相变储能控温复合桥面抗滑防冻设计及应用

王奥克龙杰

中机国际工程设计研究院有限责任公司湖南长沙410007

摘要：针对我国现有桥面结冰现状，通过引入复合多元醇相变储能材料体系及梯度功能材料设计方法，总结复合桥面材料及结构制备技术，在室内试验基层上设计出一种新型抗滑防冻桥面功能梯度结构。相比普通桥面结构，相变储能控温复合桥面结构采用了自主开发的相变功能层，其主体由截面60mm×40mm，长度10.2m的方形无缝钢管，间隔60mm横向平行铺设而成，内部填充液态相变储能材料。利用液相-固相放热原理，在一定程度上减缓桥面结构现象，进一步提高路面抗滑性能，保证了桥面低温安全出行。结果表明：复合多元醇相变储能控温材料在郴州匝道实际应用效果良好；相变储能控温功能层的钢管和桥面混凝土形成整体，对结构整体起到一定加筋作用，进一步提高了桥面整体稳定性；在冬季严寒条件下，在一定程度上有效减缓了桥面雨雪结冰过程，对降低冬季桥面交通事故有一定的促进作用。

关键词：桥面；混凝土；功能梯度；相变控温

0引言

冬季路面结冰现象严重，已严重影响道路交通安全，交通事故不断，尤其是桥梁路面，在气温骤降，空气潮湿情况下，表面极易形成冰层而容易导致突发交通事故，造成桥梁段路面交通拥挤问题。据统计冬季桥面结冰为引发交通事故的一个重要因素，桥面结冰已严重威胁到驾驶人员的生命财产安全，，如何缓解路面积雪结冰将成为道路路面研究的重点方向[1-2]。

目前抑制桥面积雪结冰的有效方法主要可以分为被动型和主动型两大类。被动型主要方法为撒融雪剂以及人工、机械除雪除冰等措施。但被动型方法除冰存在腐蚀路面、污染环境、耗能等缺陷，造成道路二次伤害。国内现状在被动型方案实施时还缺乏指导性规范，实施现场效果差异较大。主动型抗冰防滑主要通过新技术，预先埋设好相关材料或者相关设备等方法进行路面温度控制，将路面温度控制在冰点以上，达到融雪防滑目的。主动型方面桥面防滑防冻研究较少，例如谭红霞[3]利用现有桥面铺装层结构钢筋网，在结构钢筋网中敷设发热丝，对路面进行加热，通过智能控制从而实现温度智能可控，低温时加热路面，高温时断开回路，进而达到路面控温。李顺清[4]对现代除冰技术在粤北段的运用进行了系统比较。为填补主动型桥梁控温技术，本次采用复合多元醇相变储能材料体系及梯度功能材料设计方法，并通过相变控温技术结合实际工程施工的实践[5]，为进行一步解决桥面抗滑防冻问题提供一定的借鉴和应用经验。

1相变控温原理

相变材料（PhaseChangeMaterials，缩写PCM），利用材料的物态变化进行吸热或放热的能量储存材料[6-8]。相变储能材料根据相变过程主要归纳为三个方面：固-液、固-气、液-气相变储能材料；按相变控温范围又可分为高、中、低相变储能材料；按照成分又可分为无机物和有机物两种材料[9-11]。

相变储能材料主要利用材料物理形态变化，从而与外界进行吸热或放热的过程，来达到路面控温的效果，控制好相变温度临界点，高于温度临界点时吸热，低于相变点时放热，对道路路面温度进行整体稳定，根据材料的物理变化循环使用。

2复合防冻桥面设计

2.1相变储能材料选型

进行相变控温材料选型主要考虑几点方面[12]：（1）相变临界点，0-5℃为宜，临界点根据现场实际情况进行调节；（2）物态变化形态变化率低；（3）相变的可逆性要好；（4）具有足够大的相变潜热；（5）制作原料廉价易得；（6）无毒性、无腐蚀性、无降解。

综合考虑以上几点因素，结合现场室内试验基础上，进行配合比设计，采用复合多元醇材料（正9～12醇）。相变材料根据温度不同，物体形态在固态和液态之间转换，固采用高强无缝钢管进行封装。为方便进行相变材料的后期灌注，本次设计钢管材料采用L型方钢，将其一端开口另外一段进行锚固。

2.3复合桥面防滑抗冻设计

路面结构大体设计三层：1、沥青面层；2、相变材料功能结构层；3、水泥混凝土基础，如图1所示。

1—沥青混凝土表面层；2—含相变储能材料的高强度无缝钢管

3—水泥混凝土基层结构

图1相变控温防冻防滑桥面结构示意图

3复合防冻桥面应用技术

3.1试验段工程简介

2012年1月，温度5℃～-2℃，空气湿度70%以上。在与建设方、施工方等各方详细沟通，充分讨论后，拟定将相变控温防冻防滑桥面在郴宁高速匝道桥中间段铺设试验段，结合道路纵断面形式，选择道路纵坡平缓位置。其长度为50m、宽度10m。相变控温防冻防滑桥面结构示意图如图2所示，结构总厚度20cm，其中水泥混凝土基层厚度为140mm，上面层沥青混凝土厚度60mm，工程整体在晴天施工一次浇筑完成。

3.2现场施工顺序安排

根据前期施工组织设计进行对照施工，本次整体施工中长120m，为形成对照中间设计50m相变控温防冻防滑桥面。

采用分幅浇筑方式，首先浇筑右侧①②路幅，标准养护3d后，再浇筑③相变控温防冻防滑桥面，最后浇筑左侧路幅④。施工顺序如下图3所示，③相变控温防冻防滑桥面，其余为普通路面。考虑到防滑抗冻路面的结构特殊性，①②采用人工浇筑，标准养护硬化为在浇筑③，其余左侧路幅整体浇筑，具体顺序如下图2所示。

图2相变控温防冻防滑桥面施工顺序图

3.3相变控温防冻防滑桥面铺设

3.3.1相变控制层施工

桥面无缝钢管及钢筋的加工和安装严格按照《公路水泥混凝土路面施工技术细则》JTG/TF30-2014规范进行施工，考虑到现状增设了一层相变材料结构层，须铺设无缝钢管，在进行路面施工时，对路面施工和重点注意事项进行了局部优化，其铺设的质量直接影响相变控温防冻防滑桥面的实际效果。在进行钢管和钢筋施工时要重点注意如下几个方面：

（1）钢管施工方案考虑因素：①钢管横向长度；②现状道路横坡及超高；③钢管灌注开口方向；④钢管纵向间距。结合现状情况最终确定施工方案如下：①本次施工钢管为全路幅铺设；②根据现状横道横坡7%；③L型钢管在外侧开口，内侧封闭；④钢管纵向间距60mm。

（2）铺设钢管注意事项：50m防冻桥面依次摆放高强无缝钢管，间隔控制在60±5mm。为有利控制好钢管铺设位置及上下保护层厚度（下侧预留40~50mm，上方10mm左右），采用电焊施工，将钢板和钢筋进行整体焊接，防止钢管位移及变形，钢管铺设间距及其铺设现场如图3所示。

图3铺设焊接完成后的钢管

图4复合防冻桥面施工

3.3.2水泥混凝土施工顺序

路面施工严格参考《公路水泥混凝土路面施工技术细则》JTG/TF30-2014进行，现场施工如图4所示，具体施工顺序如下：立模－摊铺－振捣－刮平－拉毛－标准养护等六个步骤。

3.3.3相变储能材料灌注

（1）单根钢管灌注量计算。总体积V=长×宽×高=0.06m×0.04m×10.2m=24L。考虑到材料体积变形，经室内测试实验以总体积的80%进行灌注，单根灌注相变材料体积为19.2L。

（2）单根钢管相变材料灌注。根据理论计算体积依次灌注如图5所示，灌注完整后对灌注端进行锚固密封处理如图6所示，防止相变材料蒸发及隔断外界杂质浸入。

3.4复合防冻桥面防冻效果检测

施工完成后，沥青面层未铺。根据表面观测和性能检测，平整度和强度均满足要求，且防冻性能良好。在山区极端条件下，温度零下5℃～-2℃时，表面未见结冰现象。施工完成后的桥面情况如图7，冬季雨后桥面情况如图8所示。

4复合防冻桥面应用技术要点

（1）合理设置钢管间距。在保证相变材料防冻效果的用时，合理铺设钢管间距以保证混凝土正常浇筑施工。

（2）合理浇筑。现场要进行合理浇筑，严格控制好浇筑时间，防止过振离析，少振内部产生过大孔隙，影响路面整体稳定性。

（3）合理养护，精心施工，防止出现收缩裂缝。

（4）相变材料填充中，须严格控制其填充钢管体积的80%，为材料进行液-固相互转化预留空间。

（5）相变抗冻防滑桥面的现场施工，由于材料和工艺的特殊性，在进行道路摊铺施工时要制定详细的施工组织设计，严格安排好各工艺之间的施工顺序，精细施工，确保现场施工效果达到设计标准。

5结论

（1）进行复合多元醇相变控温材料梯度设计，利用液相-固相放热原理，在一定程度上减缓桥面结构现象，进一步提高路面抗滑性能，保证了桥面低温安全出行。

（2）优选出的复合多元醇相变材料实际应用效果良好；相变功能层的钢管与混凝土互相融合，可起到一定的横向加筋作用，强化整体桥面结构的体积稳定性。

（3）在极端条件下，对复合防冻桥面进行力学性能、外观性能检测和防冻性能进行检测，其强度、平整度和防冻性能良好，且未见结冰现象，有效减缓了桥面雨雪结冰过程，未来将继续对桥面性能及实际效果进行跟踪和检测。

图5变材料进行灌注

图6管端口封装处理图

图7施工完成后的复合桥面情况

图8冬季雨后桥面情况

参考文献：

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[3]谭红霞，涂莉，李建男.智能控温防冻桥面的构思和设计[J].吉林大学学报，2012（2），67-71

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