耗電量；在同耗電量下，升溫速率提高30%左右。