CN109930445A - 定向导热桥面铺装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向导热桥面铺装结构，包括热导率由上至下逐层递减的散热层、导热层、阻热层以及设置在导热层底部的热力换热管道；其中，所述散热层的热导率为3.0～5.0W/m·k；导热层的热导率为2.0～3.0W/m·k，阻热层的热导率为0.3～0.5W/m·k。本发明能够大大降底桥底面的热损耗，实现桥面热力除冰的高效率和低能耗。
Description
技术领域
本发明属于桥面铺装技术，具体为一种定向导热桥面铺装结构。
背景技术
我国已建公路桥梁80多万座，其中约96％为混凝土桥。因底面对流与辐射换热影响，桥面温度比周边道路低2-3℃(寒潮时低7-8℃)，所以桥面通常先于路面结冰，且出现迅速并难以预警。目前桥面除冰主要采取机械法和化学融化法。机械除冰具有滞后性，而化学除冰盐会污染环境和腐蚀桥梁。因此，如何快速有效、智能环保地实现桥面除冰，已成为保障桥梁冬季安全通行的重要研究课题。
桥面热力除冰技术是一种热融除冰法，较机械法和化学融化法具有主动防冰、实时除冰、安全环保等显著优点，在美国、冰岛、瑞士、日本等国已有广泛应用。其原理是在桥面铺装层内埋设换热管道或发热电缆，当环境温度和湿度达到设定预警值时，热力系统启动，利用外界提供的热能对铺装层进行加热，使桥面温度高于0℃而防止冰冻。然而相关研究表明，桥面热力除冰技术虽具有良好的防冰和除冰效果，但底面热损耗严重，同等条件下桥梁热力除冰热损耗比普通路面高出1-2倍。若我国1％的桥梁采用热力除冰技术，以冬冷区典型气候为例，24h内桥底面热损耗高达1764万kWh。
通过外加剂改善沥青混凝土和水泥混凝土的导热性能，国内外已有大量研究；通过粉体改性沥青路面层以获得具有梯度热导率的路面结构，进而使沥青路面具有单向导热功能，也已经有专利报道(CN101701443B)。但其同时会产生不均匀的温度应力造成路面力学性能下降，难以满足对其路用性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种定向导热桥面铺装结构，以解决桥面热力除冰底面存在热损耗的问题。
实现本发明的技术解决方案为：一种定向导热桥面铺装结构，包括热导率由上至下逐层递减的散热层、导热层、阻热层以及设置在导热层底部的热力换热管道；其中，所述散热层的热导率为3.0～5.0W/m·k；导热层的热导率为2.0～3.0W/m·k，阻热层的热导率为0.3～0.5W/m·k。
优选地，所述散热层为导热型沥青混凝土，厚度为4-12cm。
优选地，所述导热型沥青混凝土由沥青混合料、炭黑和碳纤维混合拌制而成，其中炭黑粒径为20-40nm，掺量为散热层沥青混合料中所用沥青体积比的8％-16％；碳纤维断裂强度大于1000MPa，弹性模量大于80GPa，长度9-12mm，掺量为沥青混合料总质量比的0.3％-0.4％。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明通过构建具有定向导热功能的桥面铺装层结构，并使铺装层形成非线性的梯度热导率分布，促使导热层底部换热管道释放的大量热量向上传递，本发明能够大大降底桥底面的热损耗，实现桥面热力除冰的高效率和低能耗。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图。
图2是定向导热铺装结构示意图。
图3是普通铺装结构示意图。
图4是本发明导热层剖面俯视结构示意图。
图5是本发明和普通铺装结构传热性能对比图。
具体实施方式
如图1所示，一种定向导热桥面铺装结构，包括热导率由上至下逐层递减的散热层1、导热层2、阻热层3以及设置在导热层2底部的热力除冰换热管道5；其中，所述散热层1的热导率为3.0～5.0W/m·k；导热层2的热导率为2.0～3.0W/m·k，阻热层3的热导率为0.3～0.5W/m·k，换热管道直径和间距依据热力除冰设计功率确定。
进一步的实施例中，所述的散热层1为导热型沥青混凝土，厚度为4-12cm。
进一步的实施例中，所述导热型沥青混凝土由沥青混合料、炭黑和碳纤维混合拌制而成，其中炭黑粒径为20-40nm，掺量为散热层1沥青混合料中沥青用量体积比的8％-16％；碳纤维断裂强度大于1000MPa，弹性模量大于80GPa，长度9-12mm，掺量为沥青混合料总重量比的0.3％-0.4％。
进一步的实施例中，所述炭黑采用乙炔炭黑，所述碳纤维采用沥青基碳纤维。
进一步的实施例中，所述导热层2为导热型水泥混凝土，厚度为热力除冰换热管道5直径的1.5-2倍。
进一步的实施例中，所述导热型水泥混凝土由水泥混凝土、纳米氧化锌和钢纤维混合拌制而成，其中，纳米氧化锌粒径小于100nm，掺量为水泥混凝土中水泥重量比的15％-20％；钢纤维采用异型压痕钢纤维，抗拉强度大于380MPa，长度28-32mm，长径比为50，钢纤维体积率为1.0％-1.5％。
进一步的实施例中，所述阻热层3为轻骨料混凝土，厚度为6-12cm。
进一步的实施例中，所述轻骨料混凝土由轻骨料混凝土、飘珠、纳米二氧化硅空心球和玄武岩纤维混合拌制而成，其中飘珠粒径为1-3μm，掺量为轻骨料滚凝土中水泥用量的10-15％；纳米二氧化硅空心球粒径为90-130nm，掺量为水泥用量的3-5％；玄武岩纤维采用亲水型玄武岩纤维，直径小于17μm，长度为12-15mm，体积率为1.0％-1.5％。
本发明的实施方式如下：
首先铺设好桥面板4，然后在桥面板4上铺设阻热层3；振捣、成型、养护后，在阻热层3上铺设换热管道5，然而继续铺设导热层2；振捣、成型、养护后，在导热层2上铺设散热层1，使整个桥面铺装结构的热导率值形成“上大下小”梯度热导率分布。
换热管道产生热量的定向传导说明：
在冬季严寒气候下桥面热力除冰系统运行时，热量从换热管道5释放出来，由导热层2向四周扩散。由于散热层1热导率大于导热层2，导热层2热导率大于阻热层3，热流密度自下而上形成了由小到大的结构。因此，导热层2底部换热管道5释放的大量热量很容易向上传递至散热层1，提升桥面铺装层表面积雪的融化速率；同理，由于阻热层3轻骨料混凝土多孔隔热的特性，可有效阻隔热量在铺装层与桥面板之间的传递，从而大幅降低桥底面热损耗，最终提高桥面热力除冰的效率。
实施例
本实施例对比了采用本发明的定向导热铺装层结构和采用普通桥面铺装结构的桥面热力除冰技术性能的差异。实验装置主要由桥面板、支撑柱、桥面铺装层、换热管道、温度传感器、热流传感器等组成，其中桥面有本发明的定向导热桥面铺装层和普通桥面铺装层两种，分别如图2、图3和图4所示。实验过程为在环境温度为-5℃的时候，向换热管道5内通入高温换热介质，记录铺装层表面温度的随时间变化规律，两种铺装层结构表面温度变化如图5所示。由图5可见，定向铺装层结构的表面平均温度很快就达到0℃以上，并且在209分钟后达到了3℃；而普通铺装层结构的表面平均温度首先下降到-2.6℃，而后才缓慢升高，经过360分钟后表面平均温度才达到0.5℃。这表明定向铺装层结构能够显著促进换热管道释放热量向上传递，从而减少热量损耗，提高桥面热力除冰的效率。
Claims (8)
1.一种定向导热桥面铺装结构，其特征在于，包括热导率由上至下逐层递减的散热层(1)、导热层(2)、阻热层(3)以及设置在导热层(2)底部的热力换热管道(5)；其中，所述散热层(1)的热导率为3.0～5.0W/m·k；导热层(2)的热导率为2.0～3.0W/m·k，阻热层(3)的热导率为0.3～0.5W/m·k。
2.根据权利要求1所述的定向导热桥面铺装结构，其特征在于，所述散热层(1)为导热型沥青混凝土，厚度为4-12cm。
3.根据权利要求2所述的定向导热桥面铺装结构，其特征在于，所述导热型沥青混凝土由沥青混合料、炭黑和碳纤维混合拌制而成，其中炭黑粒径为20-40nm，掺量为散热层(1)沥青混合料中所用沥青体积比的8％-16％；碳纤维断裂强度大于1000MPa，弹性模量大于80GPa，长度9-12mm，掺量为沥青混合料总质量比的0.3％-0.4％。
4.根据权利要求3所述的定向导热桥面铺装结构，其特征在于，所述炭黑采用乙炔炭黑，所述碳纤维采用沥青基碳纤维。
5.根据权利要求1所述的定向导热桥面铺装结构，其特征在于，所述导热层(2)为导热型水泥混凝土，厚度为热力除冰换热管道(5)直径的1.5-2倍。
6.根据权利要求5所述的定向导热桥面铺装结构，其特征在于，所述导热型水泥混凝土由水泥混凝土、纳米氧化锌和钢纤维混合拌制而成，其中，纳米氧化锌粒径小于100nm，掺量为水泥混凝土中所用水泥质量比的15％-20％；钢纤维采用异型压痕钢纤维，抗拉强度大于380MPa，长度28-32mm，长径比为50，钢纤维体积率为1.0％-1.5％。
7.根据权利要求1所述的定向导热桥面铺装结构，其特征在于，所述阻热层(3)为轻骨料混凝土，厚度为6-12cm。
8.根据权利要求7所述的定向导热桥面铺装结构，其特征在于，所述轻骨料混凝土由轻骨料混凝土、飘珠、纳米二氧化硅空心球和玄武岩纤维混合拌制而成，其中飘珠粒径为1-3μm，掺量为轻骨料混凝土中水泥用量的10-15％；纳米二氧化硅空心球粒径为90-130nm，掺量为水泥用量的3-5％；玄武岩纤维采用亲水型玄武岩纤维，直径小于17μm，长度为12-15mm，体积率为1.0％-1.5％。
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