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嵌入式导电沥青混凝土路面结构热效应特性研究

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喷水壶|  楼主 | 2018-8-22 20:32 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
目前我国公路部门针对道路结冰的主要措施大都停留在被动式除冰、除雪思维定式下,如采用机械除雪,撒盐破冰等。这些措施不但需要大量的人力、物力,而且对环境的负面影响不容忽视,尤其是撒盐破冰,还极易造成桥梁的侵蚀性破坏。美国NebraskaDepartment of Roads导电混凝土桥面除雪化冰项目对各种除雪方式的成本进行分析,其结果表明:在不同的加热融雪法中,导电混凝土的成本最低,为MYM48/m2,其次为电热丝法。国内外许多研究人员认为导电混凝土有潜力成为最经济有效的桥面除雪化冰方式。然而,常规的单层导电沥青混凝土的能量损失相对较大,即升温快,散热也快。为此,本文利用普通混凝土的导热能力较弱,而导电沥青混凝土导热性能较强且粘合性能好的特点,将一层复合多相导电沥青混凝土嵌入槽形的外围普通混凝土中。这样,充分利用普通混凝土的保温功能,从而防止了导电沥青混凝土充电发热时热量的大量损失;同时,还能有效的防止导电钢筋外露、锈蚀及导电时杂散电流的发生。该技术在充分提高道路破冰、融雪效率的前提下,既能节省单位造价,还能很好的保护环境。



实验原理及方法



根据导电高分子理论基础,通过掺入适宜导电材料,如石墨粉、碳纤维等,可望获得电阻率10~103Ω·m的导电沥青混凝土。在实验过程中,按体积比往导电沥青混凝土试块中掺入不同的碳纤维含量,得到碳纤维体积掺量与电阻率的关系表明,掺入3%以内(体积比)碳纤维时,沥青混合料保持高的电阻率。继续增加掺量,当体系中的掺量达到一个临界值(4.7%)时,体系中的电阻突然下降,变化幅度显著。此后,增加到约6%时,即使导电填料的继续增加,电阻率变化趋平缓。



掺入石墨后其对沥青混凝土导电性能的改善效果明显。石墨的临界体积百分数为12%,电阻率突变前后相差9个数量级。增加石墨的体积百分数,达到25%后沥青混凝土的电阻率可降到10Ω·m以下。另外,导电率随着石墨用量增加而增加,在石墨/沥青比为1:2时,导电率变化明显,是导电率突变的敏感区域。



据此,本文按体积比掺入4.5%的碳纤维、20%的石墨粉制作导电沥青混凝土试样,并按单层导电沥青混凝土、嵌入式导电沥青混凝土2种工况分别成型,最终形成复合多相导电沥青混凝土。使用充电加热法,测试2种导电沥青混凝土试件的表面温度,从而对比分析和研究各自的导热和散热特性。



实验过程及实验数据



单层导电沥青混凝土传热实验



①实验过程。单层导电沥青混凝土使用导电加热法,测试电压单位为V,测试电流单位为A。分别观察和记录试件在干燥和湿润环境下的传热情况。②实验数据。以30s为时间间隔,记录每一个时段的温度,单层导电沥青混凝土试块充电90min后断电,观察其传热及散热的过程。得到干燥及湿润状态下的温度变化值。



嵌入式导电沥青混凝土传热实验



嵌入式导电沥青混凝土试块充电150min后断电,同样观察其传热及散热的过程。



实验结果分析



a.根据单层导电沥青混凝土传热实验温度曲线可知:①在150min的充电时间内,在干燥和湿润二种环境下,单层导电沥青混凝土试块单位时间内表面温度平均上升2.296℃/h和2.456℃/h。②在80min的断电时间内,在干燥和湿润二种环境下,单层导电沥青混凝土试块单位时间内温度表面温度平均下降1.12℃/h和1.28℃/h。b.根据嵌入式导电沥青混凝土传热实验温度曲线可知:①在90min的充电时间内,在干燥和湿润二种环境下,嵌入式导电沥青混凝土试块,即导电沥青混凝土—普通混凝土组合路面结构试块单位时间内表面温度平均上升3.11℃/h和4.44℃/h。②在30min的断电时间内,导电沥青混凝土—普通混凝土组合路面结构试块单位时间内表面温度平均下降0.15℃/h和0.36℃/h。c.进一步分析两个实验曲线可知:在湿润条件下,由于导电沥青混凝土内部碳纤维周围水汽的导电性和冷凝迁移,同干燥状态相比,导电沥青混凝土的导电传热能力进一步提高,表现出湿润条件下试块表面温度快速升高,这一现象更加贴近冰雪条件下的路面实际情况。d.以上数据表明,导电沥青混凝土具有较强的导热性能,并借助普通混凝土的传热性能弱,一方面对导电沥青混凝土起一个很好的保温作用;另一方面,同完全暴露在空气中的单层导电沥青混凝土相比,嵌入式导电沥青混凝土外围的普通混凝土,有效的隔绝了在空气中的热扩散。因此,对比单层导电沥青混凝土,嵌入式导电沥青混凝土的热效应明显提高,即在充电条件下融雪化冰能力大为加强。e.此外:电流及电压均没有因为通电时间的增加而有明显的变化,即实验过程中电流、电压稳定,该技术可行。



结论



导电沥青混凝土除了能满足良好的路用性能外,还具有优异的电学性能,是一种新型的、多功能的沥青混凝土。嵌入式导电沥青混凝土组合路面结构,有机的利用了普通混凝土的绝缘保温功能及导电沥青混凝土自身优良的导电传热特性,从而防止了导电沥青混凝土充电发热时热量的大量损失,使导电沥青混凝土路面在充电条件下融雪化冰效果进一步明显。







                    





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