不同摻和物對(duì)瀝青混凝土路面融雪性能的影響王承鑫;王艦;高宇;李紹鵬;吳鵬輝【摘要】針對(duì)當(dāng)下冬季傳統(tǒng)道路除雪除冰方式的不足,以煙威地區(qū)降雪量數(shù)據(jù)為例,討論了新型瀝青混凝土導(dǎo)電路面與傳統(tǒng)路面除冰除雪方式的差異,并對(duì)石墨鋼纖維復(fù)合瀝青混凝土路面和碳纖維電熱格柵瀝青混凝土路面進(jìn)行了除冰實(shí)驗(yàn)對(duì)比,進(jìn)而在碳纖維電熱格柵瀝青混凝土路面的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良.證明無論是出于安全考慮還是出于經(jīng)濟(jì)考慮采用埋設(shè)碳纖維格柵的瀝青混凝土路面進(jìn)行路面自融雪都是一種行之有效的方式.【期刊名稱】《科學(xué)技術(shù)與工程》【年（卷）,期】2018（018）028【總頁數(shù)】5頁（P241-245）【關(guān)鍵詞】鋼纖維;碳纖維;融雪;瀝青【作者】王承鑫;王艦;高宇;李紹鵬;吳鵬輝【作者單位】哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）土木工程系,威海264209;哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）土木工程系,威海264209;哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）土木工程系,威海264209;哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）土木工程系,威海264209;哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）土木工程系,威海264209【正文語種】中文中圖分類】U418.326近年來，中國對(duì)公路道路的投資建設(shè)力度不斷加大，交通運(yùn)輸成為影響國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的重要因素。在寒冷的冬季,當(dāng)路面因降雪而結(jié)冰時(shí),路面附著能力大大降低,對(duì)行駛車輛的驅(qū)動(dòng)性及安全性極為不利。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冬季15%~30%左右的交通事與路面積雪有關(guān)［1］，特別是高速公路，極易發(fā)生連續(xù)追尾等重特大交通事故。嚴(yán)重的路面積雪將造成道路關(guān)閉,給道路暢通帶來了嚴(yán)重影響,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失［2］目前的除雪方式主要是人工除雪、機(jī)械除雪、融雪劑除雪，但這些除雪方法均具有事后性，不能保證積雪的及時(shí)清除。機(jī)械除雪和人工除雪具有成本高、效率低和封閉交通時(shí)間長等缺點(diǎn)，而撒融雪鹽會(huì)造成環(huán)境污染、鋼筋銹蝕等問題。此外，對(duì)于橋梁、機(jī)場跑道、高速公路端口、道路彎道、隧道進(jìn)出口、坡路等交通負(fù)荷較重的特殊路段區(qū)域融冰雪有時(shí)不只是出于經(jīng)濟(jì)上而且對(duì)于出行安全更是亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題［3］。因此，為了提高重要交通基礎(chǔ)設(shè)施的抗冰雪災(zāi)害能力，保證道路的暢通性和舒適性，對(duì)自融雪路面的研究顯得格外重要［4］。1石墨鋼纖維復(fù)合瀝青混凝土路面［5］實(shí)驗(yàn)原料瀝青選擇瀝青性能時(shí)，應(yīng)該著重考慮其老化性、流變性、穩(wěn)定度、拉伸強(qiáng)度四個(gè)方面?，F(xiàn)以煙威地區(qū)道路工程中常用的70#瀝青作為實(shí)驗(yàn)材料。石墨為了提高融雪除冰效率，實(shí)驗(yàn)采用導(dǎo)電能力較強(qiáng)的高純膠體石墨。集料與礦粉粗集料為玄武巖碎石，連續(xù)級(jí)配，最大粒徑為19mm；細(xì)集料為砂子，實(shí)驗(yàn)采用中砂；礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)石粉。制備工藝混合料摻量設(shè)計(jì)在試驗(yàn)中，采用長寬高分別為20cm、20cm、5cm的模具。通過計(jì)算總密度的方法來確定各個(gè)物質(zhì)的用量，最后得出石墨57.9g，礦粉67.1g，粗集料800g，細(xì)集料1575g，瀝青185.6g，鋼纖維50g。試件結(jié)構(gòu)組成試件結(jié)構(gòu)組成由下至上為粗集料瀝青混凝土面層-鋼纖維電熱格柵-細(xì)集料瀝青混凝土面層，上下兩面層厚度比為1:2。混合料拌和使用數(shù)顯混合料攪拌機(jī)對(duì)混合料進(jìn)行攪拌，操作步驟如下：①儀器溫度升高至170°C;②加入粗細(xì)集料并攪拌90s；③加入鋼纖維碳纖維并攪拌90s；④加入液態(tài)瀝青并攪拌90s；⑤加入礦粉并攪拌90s；⑥加入石墨并攪拌90s。試件成型在模具接觸面和底面涂抹潤滑脂后，趁熱將攪拌后的混合料倒入模具中，混合均勻，壓實(shí)成型。馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度規(guī)定不小于6kN。將上述原料制成的試件放在馬歇爾穩(wěn)定度測試儀中進(jìn)行測得到該混凝土試塊馬歇爾穩(wěn)定度為13.6kN，該試塊滿足工程要求。測試電極的設(shè)計(jì)電極與試件間的接觸電阻過大會(huì)導(dǎo)致電阻測試值遠(yuǎn)高于實(shí)際電阻，因此，減小接觸電阻是測試試件電阻的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)中采用銅片作為電極，在銅片上均勻地涂抹導(dǎo)電膏來減小接觸電阻。實(shí)驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)電性測量將壓實(shí)之后的試塊冷卻至室溫21.2°C,把涂有導(dǎo)電膏的銅片粘在試件側(cè)面，接通36V的直流電源(試件兩端電壓為30.8V)，每隔5min測量并記錄試塊的上表面溫度，如圖1和圖2所示。試件上表面溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。圖1鋼纖維試件Fig.1Thespecimenofsteelfiber圖2試塊導(dǎo)電性測量Fig.2Testblockconductivitymeasurement圖3溫度-時(shí)間變化曲線Fig.3Temperaturechangingcurveswithtime室內(nèi)化冰實(shí)驗(yàn)將50g冰碴均勻地在經(jīng)冷凍處理的試件上鋪開，接通36V電源，觀察冰碴的融化情況并開始記時(shí)，待冰碴完全融化，停止計(jì)時(shí)。用時(shí)1h16min。新下的雪密度為0.1g/cm3，因此50g新下的雪在該試件上的厚度h為(1)故由化冰實(shí)驗(yàn)及計(jì)算推導(dǎo)可知按照方案一設(shè)計(jì)的導(dǎo)電試件融化2.5cm厚的雪需要76min。2碳纖維電熱格柵瀝青混凝土路面[6]實(shí)驗(yàn)原料瀝青、礦粉、粗集料和細(xì)集料與方案一相同，碳纖維束實(shí)驗(yàn)采用日本東麗公司生產(chǎn)的T700S系列碳纖維。制備工藝混合料摻量設(shè)計(jì)瀝青、礦粉、粗集料、細(xì)集料的特性與用量均同方案一，另外加入質(zhì)量為1.478g的碳纖維格柵。試件結(jié)構(gòu)組成試件結(jié)構(gòu)組成由下至上為粗集料瀝青混凝土面層-碳纖維電熱格柵-細(xì)集料瀝青混凝土面層，上下兩面層厚度比為1:2,如圖4所示。仍采用長寬高分別為20cm、20cm、5cm的模具。圖4碳纖維試件Fig.4Thespecimenofcarbonfiber混合料拌和對(duì)混合料進(jìn)行攪拌，操作步驟如下：①數(shù)顯混合料攪拌機(jī)溫度升高至170°C;②加入粗集料并攪拌90s:③加入液態(tài)瀝青并攪拌90s;④在模具接觸面和底面涂抹潤滑脂，趁熱將混合物倒入模具中并壓實(shí)至厚度為模具厚度的三分之二；⑤將12根20cm長的碳纖維束等間距排列在下面層上；⑥數(shù)顯混合料攪拌機(jī)溫度升高至170C;⑦加入細(xì)集料并攪拌90s:⑧加入液態(tài)瀝青并攪拌90s；⑨趁熱將混合料倒入模具中，壓實(shí)至表面與模具表面平齊。馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)將上述原料制成的試件放在馬歇爾穩(wěn)定度測試儀中進(jìn)行測試得到該混凝土試塊馬歇爾穩(wěn)定度為11.2kN，該試塊滿足工程要求。試件成型及測試電極的設(shè)計(jì)方法與方案一相同。室內(nèi)試驗(yàn)將50g冰碴均勻地在經(jīng)冷凍處理的試件上鋪開，接通36V電源，觀察冰碴的融化情況并開始計(jì)時(shí)，待冰碴完全融化，停止計(jì)時(shí)。用時(shí)16min22s。故由化冰實(shí)驗(yàn)可知按照方案二設(shè)計(jì)的導(dǎo)電試件融化12.5mm厚的雪需要17min左右。3兩方案比較由兩方案的實(shí)際試驗(yàn)可得數(shù)據(jù)，如表1所示。表1方案一、二相關(guān)數(shù)據(jù)比較Table1Correlationdatacomparisonofschemeoneandschemetwo技術(shù)指標(biāo)方案一方案二瀝青用量/g185.6185.6礦粉用量/g67.167.1碳纖維摻量/g01.478鋼纖維摻量/g500石墨摻量/g57.90粗集料用量/g800800細(xì)集料用量/g15751575化冰(50g)時(shí)間/min7617比較可知，在碳纖維格柵用量明顯小于鋼纖維和石墨的情況下，化冰速度仍遠(yuǎn)快于方案一，因此，方案二優(yōu)于方案一，但是在方案二的基礎(chǔ)上仍然可以進(jìn)一步改良。4方案二改良輸出電壓的確定為了保證行人車輛的安全，將四車道路面串聯(lián)總電壓控制在36V,即每一車道電壓為9V，故輸出電壓調(diào)節(jié)至9V。路面控溫設(shè)施為了保證行車安全，防止路面溫度過高引起路面的損壞變形，降低能源的不必要浪費(fèi)，實(shí)驗(yàn)中使用SM6—LCD型高精度智能控溫器對(duì)路面溫度進(jìn)行控制。控溫器工作機(jī)理將控溫器的測溫探頭置于試件表面，探頭測得試件表面溫度并將溫度傳回控溫器?？販仄骺稍O(shè)置啟動(dòng)溫度和停止溫度，當(dāng)探頭傳回的溫度低于啟動(dòng)溫度時(shí)控溫器處于通電狀態(tài)，開始加熱。當(dāng)探頭傳回溫度超過停止溫度時(shí)斷電，加熱停止。改良裝置改良完成后，裝置如圖5所示。圖5改良版裝置Fig.5Improvedversion室內(nèi)實(shí)驗(yàn)制作了碳纖維束埋入根數(shù)分別為8、10、12、14、16的五個(gè)試件如圖6所示，選取埋入根數(shù)為12根的試件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，相關(guān)指標(biāo)如表2所示。圖6不同碳纖維埋入根數(shù)試件Fig.6Samplesofdifferentcarbonfibersembeddedintherootnumber表2碳纖維指標(biāo)Table2Theindexofcarbonfiber試件埋入根數(shù)/根摻量/g總截面積/10-4cm2間距/cm180.73918.482.222100.92423.11.823121.10927.721.544141.29432.341.335161.47936.961.18注：碳纖維規(guī)格為6K(即每根碳纖維含的單絲6000)，單絲直徑為7pm。試件工作性能測試控溫器開始溫度設(shè)置為-7°C,停止溫度設(shè)置為30°C。打開電源，調(diào)節(jié)輸出電壓為9V,每隔1min測量并記錄試件上表面的溫度，試件上表面溫度隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。圖7溫度-時(shí)間變化曲線Fig.7Temperaturechangingcurveswithtime由圖7可以分析出，在無冰情況下試件表面平均每10min溫度升高4C左右，當(dāng)路面溫度達(dá)到控溫器停止溫度30°C時(shí)，控溫器開始工作，路面溫度趨于平穩(wěn)。室內(nèi)化冰實(shí)驗(yàn)將100g冰碴均勻地在經(jīng)冷凍處理的試件上鋪開，接通電源，調(diào)節(jié)試件兩端電壓為9V,觀察冰碴的融化情況并開始計(jì)時(shí)，待冰碴完全融化，停止計(jì)時(shí)。用時(shí)56min56s。由化冰實(shí)驗(yàn)可知根據(jù)方案二的改進(jìn)方案設(shè)計(jì)的埋有12根碳纖維的試件融化12.5mm厚新下的雪需要23min28s。5數(shù)據(jù)計(jì)算[7]發(fā)熱利用率計(jì)算導(dǎo)電瀝青混凝土的發(fā)熱功率為P=UI(2)式(2)中,P為發(fā)熱功率，W;U為電壓(以9V計(jì)，若電壓大于此值，發(fā)熱功率也會(huì)相應(yīng)提高)；I為電流。以埋入12根碳纖維束的邊長為0.2m的試塊為例計(jì)算。代入數(shù)值計(jì)算得P=2.77x9=24.93W。單位面積發(fā)熱功率為P0=24.93m(0.2x0.2)=623.25W/m2。通過查閱資料可知雪的平均密度為100kg/m3，當(dāng)積雪厚度為2.5cm時(shí)：Q=cm(3)式(3)中，Q為雪融化時(shí)吸收的熱量，J;c為雪的融化熱，c=3.36x105J/kg;m為積雪的質(zhì)量,m=100x0.2x0.2x0.025=0.1kg。經(jīng)計(jì)算得Q=0.1x3.36x105=33600J。計(jì)算發(fā)熱的利用率：K=Q/Pt=39.5%(4)式(4)中，P為導(dǎo)電瀝青混凝土發(fā)熱功率；K為傳熱效率；t為發(fā)熱時(shí)間。熱量損耗系數(shù)的計(jì)算熱量損耗的途徑主要是試件表面與四周空氣產(chǎn)生的對(duì)流輻射損失：H=1-K=60.5%(5)埋入不同根數(shù)碳纖維試件的融雪效果計(jì)算由已知的熱量損耗系數(shù)分別計(jì)算碳纖維埋入根數(shù)為8、10、12、14、16的五組試件在9V電壓下的融雪效果，如表3所示。表3融雪效果Table3Snowmeltingeffect試件電流/A功率/W通電1.5h融雪厚度/cm對(duì)應(yīng)降雪等級(jí)12.1219.083.08中雪22.4822.323.61中雪32.7724.393.95中雪43.1228.084.55中雪53.5632.45.24大雪注：各試件兩端電壓均為9V。5.4經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算因?yàn)槿鳆}除雪對(duì)路面、環(huán)境、車輛都有損傷，因此只計(jì)算除雪車除雪方式和自融雪瀝青混凝土路面融雪方式所需費(fèi)用。調(diào)查資料得知：威海市環(huán)翠區(qū)每年平均降大雪4次，每次降雪持續(xù)12h左右，12h降雪厚度為60mm。為了保持路面暢通，需將路面積雪厚度保持在5mm以下。以環(huán)翠區(qū)10km長15m寬的四車道路面進(jìn)行計(jì)算。(1)除雪車除雪所需成本：4臺(tái)除雪車(每臺(tái)15萬元)、除雪車維修費(fèi)用以及油費(fèi)(每臺(tái)每年萬元)、除雪車司機(jī)工資(每車設(shè)兩人，人均月工資6500元)、堵塞造成的經(jīng)濟(jì)損失（7.5萬元/年）。⑵自融雪瀝青路面所需成本：碳纖維費(fèi)用（6.65元/m2）、碳纖維格柵鋪設(shè)工人費(fèi)用（5萬元）、電費(fèi)以及維護(hù)費(fèi)用［4.4元/（m2?年）］。根據(jù)上述費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算可得每平方米路面除雪費(fèi)用，如表4所示。表4除雪費(fèi)用Table4Thecostofsnowremoval時(shí)間總費(fèi)用/（元?m-2）除雪車除雪自融雪路面第1年末10.1711.38第2年末15.9315.78第3年末21.6920.18第4年末27.5524.58第5年末33.2128.98由表4中數(shù)據(jù)可以看出，在融雪效果相同的情況下，應(yīng)用自融雪瀝青混凝土路面除雪的方法，雖然前期鋪設(shè)路面時(shí)的花費(fèi)多于除雪車除雪，但因其人工費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用較低，故在兩年后所需費(fèi)用便與除雪車除雪的費(fèi)用相差無幾，而當(dāng)使用年限超過兩年時(shí)，其除雪費(fèi)用逐漸低于除雪車除雪的方式。因此從長遠(yuǎn)來看應(yīng)用自融雪瀝青混凝土路面除雪更加經(jīng)濟(jì)合理。6結(jié)論與傳統(tǒng)的融雪方式相比，自融雪方式對(duì)于公路兩側(cè)植被的起保護(hù)作用［8］。大大節(jié)約機(jī)械設(shè)備投資和人力資源投入，減少機(jī)動(dòng)車慢行帶來的尾氣排放并避免除冰鹽造成的環(huán)境污染，且成本較低，可以廣泛用于十字路口、收費(fèi)站等車流量較大的地方，來緩解冬季由于下雪造成的交通擁堵現(xiàn)象；還可以用于高速公路、飛機(jī)場等對(duì)于行車速度要求較高的地方，減少封路時(shí)間，應(yīng)用前景廣闊?；鶎?shí)驗(yàn)表明，采用埋設(shè)碳纖維格柵的瀝青混凝土路面進(jìn)行路面的融雪化冰是一種行之有效的方式。但在如何進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及除雪融冰智能控制方面仍需進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)】傅沛興.北京道路冬季融雪問題的研究.市政技術(shù),2001;29(4):54—59FuPeixing.StudyonsnowmeltinginBeijingroadinwinter.MunicipalTechnology,2001;29(4):54—59朱澤遠(yuǎn),王卓然,段建平,等.鋼纖維對(duì)導(dǎo)電瀝青混凝土路面性能的影響.混凝土與水泥制品,2018;(3):54—57ZhuZeyuan,WangZhuoran,DuanJianping,etal.Influenceofsteelfiberontheperformanceofconductiveasphaltconcretepavement.ConcreteandCementProducts,2018;(3):54—57孫玉齊.鹽化物自融雪瀝青路面性能研究.西安：長安大學(xué),2011SunYuqi.Studyontheperformanceofsalinizedsnowmeltingasphaltpavement.Xi'an:Chang'anUniversity,2011磨煉同.導(dǎo)電瀝青混凝土的制備與研究.武漢：武漢理工大學(xué),2004MoLiantong.Preparationandstudyofconductiveasphaltconcrete.Wuhan:WuhanUniversityofTechnology,2004孫森.鋼纖維瀝青混凝土路用性能研究.鄭州：鄭州大學(xué),2012SunSen.Studyonpavementperformanceofsteelfiberreinforcedasphaltconcrete.Zhengzhou:ZhengzhouUniversity,2012高宇星.碳纖