轻骨料导电混凝土面层的升温与化冰实验研究＊

陈 龙 孙明清 李 滨 李 红 张谢东

（武汉理工大学理学院1） 武汉 430070） （武汉理工大学交通学院2） 武汉 430063）

如何解决冬季路面结冰积雪问题是我国寒区冬季公路养护中存在的普遍问题，目前，公路交通部门一直沿用的氯盐融雪剂将造成道路、桥梁的腐蚀，道路两旁绿化带的破坏，土壤碱化板结，污染地下水源等，给基础设施和自然环境带来了较大的负面影响［1］.机械除冰雪虽然效率较高，但环境温度较低时对冰层的消除不彻底，而且不能实现实时、自动的融冰.因此，在不断地寻找环保节能的除雪方式过程中，热融雪化成为首选.目前，主要研究应用的热融雪法有导电混凝土、加热电缆［2］和循环热流体［3］等.

在导电混凝土融冰化雪研究方面，唐祖全、侯作富等较系统地研究了碳纤维混凝土的电导率与碳纤维掺量、硅粉、集料、电极形式等的关系，配制了碳纤维混凝土小板在野外和冰柜内的化冰和融雪实验，并采用有限元法分析了不同环境条件下所需的电功率［4－6］.美国内布拉斯加州的77号公路上的Roca Spur桥是世界上第一座在桥面上铺设导电混凝土融雪的桥梁，铺设面积为306m2，导电混凝土层厚度为102mm.该混凝土含不同颗粒级配的石墨粉25%（体积分数）和钢纤维1.5%，材料电阻率为395Ω·cm.通电时路面平均温度比周围空气温度要高10℃左右，能成功将冰雪融化.系统建造总费用为193 175美元，平均每场雪耗电3 200kW·h［7］.

王小英等［8］采用纳米导电炭黑制备了导电水泥砂浆.由于纳米导电炭黑价格（15～20元／kg）低，掺量也比较少，而且与混凝土原材料容易拌合，适合于大量配制使用的导电混凝土.本文在此基础上，配制了炭黑轻骨料导电混凝土，并将其作为混凝土面层的表层，在模拟的寒冷环境下研究不同电功率作用时路面的升温和化冰效果.目的在于评价炭黑轻骨料导电混凝土在低温下的升温性能、电阻率的稳定性.

1 轻骨料导电混凝土路面的结构形式及测试系统

1.1 含轻骨料导电混凝土的混凝土面层

该面层的截面如图1所示.由于本试验要在冰柜内进行，受冰柜空间限制，试验用路面面层的长和宽均为40cm.低层混凝土按C30设计，配合比为：m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（碎石）＝1∶0.4∶1.23∶3.待搅拌均匀后，用振动棒振捣密实，捣实抹平后在上面铺一层玻璃纤维布用于隔热.1d后再在上面浇注轻骨料导电混凝土，其制备方法为：m［水泥（华新42.5普通硅酸盐水泥）］∶m（水）∶m（砂）∶m［轻集料（宜昌宝珠碎石型高强页岩陶粒）］∶m［粉煤灰（汉川电厂II级粉煤灰）］∶m［减水剂（武汉浩源化工厂FDN）］∶m［炭黑（性能指标见表1）］＝1∶0.63∶1.76∶1.2∶0.17∶0.012∶0.07.先将轻集料浸水1h，将表面的自由水风干待用.m［炭黑分散剂（自制）］∶m（炭黑）为1∶1，先将炭黑分散剂溶于少许水，然后加入炭黑略搅拌，使炭黑呈较大的颗粒状，再加入素混凝土混合料中一起干拌3min，加入所需要的水再搅拌3min.将搅拌均匀的混合料填模，在模具两相对侧面插2块不锈钢网（尺寸为10cm×40cm）作为电极，导线事先焊接在不锈钢网上，用振动棒振捣1min.振实前图1的A，B，C，D，E等5处埋设细空心铜管，用于放置热电偶测温度.24h后脱模，在空气中浇水养护28d后测试.导电混凝土的电阻为10Ω，其电阻率为100 Ω·cm.

图1 导电混凝土面层截面图（单位：cm）

表1 炭黑主要性能指标

1.2 测试方法

220V市电经调压器给混凝土面层供电.在埋设的细铜管内填注导热硅脂，然后插入热电偶以测试面层厚度方向的温度变化，用Keithley2700多通道数据采集仪连接热电偶进行数据采集，如图2所示.施加的电压大小分别为31，28.3，25.3，21.9V，使得混凝土面层单位面积平均电功率分别为600，500，400和300W／m2，施加不同的电压是为了考察不同电功率的作用下路面结构各测点的温度变化及化冰情况.采用数字万用表测试电压和电流，以控制输入的功率大小和导电混凝土电阻的变化.通电后，通过导电混凝土将电能转化为热能，使得路面温度升高.

图2 电热路面模型与测试系统

将试件放入可调温度的冰柜中，通过调节档位来控制冰柜内环境温度.化冰试验中将480mL的水倒在混凝土表面，在低温环境下结成厚度约3mm冰，再通过施加一定的电压来进行化冰试验.由于真实路面面层的混凝土板在水平方向尺寸比厚度方向尺寸大得多，而且混凝土的面层作为主要的散热面，因此混凝土板的四周散热在实际工程中较少.试验中试件的厚度方向长度与水平方向长度尺寸相当，侧面散热量较大，为尽量减小混凝土面层侧面向四周的热量损失，侧面采用3cm厚挤塑聚苯乙烯泡沫板包裹.试件底面为吊装用的4mm厚钢板，钢板下再垫一层挤塑聚苯乙烯泡沫板后放入冰柜.

2 结果与讨论

混凝土面层单位面积电功率为300，400，500和600W／m2时各测点的温度随时间变化的情况如图3所示.各图中冰柜内环境温度在一定的范围内波动（－20～－15℃），这主要与普通家用冰柜的温度控制精度不高有关.普通家用冰柜控制方法为：当温度高于某一数值时，压缩机启动开始制冷，直至低于某一温度时压缩机才停止工作.由于放置在冰柜内的混凝土路面发热和冰柜本身的散热，使得冰柜内部升温较快，而降温较慢，图3b）、3c）、3d）中，电功率较大时这一现象更加明显.各图所呈现的基本规律为：A，B测温点位于导电混凝土内部，温度最高，上升速度最快，升温过程中两点的温度比较接近，表明导电混凝土层内部发热均匀.在电发热后期，B点的温度超过A点的温度.由于表面与外界发生对流辐射换热，表面温度（F点）低于A，B测点温度.C测点位于隔热层以下，离导电混凝土层底部约2.5cm，C点温度低于A，B点温度，表明隔热层有一定的阻热效果.但是，C，D，E 等测点的温度在400，500和600W／m2等作用下的温度升高都在10℃以上，造成热量的损失仍然较大.各测点的温度呈现波动式的增加，特别是表面温度在各功率作用下表现明显，这种变化主要受到冰柜压缩机循环启动制冷的影响，压缩机工作时向外排热，引起面层内各测点的温度不继续升高而是降低.但是，从各图表面温度的波动情况来看，随导电混凝土电功率的增加波动性有减小的趋势，说明导电混凝土电功率较大时能抗衡环境降温的影响.

图3 不同电功率作用下导电混凝土面层内各测点温度随时间的变化

从图3可以看出，在本文的模拟实验环境下，导电混凝土电功率为300和400W／m2时混凝土面层的表面温度在600min内达到的最高温度约为－2.5℃，升温速度较慢.需要指出的是，电功率为300W／m2时初始温度为－14.3℃，电功率为400W／m2时初始温度为－16.2℃.而且，在通电中期以后，两者所处的环境温度也有差别：电功率为300W／m2时环境温度在 －17～－11℃范围内，电功率为400W／m2时环境温度在－19～－14℃范围内.因此，400W／m2的升温效果仍然高于400W／m2的升温效果.另外，图3a）中漏采了C测点的数据，从其它各图的趋势看，C点的温度变化与F点接近.

比较图3c）和3d），导电混凝土的电功率500W／m2时混凝土面层温度在400min内升到0℃以上，导电混凝土的电功率600W／m2时混凝土面层温度在520min内升到0℃以上.与300和400W／m2通电的情况类似，电功率为500W／m2时初始温度为－16.2℃，电功率为600W／m2时初始温度为－18.2℃.两者试验的环境温度差别在于：电功率为500W／m2时环境温度在 －17～－12℃范围内，电功率为600W／m2时环境温度在－21～－15℃范围内.另外，电功率为500 W／m2时，在通电后期各测点温度基本保持平衡.电功率为600W／m2时，温度还可继续升高.因此，为满足不同条件下混凝土面层升温的需要，有必要使整个系统能够自动提供多种功率，使得混凝土面层能应对复杂的环境.

图4a）、4b）分别为混凝土面层表面覆3mm厚的冰，单位面积电功率为400和500W／m2时各测点的温度随时间变化的情况.图4a）中，冰柜内环境温度在－10～－5℃的范围内波动，比图3b）的温度高，初始时各测点的温度均低于环境温度是由于该混凝土面层直接从另一更低的环境中进入.表面初始温度为－15℃，通电440min左右表面3mm厚冰层基本化完.图4b）中，试验的环境温度为－17～－10℃，表面初始温度为－15℃，表面温度升至0℃的时间约400min（与图3c）接近），通电540min左右表面3mm厚冰层基本化完.在持续通电作用下，表面温度保持在2～2.5℃之间.通过目测看到，与面层结合处的冰首先融化，在无外力作用时局部位置形成空洞，局部空洞扩大使冰层与混凝土面层脱离，冰层受面层四周聚苯板和混凝土接缝处未融化的冰支撑，最后通过辐射传热将冰层融化变成水蒸发掉.因此，实际测试中发现面层表面温度在化冰期间并不总停留在0℃的冰点，路面温度控制也应在2℃以上.

图4 不同电功率作用下导电混凝土面层化冰时各测点温度随时间的变化

综合化冰和升温结果可得，路面结冰不超过3mm时，对于－10～－5℃的环境，单位面积设计电功率400W／m2比较适合；对于－15～－10℃的环境，单位面积设计电功率500W／m2比较适合；而对－20～－15℃的环境，单位面积设计电功率600W／m2比较适合.Tuan和Yehia在Roca Spur桥上采用导电混凝土的化雪试验表明：气温在－7～－10℃时，单位面积的电功率为452W／m2可及时融化约10mm／h的降雪量.尽管化雪和融冰有所不同，但都需要把路面温度升高到1～2℃.所以，本文图4a）的结果与其比较接近.为降低电功率和能耗，在导电混凝土层与普通混凝土层之间实现良好的隔热是今后要解决的关键问题，以尽可能地减少导电混凝土向下传递的热量，增加电热能的利用率.另外，实际工程中还需要多种功率的组合控制来减少能耗，如开始升温时采用稍大的功率，以减少对流辐射损失，达到化冰温度后采用较小的功率供电并维持表面温度.化冰过程中，导电混凝土的电阻随时间变化如图5所示.

图5 化冰过程中导电混凝土的电阻

从图5中可以看轻骨料导电混凝土在通电条件下电阻值保持稳定，受外界环境影响不大.而且，经过若干次试验，100h的通电后电阻仍然保持在10Ω.从稳定上考虑，能够提供道路融雪化冰所需要的稳定电功率.

3 结束语

试验研究表明，输入电功率较大时，在相同的低温、相同的时间内面层表面温度较高.在路面结冰不超过3mm且环境温度分别为－10～－5℃，－15～－10℃，20～－15℃时，导电混凝土层基本满足要求的输入电功率分别应为400，500，600W／m2.炭黑轻骨料导电混凝土在多次通电过程中电阻稳定，因而电功率稳定.

［1］洪乃丰.氯盐类融雪剂的腐蚀危害与试验方法的讨论［J］.工业建筑，2006，36（10）：61－64.

［2］李炎锋，武海琴，王贯明，等.发热电缆用于路面融雪化冰的实验研究［J］.北京工业大学学报，2006，32（3）：217－222.

［3］高 青，于 鸣，刘小兵.基于蓄能的道路热融雪化冰技术及其分析［J］.公路，2007（5）：170－173.

［4］唐祖全，李卓球，钱觉时.碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究［J］.建筑材料学报，2004，7（2）：215－220.

［5］侯作富，李卓球，杨唐胜.碳纤维导电混凝土融雪化冰的智能控制研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2005，29（1）：64－67.

［6］Hou Zuofu，Li Zhuoqiu，Tang Zuquan.The finite element analysis and design of electrically conductive concrete for roadway deicing or snow－melting system［J］.ACI Materials Journal，2003，100（6）：469－476.

［7］Tuan C Y，Yehia S.Evaluation of electrically conductive concrete containing carbon products for deicing［J］.ACI Materials Journal，2004，101（32）：287－293.

［8］王小英，孙明清，侯作富，等.纳米炭黑水泥砂浆的导电性与电热特性研究［J］.功能材料，2006，37（11）：1 841－1 843.