CN215252095U - 一种具有除冰凌功能的桥梁 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有除冰凌功能的桥梁，包括桥体，桥面铺设有若干导电沥青混凝土带和电极带，导电沥青混凝土带和电极带间隔设置，在桥面上设有放置电极带的凹槽，凹槽两端设有连接导电沥青混凝土带与电极带使之形成闭合回路的接线端子，电极带沿行车道横向设置。本实用新型以新型超疏水抗凝冰材料与导电沥青混凝土进行结合，从材料方面阻止桥体冰凌的产生，有效的解决桥体伸缩缝、排水孔、桥梁路面等部位的冰凌产生的问题，继而提高道路桥梁的稳定性、耐久性、安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种桥梁，特别涉及一种具有除冰凌功能的桥梁。
背景技术
道路冰雪灾害每年对我国桥梁的正常运行带来极大的影响。在冬季气温骤降、空气湿度大的时候，桥面极易形成不易融化的压实冰层，从而导致突发交通事故的发生或造成桥面交通拥挤，或某些桥梁因排水措施不够完善，导致滴水冰锥出现。我国历年来因冬季冰凌而引发的交通事故约占全年交通事故的30％[1]，对道路行车造成了极大的隐患。
桥梁上冰凌的现有处理方法主要有三种：
第一种，铺设防水材料。目前，桥梁经常在沥青混凝土桥面上铺设防水材料，增强桥面疏水性从而防止积雪融化积水导致冰凌产生，其铺设的防水材料例如：水性沥青基防水材料、热熔型SBS防水涂料，但目前使用的材料存在大量问题，例如粘结难度大、养护困难、漏水隐患大、耐久性差问题。
第二种，冰凌产生后进行除冰。现有的道路除冰措施主要分为以下四种：机械法、化学法、微波法、热力法，上述方法都有各自不可忽视的缺陷，例如机械法易造成不必要的道路安全隐患与交通拥堵；盐类融雪剂易对桥面等道路设置造成腐蚀性损害，加速老化，醇类融雪剂对周边环境影响较大且有反结冰的风险；而微波法与热力法等方法存在实现难度大、应用范围狭窄等问题。
第三种，通过设计排水孔排水防止冰凌产生。传统桥梁为防止冰凌产生，通过增加横坡坡度，并设置排水管道结构，以缓解桥面结冰情况。但积雪融化后若气温得不到回升则会导致桥面产生积水，且排水孔一般位于桥面两侧，日间热量吸收少，导致排水孔内部冰凌不易融化，而桥面冰层融水则又堆积在排水孔周围，夜间产生复冻，从而导致排水孔下方冰锥产生严重。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，实现自热融雪除冰凌的目的的桥梁。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
一种具有除冰凌功能的桥梁，其特点是，包括桥体，所述桥面铺设有若干导电沥青混凝土带和电极带，导电沥青混凝土带和电极带间隔设置，在桥面上设有放置电极带的凹槽，凹槽两端设有连接导电沥青混凝土带与电极带使之形成闭合回路的接线端子，电极带沿行车道横向设置。
本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，在所述导电沥青混凝土带上铺设有超疏水抗凝冰涂层。
本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述超疏水抗凝冰涂层由刷涂层和喷涂层组成，刷涂层设在喷涂层下方。
本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，在上下桥口0-100m处设有排水孔，排水孔周围涂覆有超疏水抗凝冰涂层。
本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，在所述凹槽内灌装有导热砂浆，或者，在所述凹槽上安装有盖板，凹槽槽壁上设有与盖板搭接的台阶。
本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述导电沥青路面的厚度为30-60mm，所述桥面的超疏水抗凝冰材料层厚度为5-10mm。
与现有技术相比，本实用新型以新型超疏水抗凝冰材料与导电沥青混凝土进行结合，从材料方面阻止桥体冰凌的产生，有效的解决桥体伸缩缝、排水孔、桥梁路面等部位的冰凌产生的问题，继而提高道路桥梁的稳定性、耐久性、安全性，通过设导电沥青混凝土带和电极带，在保证除冰凌功能的同时隆低使用成本，通过设导热砂浆，进一步提供导热效果，提高除冰凌速度。
附图说明
图1为本实用新型所述桥梁的结构图；
图2为电阻特征随环境温度的三次循环后变化图。
图中：1-桥面、2-导电沥青混凝土带、3-超疏水抗凝冰涂层、4-凹槽、5-电极带、6-接线端子。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
实施例1，参照图1-2，一种具有除冰凌功能的桥梁，包括桥体，所述桥面1铺设有若干导电沥青混凝土带2和电极带5，导电沥青混凝土带2和电极带5间隔设置，在桥面1上设有放置电极带5的凹槽4，凹槽4两端设有连接导电沥青混凝土带2与电极带5使之形成闭合回路的接线端子6，电极带5沿行车道横向设置，在所述导电沥青混凝土带2上铺设有超疏水抗凝冰涂层3，所述超疏水抗凝冰涂层3由刷涂层和喷涂层组成，刷涂层设在喷涂层下方，在所述凹槽4内灌装有导热砂浆，或者，在所述凹槽上安装有盖板，凹槽槽壁上设有与盖板搭接的台阶，其中，接线端子可以在桥梁建设过程中安装模板时进行安装，通过导热砂浆进行固定即可；若采用盖板形式封装凹槽可以方方便电极带的更换或拆培训，导电沥青混凝土带的高度以不影响行车为准，
除冰凌原理为：当桥面温度达到导电沥青混凝土带内导电相形成闭合回路要求时，导电层形成通路，导电沥青混凝土带的温度因电流热效应而升高，内部表现为微观粒子的无规则的热运动程度加剧，此时导电层与沥青混凝土桥面的上、下面层形成温差，导电层内部的高能量粒子向上、下面层的低能量粒子传输能量，在同一物体内部发生热对流，
并且部分粒子间若产生相互接触，就会形成导电粒子链，引发粒子导电行为，在被施加电压后，由于电阻会随着环境温度的改变而改变，导致其产生电流的热效应，达到对路面加热的效果，实现导电沥青混凝土桥面自热融雪除冰凌的目的；
超疏水抗凝冰材料是依据“荷叶效应”与低表面能而对水有排斥效应的一种新型纳米材料。为解决寒冷环境下桥梁结冰凌的现象，故设想在导电沥青混凝土桥面上涂布一种涂膜类的超疏水抗凝冰材料。超疏水表面的微观结构特殊，当液体与固体接触时，会在接触处形成附着层。当其内部固体分子对液体分子的引力小于液体分子之间的引力，液面呈现收缩的趋势，形成液体的不浸润现象。由于水珠在超疏水表面因不浸润性不会流动铺展，保持球形滚动状。该材料可与导电沥青混凝土配合实施，电热效应首先使产生的冰凌融化成水，或者直接使降雪即降即化，再排走桥面的水分，实现桥面自主除冰凌的目的。
超疏水混凝土表面粗糙系数更低，水滴形态更完整，能够在一定程度上阻断、延缓热传递，从而延长结冰完成时间；且普通混凝土表面孔隙更多，水滴渗入孔隙并结冰后，与混凝土表面紧密粘结。普通混凝土冰层粘结力大于超疏水混凝土，其除冰难度更大，故本项目计划采用通过纳米氧化锌颗粒表面构建微纳米级粗糙结构，结合抗凝冰材料，研究以氧化锌为纳米颗粒的超疏水涂料作为路面疏水涂层材料的实施方案。
从微观的能量角度分析，超疏水抗凝冰材料可以延缓冰晶在基质表面形成。普通材质表面上的液态水转变为固态冰晶，只需要克服原有的吉布斯自由能，但是，因为超疏水材料的接触角远大于普通桥面的材质，由自由能公式得
式中：Δρ为冰水密度的差值，一般取200kg/m3；g为重力加速度，一般取9.8m/s2；γsv为固－气界面的表面能，即冰和气体界面表面能(N/m)；γlv为液－气界面的表面张力(N/m)。当接触角增大时，液滴结冰时需要克服的吉布斯自由能增加，超疏水材料上的水滴引起能量壁垒的增高，相较于其他材料更难结成固体冰晶。
另一方面，因超疏水材料微观表面粗糙，粗糙表面的凹槽内可以含有大量空气，就导热性能而言，空气与水都是热量的不良导体，但是空气的导热性能相较于水更差，所以这部分空气在一定程度上阻碍了水放热结成冰凌得过程；从冻胀角度分析，桥面上若有冰雪并经过来回行车的反复碾压，雪层被逐渐压实成结实的冰凌，因压力一部分冰融化成水。在普通桥面上，水会渗入沥青路面，产生冻胀作用，进一步加大了冰雪对桥面的“抓力”，形成恶性循环，而超疏水抗凝冰涂层的粗糙微表面拥有空气隔层，可以有效地防止水分渗透，从根源上抑制冻胀现象。
实施例2，实施例1所述的一种具有除冰凌功能的桥梁，所述排水孔设在上下桥口0-100m处，排水孔处装有排水管，在所述排水孔周围涂覆超疏水抗凝冰材料层，所述导电沥青路面的厚度为30-60mm，所述桥面的超疏水抗凝冰材料层厚度为5-10mm，
据实地调研结果，立交桥的上下桥口0-100m处是结冰凌现象的高发地段。施工时可对上下桥口0-100m处排水口周围做超疏水涂层做以处理，在降雨降雪天气下可以快速排水。排水管的安装需要均匀分布于桥梁上下桥0-100m处，安装时需要注意与桥梁的伸缩缝错开布置，保证在桥梁的纵坡结构引起的重力势能作用下，排水可以顺利进行。同时排水管道内部产生冰凌可以通过传导沥青混凝土的电热效应进行清除。
实施例3，实施例1所述的一种具有除冰凌功能的桥梁，所述超疏水抗凝冰材料层由刷涂层和喷涂层组成，刷涂层设在喷涂层下方；由于超疏水材料中含有有机硅，难以被路面材料主动吸收，所以施工方法选用先刷涂后喷涂的复合处理工艺，具体步骤简要概括为：清除桥面灰尘、油污等污染物，清洗并干燥，实施刷涂处理，使用气泵进行均匀地喷涂。施工应注意，喷涂前需要对超疏水抗凝冰涂料进行稀释，以确保喷涂设备能将涂料以气雾的方式喷出，使涂料以微小的颗粒形式覆盖在原有桥面上。若对桥梁局部涂层，在没有小号气泵喷涂笔的情况下，可重复刷涂操作。另外，施工天气应当注意不宜过湿、避免降雨。
导电沥青混凝土是通过在普通沥青混凝土中掺入一定参量的导电相材料，从而使其拥有良好的导电性能。使用导电沥青混凝土可以有效地防止桥面结冰凌现象，保证交通畅通，同时还可以避免沥青路面在低温环境下性能、结构变化，避免了沥青因温度骤降超出线弹性状态后失去原有的弹性性能，也减少混凝土裂纹产生。还避免了醇类或盐类融雪剂的使用，减轻了对桥面的腐蚀，提高桥面使用的耐久性，避免了融雪剂对周边环境污染的问题。因此，在研究桥面除冰凌方法时，引用导电沥青混凝土作为桥面建筑材料具有显著的技术优势、巨大的应用前景。
据相关资料显示：随着电极间距的增大，导电沥青混凝土的电阻迅速增加，导电发热性能降低。工程应用中，电极应横向相对安装，适当缩短电极间距，减少回路电阻，使其发热性能维持在最佳状态；同时，行车道横向留缝布设导线，布线及维修困难，预留缝将引起行车的颠簸.因此，工程应用中，建议电极沿行车道横向安装。
导电沥青混凝土的温敏特性指的是，导电沥青混凝土材料有着同复合导电高分子材料电阻相似的温度效应，其电阻率会随着环境温度的变化而发生规律性变化，其中包括电阻的正温度系数效应(PTC)和负温度系数效应(NTC)。以石墨为导电相的25℃时的导电沥青混凝土为例，其电阻特征会随着环境温度的多次循环后产生一定变化，如图2所示。
导电沥青混凝土的体积膨胀系数约为6X10-4/℃，但一般不会小于5.5X10-4/℃，所以体积膨胀系数对导电粒子的接触效应和隧道效应所形成的导电网络的影响是最为直观的。对于导电粒子的接触效应，在温度增高的情况下，沥青的体积膨胀将使一些原本相互接触的导电粒子断开，引起导电通路断路的情况发生。而对于隧道效应，沥青的体积膨胀将使导电粒子间隙增大，电子的跃迁能力随着间隙的增大而呈指数减小，同时一些间隙增大后也可能形成断路。由于桥梁的结构特殊，导热性能一般较差，桥面温度随环境温度变化较为明显，随着温度的升高，由于沥青的热膨胀系数远远大于石墨的热膨胀系数(大约在15X10-6/℃)，体系受热导致总体体积增加，但石墨体积不变，致使体积分数增大，导电粒子之间的距离增大，一定温度下形成的导电链被逐渐隔离。因其具有温敏特性，桥面温度会对导电沥青混凝土的通路形成产生影响，也就是说，只有当桥面温度低于该导电相下的导电沥青混凝土的某一阈值，才能形成闭合回路，引发电热产生，从而达到对桥面温度的选择性。
在实际的工程应用中，可以结合降雪的实际情况选择合适的电压。在融雪功能运作时，考虑到节能环保的因素，可对导电沥青混凝土间歇性施加电压或使用周期性电压。这样做还可以保护导电沥青混凝土的温敏特性，避免桥面温度过高而对沥青混凝土性能造成不必要的伤害。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有除冰凌功能的桥梁，其特征在于，包括桥体，桥面铺设有若干导电沥青混凝土带和电极带，导电沥青混凝土带和电极带间隔设置，在桥面上设有放置电极带的凹槽，凹槽两端设有连接导电沥青混凝土带与电极带使之形成闭合回路的接线端子，电极带沿行车道横向设置。
2.根据权利要求1所述的一种具有除冰凌功能的桥梁，其特征在于，在所述导电沥青混凝土带上铺设有超疏水抗凝冰涂层。
3.根据权利要求2所述的一种具有除冰凌功能的桥梁，其特征在于，所述超疏水抗凝冰涂层由刷涂层和喷涂层组成，刷涂层设在喷涂层下方。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有除冰凌功能的桥梁，其特征在于，在上下桥口0-100m处设有排水孔，排水孔周围涂覆有超疏水抗凝冰涂层。
5.根据权利要求1所述的一种具有除冰凌功能的桥梁，其特征在于，在所述凹槽内灌装有导热砂浆。
6.根据权利要求1所述的一种具有除冰凌功能的桥梁，其特征在于，在所述凹槽上安装有盖板，凹槽槽壁上设有与盖板搭接的台阶。
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2021
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