受损碳／玻璃纤维格栅沥青混凝土融雪试验.pdf

姜宝龙等： 受损碳 玻璃纤维格栅沥青混凝土融雪试验 7 受损碳 玻璃纤维格栅沥青混凝 土融雪试验 姜宝龙 ， 宋世德 ( 大连理 工大学海岸和 近海工程 国家重点实验室 。 辽宁大连1 1 6 0 2 4) 【 摘要】 碳 玻璃纤维格栅不仅可以增强路面的性能， 而其中碳纤维良好的导电性则能够实现道路的融雪 化冰， 拓展土工格栅的应用范围。本文通过融雪试验研究沥青混凝土受损车辙试件的融雪化冰效果。试验中采 用车辙深度为 7 m m的试件， 试验结果表明， 碳纤维在明显受损时仍能形成良好的导电网络， 在加热不均匀的工况 下融化 5 0 ra m厚积雪仅用 2 5 h ， 总耗能 0 0 7 4 k W h 。因而本方法在沥青混凝土路面受损情况下仍然有很好的 效果 。 【 关键词】 碳 玻璃纤维格栅； 沥青混凝土； 车辙试件； 融雪 ； 受损 【 中图分类号】 T U 5 2 8 4 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 0 7 0 3 交通运输是国家经济的重要组成部分 ， 与我们 的 生活息息相 关 。冬 天路 面 的积雪 和结 冰严 重 影 响交 通的畅通和行车安全， 各类事故和交通瘫痪给国家和 人 民造成不可估量的损失。城市 中最常采用除雪方 法有传统的人工机械方法和基于融冰盐的化学除冰 法 ， 前者效率低， 易导致路面机械损坏， 后者易造成 环境污染和钢筋锈蚀 ， 从而带来更大的安全隐患和 生态问题。为此科研人员发展了众多新型的融雪化 冰方法 ， 比如 美 国 S h e r i f 采 用 钢纤 维混 凝 土 电加 热 融雪 ， 但受混凝土碱性环境的影响加热电阻在一年内 增大了6 o倍； 王小英 等人研究石墨导电混凝土， 但 石墨较大掺量会降低混凝土强度； 李卓球 等人研究 碳纤维导电混凝土及其融雪化冰性能； 吴智敏等人通 过 在钢筋上布设 碳纤维 发热线 的方 式实现 融雪 化冰 ， 并得出了一些非常有价值的理论和结果 。 本课题 组采 用碳 纤 维 和玻 璃纤 维 编织 成 土工 格 栅 ， 并对其融雪化冰性能进行研究。由于土工格栅优 良的性能和对基体明显的加强作用， 而被用于堤坝、 渠道、 铁路、 公路等 的加固。玻璃格栅 双向均是玻璃 纤维材料 ， 具有抗拉强度高、 耐热耐腐蚀、 化学性质稳 定、 涂覆以后与沥青材料相容性好等特点， 能够大幅 3结语 玻化微珠的掺量越大， 砌块块体密度越低 ， 近似 成线性关 系。随着玻 化微 珠掺 量 的增 多 ， 砌 块抗压 强 度显著降低 ， 砌块的热阻随之增大。 参考文献 1 刘媛春 新型节能墙体研究 D 哈尔滨： 哈尔滨工程大 学。 2 0 0 6 2 B L a e a r r i e r e ， B I a r t i g u e ， F M o n c h o u x N u m e r ic a l s t u d y o f h e a t 度提高沥青路面承载力和抗车辙能力 ， 抑制裂缝的同 时延长了沥青路面的使用寿命 ， 因而在全国各省市 的高速公路工程以及 旧路改造中得到广泛应用 。 碳 玻璃纤维格栅则是将其中一向的玻璃纤维替换为 抗拉强度高、 性能稳定的碳纤维， 因此其在沥青混凝 土中的作用与玻璃纤维格栅相似， 部分力学性能则优 于传统玻璃纤维格栅。 现阶段我国路面材料仍以沥青混凝土为主， 而车 辙则是沥青路面普遍存在的一种病害。本课题组之 前的研究工作表 明， 碳 玻璃纤维混合编织网增强水 泥混凝土在通电后能形成 良好的导电网络， 电热性能 稳定， 融雪化冰效果 良好 “ 。碳 玻璃纤维格栅在 没有受损的沥青混凝土路面融雪化冰效果与在水泥 混凝土路面的结论一致， 但在受损路面的融雪化冰效 果则无人涉及， 而这种极端工况恰恰能够反映所采用 的融雪化冰方法 的工程适应 性 。基 于此 ， 本论 文设 计 了车辙破坏试件 的融雪试验， 研究碳 玻璃纤维格栅 在受损沥青混凝土路面中融雪的效果 ， 为将来本方法 在实际工程中的应用和推广提供相关的理论依据和 试验支持 。 1 试件 制作 t r a n s f e r i n a w a l l o f v e r t i c a l l y p e rfo r a t e d b r i c k s ： i n f l u e n c e o f a s s e m b l y m e t h o d J E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 2 0 0 3 ， 3 5 ： 2 2 9 2 3 7 3 张泽平 ， 董彦莉 ， 李珠 玻 化微 珠保 温混 凝土 正交试 验研 究 J 混凝土 与水 泥制 品， 2 0 0 7， 6： 5 55 7 4 冉茂宇 非均质围护结构传热系数的简化计算及检测方法 J 建筑科学， 2 0 0 7 ， 2 3 ： 2 6 3 O 收稿 日期 2 0 1 3 0 5一o 7 作者简介 汪洋( 1 9 7 1 一) ， 男， 江苏连云港人， 工程师， 从 事建筑施工方面的研究工作。 8 低温建筑技术 2 0 1 3 年第9 期( 总第 1 8 3 期) 试验用沥青混凝土车辙试件的尺寸为 3 0 0 m m x 3 0 0 ra m 5 0 ra m， 按照J T G E 2 0 2 0 1 1 公路工程沥青及 沥青混合料试验规程 通过轮碾法制作成型。 预埋的碳 玻璃纤维格栅 ， 经向为碳纤维束 ， 纬向 为耐碱玻璃纤维束， 网格尺寸为2 0 m m 2 0 m m， 格栅埋 深2 5 m m。试验前将格栅采用高温环氧树脂浸渍处 理， 环氧树脂 固化后将纤维束结成一体， 可以提高内 外层纤维丝的协同受力能力， 及纤维束和基体的黏结 能力， 对于耐碱玻璃纤维束可以进一步提高其使用寿 命， 而对于碳纤维束则可以起到绝缘作用。格栅中碳 纤维束和玻璃纤维束的参数如表 1所示。 表 1 格栅材料 性能 制作好的沥青混凝土试件首先通过车辙试验， 形 成深度达7 m m的车辙， 如图 1 所示。 在试件底面和左右两侧放置 4 0 m m厚聚苯乙烯泡 沫， 接线的两侧则喷涂 3 0 ra m厚聚氨酯 ， 以保证底部和 四周的热绝缘 ， 为了进一步提高保温效果， 接缝处用 聚氨酯封堵 。 碳纤维玻璃纤维 图I 化雪车辙试件 图2 格栅示意图 零 藿 客 车辙试件受试验模具开孔的限制 ， 在制作时只保 留图 2中所示的 8 根碳纤维束， 而其它 6根纤维束剪 断， 因此即使是未经过车辙碾压 的试件 ， 其加热也并 非均匀， 但此处研究的重点是在较深的车辙下碳纤维 束的加热融雪能力是否受到明显的影响， 因此可以忽 略加热间隔不均匀的影响， 而在实际的应用 中， 碳纤 维束的间隔可以根据实际加热功率的需要， 等间隔布 置， 并且可以通过间隔接通的方式调整加热功率。图 2中的8根碳纤维束若全部并联后总电阻为 1 2 4 l l ， 而采用 串联的方式 电阻为 8 6 3 9 1 1 ， 通过 改变碳 纤维束 之间 的连接 方式可 以 调节 总加 热 电 阻。对 于 2 4 V直 流电源 ， 加热功率可在 6 6 7 4 6 4 5 2 W 之 间变化 。 本试验将相邻的两根碳纤维束两两串联， 即5和 6串联编号为 I， 2 、 3串联编号为 ， 1 、 4串联编号为 ， 7 、 8串联编号为。 试验前用万用表测量每组碳纤维束串联后 的电 阻值， 并计算试 件在 1 2 2 V供 电时的加热功率 ， 见 表 2 。 表2 碳纤维束电阻及加热功率 本试验采用的是车辙试验后的受损试件， 因此从 表 2中可以看出， I的电阻值明显高于其他几个编号 的电阻， 这是 由于在试件制作过程， 受到骨料挤压和 剪切的作用， 碳纤维束本身受到一定 的破坏而导致 的。但是这恰恰是本实验的目的： 验证实际应用过程 中当碳纤维柬受损以后对融雪化冰的效果影响。 I、 、 、 则再通过并联的方式连接到大功率 电源。接头处用机械接头压紧在一起 ， 接头外包有塑 料外壳 ， 并用环氧树脂密封 ， 防止外部积雪和融化的 雪水对接头的影响。试件上下表面中间位置各放置 一 个 P t l 0 0铂电阻温度传感器用以采集和传递温度信 号。制作好的沥青混凝土试件如图 1 所示。 2试验装置 试验中用到的试验装置有 2 4 V 1 5 A可调直流电 源、 多通道温度采集仪、 P t l 0 0铂电阻温度传感器和高 精度数字万用表 。 3试验过程 融雪试验在室外进行， 室外温度 0 ， 降雪等级为 中雪， 北风 2 3 级。为确保试验时板的温度和路面达 到一致， 试验之前先将制作好的融雪小板试件放置试 验地点 5 h 。由于降雪过程在深夜 ， 试验开始时降雪过 程已经停止， 因此手动将新雪均匀铺撒在试件表面， 厚度为 5 0 ra m， 中间车辙位置的雪厚度大于其它位置。 将电源电压设定在 1 2 2 V， 开始升温加热， 小板加热功 率 2 9 4 w， 约 3 2 7 Wm 2 ， 总电流为2 4 l A。 图 3给 出整个试验过 程 的温升 曲线 ， 从 图 中可 以 看出， 通电以后， 碳纤维将电功率转换为热功率， 对整 个试件加热 ， 加热前的状态如图4 ( a ) 所示； 在整个融 雪过程中， 室外温度变化不大， 变化 幅度约为 1 左 右 ； 而试件上表面的温度始终维持在一个比较平稳 的 状态 ， 通电 6 0 m i n积雪融化如图 4( b ) 所示 ， 当通 电 1 2 0 m i n如 图 4 ( c ) 所示 ， 中间的积雪 已经完 全融化 ， 此 时表面温度明显上升 ， 通电 1 5 0 m i n 后试件表面温度已 经上升到 9 e， 如图 4 ( d ) 所示 ， 此时试件表面的积雪 已经全部被融化， 融雪过程结束； 下表面由于受保温 层 的影 响在融雪 的过程 中温度持续升高 。 整个融雪过程中电源电压始终保持在 1 2 2 V， 而