吸波融冰混凝土路面升温特性变化规律及影响因素

2021-04-13樊振阳陈兵王选仓李美鑫原驰

华南理工大学学报（自然科学版） 2021年2期

樊振阳陈兵王选仓† 李美鑫原驰

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064；2.广州市高速公路有限公司，广东广州 510000)

微波融冰技术具有高效率、低成本特点，又可减少对路面结构的破坏，即将成为除冰技术发展新方向[1- 2]。其中微波融冰速率是制约融冰技术发展的首要因素[3]，国内外许多学者对此展开研究。

David等[4]为了提升路面吸波升温能力，提出了将铁燧岩作为路面材料进行道路施工，并修筑了“微波路”；Gallego等[5]发现将钢纤维作为沥青混凝土中的微波吸收成分是可行的，加入沥青混凝土质量0.2%的10 mm长钢纤维后，经微波照射120 s，表面温度可达140 ℃以上。焦生杰等[6- 7]采取仿真模拟进行了微波除冰雪效率影响因素研究；叶宏宇等[8]基于道路微波化冰机理，通过模拟与室内试验分析了微波频率、微波输出功率、微波导出口距路表距离、外界温度、结冰厚度、结冰纯净度等因素对道路微波化冰效果的影响；关明慧等[9]通过室内试验研究了微波能量吸收率影响因素并初步研发了微波除冰设备；郭德栋等[10]通过室内除冰试验分析了磁铁矿沥青混凝土的微波除冰效率；康超鹏[11]将粉煤灰、羰基铁粉、氧化铁粉和磁铁矿石掺加到水泥混凝土中，研究不同材料、不同掺量对混凝土力学性能及微波除冰效率的影响；王剑英等[12]基于微波吸收材料的吸波机理与影响因素，优选羟基铁粉、羟基铁粉、四氧化三铁、氧化铝和膨胀石墨作为微波敏感涂层吸波材料，进行微波敏感涂层材料融冰试验；高杰等[13]为进一步提高路面的微波融冰雪能力，研究了9种电磁波吸收材料的电磁特性，并分析了碳纤维、磁铁矿石与钢纤维用于路面微波除冰雪的研究进展，从发热速率与经济性角度对比分析其应用前景。

目前对于微波融冰的相关研究逐渐增多，大多集中在模拟及吸波材料优选研究[14- 15]，但对吸波材料优选、微波融冰影响因素及分析方法考虑不全面，研究结果成熟度不足。因此本研究探析了多种因素下的不同材料吸波混凝土路面升温特性变化规律，结果可为后续微波融冰试验及吸波道面结构等方面的研究提供理论支撑。

1 原材料性质

1.1 普通原材料

水泥为秦岭牌P·C32.5 复合硅酸盐水泥，主要技术指标见表1。砂子为普通河砂、表观密度为2 548 kg/m3、细度模数为2.9、属于Ⅱ 区中砂，拌和用水为自来水。

普通集料选用产自咸阳的普通石灰岩集料，其具体性能见表2。粒径选择5～10 mm和10～20 mm的两档连续级配碎石，使用碎石场破碎的集料二次筛分，以保证其材料组成及级配的稳定性。

表1 水泥基本性质

表2 所用的普通碎石集料基本性质

1.2 吸波集料及粉料

优选出钢渣、钢纤维、铅锌矿渣、石墨粉及硫化铁矿渣5种吸波集料及粉料。

钢渣产自河北邯郸钢铁厂，破碎后经试验室二次筛分使用5～20 mm连续级配钢渣[16]；考虑水泥道面吸波混凝土实际工况，选择铣销工艺端钩型钢纤维；所采用铅锌矿渣产自甘肃白银，经试验室二次筛分后使用10～20 mm连续级配；石墨粉购自石家庄华邦矿产品公司，所用石墨粉指经膨化处理的膨胀石墨，未经膨化的鳞片石墨因其在加热状态下会迅速膨胀，不能用于道面材料[17]；铁矿渣选自安徽铜陵的低品位硫化亚铁，粒径主要包括5.0～10.0 mm、1.0～3.0 mm、0.3 mm 3种。如图1-图2所示。物理力学性能见表3-表7。

图1 试验用钢渣、钢纤维、铅锌矿渣及石墨

图2 硫化亚铁矿渣加工的规格集料

表3 钢渣集料的基本物理力学性质

表4 钢纤维主要技术指标

表5 铅锌矿渣集料基本性质

表6 所用石墨粉主要技术指标

表7 硫化铁矿渣集料基本性质1)

2 吸波道面混凝土成型及试验方法

2.1 吸波混凝土成型

吸波集料可根据材料特性全部或部分替代普通石料的方式进行，以“等体积替代”为原则进行配合比设计[18]。钢纤维应控制掺量不超过3%，否则混凝土和易性较差。石墨粉应以体积或质量占比(非“替代”)的方式进行掺配。

针对水泥混凝土路面微波融冰需求，提出一体化表层、分层式薄层两种吸波道面结构[19- 20]。

吸波一体化表层结构是将高效吸波组分均匀的铺撒在混凝土表面，形成与面板混凝土结为整体的功能表层，即采用普通水泥道面配合比制备混凝土后一次浇筑振捣成型，初步抹平，待初凝后将已确定掺配比例的吸波材料均匀撒布至试件表面，使其与浮浆充分结合，形成高效吸波一体化道面结构层，如图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种尺寸铁渣表层混凝土。一体化表层结构选用不同规格铁渣集料，粒径组成为2.36 mm铁渣+0.30 mm铁渣,设计用量为6.0～6.5 kg/m2,2.36 mm与0.30 mm的组成比例为2∶1。铁渣表层掺配方法是按组成比例均匀撒铺在下承层混凝土试件表面。

对于分层式薄层结构则按吸波层混凝土厚度3 cm考虑，采用不同吸波材料的混凝土配合比及吸波组分掺配比例见表8。

图3 高效吸波一体化表层结构试件剖面

表8 不同吸波组分下吸波混凝土配合比

分层式吸波薄层结构具体实施方式是“两种配比、分次入模、分层振捣”，即采用普通混凝土和吸波混凝土两种材料分次入模，分步(层)振捣，即当下承层普通混凝土初凝成型后将表层吸波混凝土浇筑到试模中，两次振捣成型。根据上述配合比，选用30 cm×30 cm×10 cm的车辙板试模，在试验室拌制吸波混凝土并成型30 cm×30 cm×(5+3) cm试件。

吸波混凝土振捣成型后静放2个昼夜，拆模后用湿布覆盖，放置标准养护室养护14 d。

2.2 试验方法及过程

测试环境温度为室温，微波频率：2.45 GHz；入射功率：上方4个矩形波导共4 000 W。试件尺寸、波导口距离试件表面高度、试件干燥状态、屏蔽条件根据后续分析进行调整。

测点布置：试件表面按照位置分布不同分为4种，测点序号分别为板中(1号)、板面(2-5号)、板角(6-9号)、板边(10-13号)。板面测点根据试件尺寸不同分别布置，30 cm×30 cm试件取距中心点沿对角线方向12 cm处，20 cm×20 cm试件取距中心点沿对角线方向9 cm处，具体布置示意图如图4所示。

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图4 试件表面测点布置示意图

为便于试验和数据分析，采用120 s每次的加热循坏模式进行微波加热试验，每完成一次加热，即取出试件用红外测温仪进行温度测量。

3 试验结果与分析

3.1 波导口距离对升温特性的影响

使用不同数量普通混凝土立方体试块垫在混凝土板下方进行调节，测试混凝土与波导口距离，研究距波导口距离15 cm、30 cm下不同类别混凝土板面升温规律[21]，试验过程如图5所示，结果如图6所示。

由图6可知，距离波导口15 cm比30 cm条件下，吸波混凝土可获得更好的升温效果，随着加热时间的延长，波导口距离不同造成混凝土升温的差异逐渐增加。通过对板面温度数据进行线性拟合得到其升温速率如表9所示。

由表9可知，波导口距离从15 cm增加至30 cm后，4种吸波混凝土升温速率分别降低30.7%、32.2%、32.2%和29.3%，表明谐振腔内波导口距离的减小可以一定程度上提高混凝土试件表面的升温速率。

图5 波导口距离30 cm下微波加热混凝土示意图

图6 不同波导口距离下4种典型吸波薄层混凝土板面测点温度变化

表9 不同波导口距离吸波混凝土板面升温速率

3.2 屏蔽状态对升温特性的影响

使用金属铝箔作为屏蔽材料粘贴在试件不同表面，得到自由、底屏、侧屏、全屏(底面、侧面均屏蔽)4种屏蔽状态[22]，如图7所示。

由于试验材料种类较多，选取石墨混凝土进行试验，分析屏蔽状态对混凝土温升的影响。试验结果如图8所示。

由图8可知，自由和底屏状态下试件表面不同位置处温差明显大于侧屏和全屏状态；自由和底屏状态下试件表面板角和板边位置升温较快，微波照射360 s后温度较高，而侧屏和全屏试件经微波照射后板面温度略高于板角和板边；同等微波照射时间下底屏试件表面可达更高温度。

图7 屏蔽试件

图8 不同屏蔽状态下石墨混凝土表面升温状况

由图9可知，不同屏蔽条件对吸波薄层混凝土试件表面不同位置的升温速率影响是明显不同的。由图9(a)可知，板中心点处升温速率侧屏最高、全屏次之、自由和底屏较低，考虑中心点处测点数量单一、升温速率相对较慢，试验结果受吸波组分分布差异和测量手段的偶然误差影响较大，故依据板中结果分析规律具有较大的局限性。由图9(b)可知，板面测点处底屏状态升温速率最高，另外3种状态速率结果相近。这是由于自由状态下入射微波能量经混凝土内部吸收反射后仍有一部分能量会以透射的形式离开混凝土，而底面屏蔽后此部分微波能量便会反射再次进入混凝土内部，从而被二次利用。因此进行吸波融冰道面结构设计时，有必要在吸波层下方设置微波屏蔽层，以有效提升吸波道面的融冰效率。由图9(c)和9(d)可知，底面屏蔽下升温速率明显高于其他屏蔽条件，而侧屏和全屏条件下升温速率最低。板边、板角均位于试件边缘，当侧面屏蔽后直接减少了此处接收的微波能量，故侧屏、全屏状态下这两处测点升温速率明显低于底屏、自由状态。

图9 不同屏蔽状态下几种吸波薄层混凝土的升温速率

根据上述分析得知，在吸波道面结构组合设计中，吸波层下方设置微波屏蔽层可有效提高道面表面的升温速率。另一方面，对吸波道面材料试验研究时有必要根据实际结构组合下的工作状态合理设置屏蔽状态，如对设置屏蔽层的吸波道面宜采用全屏状态、对吸波层下无屏蔽层的吸波道面结构宜采用侧屏状态。

3.3 混凝土厚度对升温特性的影响

以铁渣吸波表层结构为试验对象，5、8 和12 cm厚度铁渣表层混凝土分别在侧屏、全屏和底屏状态下的表面升温拟合结果如图10所示。

由图10可知，侧屏和全屏状态下不同厚度铁渣表层混凝土试件表面仅板中位置的升温速率差异较为明显，其他位置处升温差异较小，即侧面屏蔽后厚度变化对板面吸波升温的影响程度呈现中间高、四周低的规律，这是由于微波无法从侧面入射减少了侧面入射微波对试件表面升温的干扰。由底屏下的板中和板面测点升温速率得知，厚度5 cm试件可获得最大的升温速率，在板中位置处厚度8 cm比厚度12 cm试件升温速率高，而在板面位置处厚度8 cm与厚度12 cm试件升温速率相差无几。这表明屏蔽层深度距表面大于8 cm时，吸波表层已无法有效利用底面反射微波能量。

因此，试件厚度增加会导致表面升温速率降低，必然也会降低微波融冰效率。对于吸波水泥道面材料进行研究时，应统一试件厚度以减少试验偏差。通过对不同屏蔽状态下吸波表层混凝土的升温试验研究，得到吸波道面结构设计时反射屏蔽层距吸波层的距离应小于8 cm，以使得表面吸波层获得更好的吸波升温效率。

图10 不同厚度吸波表层混凝土表面的升温速率

3.4 干湿状态对升温特性的影响

以钢渣混凝土吸波薄层试件为试验对象，开展干燥、潮湿和饱水3种状态微波加热试验。采用板面4个测点实测数据分析干湿状态对表面吸波升温状态的影响规律，线性拟合结果如图11所示。

图11 不同干湿状态下钢渣混凝土板面的升温试验结果及拟合结果

由拟合结果可知，3种干湿状态下钢渣混凝土表面的吸波升温速率存在较小的差异，干燥、潮湿及饱水状态下混凝土表面的吸波升温速率分别为0.195、0.162及0.152，表明随着混凝土含水量升高表面吸波升温速率会有所降低。与干燥状态相比，潮湿状态下升温速率降低16.9%、饱水状态下升温速率降低22%。

3.5 结构形式对升温特性的影响

试验条件：干燥、自由无屏蔽、入射功率4 000 W、h=45 cm和40 s×8次加热方式。为分析一体化表层结构与分层薄层结构的升温特性优劣，选择板角及板中5测点实测温度作为拟合升温特性模型的基础数据，研究不同结构形式试件的升温速率[23- 24]。升温速率预估方法为：通过混凝土表面温度拟合曲线反向延长至-40 ℃，取-35 ℃对应的坐标与微波照射时间为0 s时曲线坐标，求得两坐标之间的斜率即为吸波混凝土升温速率。预估拟合曲线如图12所示。各混凝土表面升温模型方程如表10所示。

图12 吸波混凝土融冰工作温度区间内的升温效率预估

表10 吸波混凝土表面升温模型方程

不同类别吸波混凝土预估速率见表11。由表11可知，相对于普通混凝土，铁渣表层吸波混凝土升温速率平均提高了4倍，钢渣混凝土提高了54%，铅锌矿渣混凝土提高了33%，钢纤维混凝土提高了120%，石墨混凝土提高了42%，钢纤维&石墨复掺混凝土提高了73%。故吸波一体化表层结构升温速率明显高于掺有吸波组分的薄层混凝土结构，即吸波表层结构较分层式薄层结构具有更加高效的融冰效率。