一种混凝土桥面热法融雪化冰的试验装置及其试验方法与流程

本发明属于桥梁试验领域，涉及一种桥梁融雪化冰技术，特别是涉及一种混凝土桥面热法融雪化冰的试验装置及其试验方法。

背景技术：

中国大部分地区处于雪地区，尤其是在初冬和初春季节，桥面冰雪积聚的问题十分常见，由于温度和车辆荷载的变化，桥面容易形成薄冰层，当路面冻结时，附着系数迅速降低，结合力显着降低，并且车辆的制动稳定性显着降低，常常导致车辆制动失效，失去方向控制的控制，容易打滑，并且制动距离显着延长，导致交通事故频繁发生。

在桥梁上广泛使用的融雪冰技术是除冰剂法和机械除冰法。融雪剂法是大部分国家较为常用的融冰法，然而对周围环境、已有建筑和绿色植被均有消极影响。氯化物雪流对路面结构(钢筋，混凝土，沥青等)具有高度腐蚀性，是道路和桥梁安全的主要威胁之一。机械除冰是一种通过冰雪机械的直接作用消除冰雪危机危害的方法。但在涉及到具体的施工过程当中，通常受到路况，薄雪层，温度等条件的制约，用机器去除不同道路上的积雪和刨冰极为困难，同时，传统机械除雪会对甲板造成损坏，并在稍后阶段维护成本高。

目前，热融雪冰技术还处于研发阶段。与机械除雪除冰方法相比，热融除冰技术是一种高效的桥面除雪方法。研究桥面电热法融雪化冰过程中桥面板的融雪化冰效果、经济性以及对桥面板的危害需要通过实验手段对桥面电热法融雪化冰的过程进行模拟进而积累实践依据以及寻找解决方案，然而，目前尚无有效的技术手段能够模拟桥面电热法融雪化冰和收集融雪化冰过程的试验数据。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种桥面电热法融雪化冰试验方法和试验装置，解决现有技术无法有效模拟桥面电热法融雪化冰和收集融雪化冰过程的试验数据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种混凝土桥面热法融雪化冰的试验装置，其特征在于：包括发热电缆、混凝土桥面板模型、保温层、温度传感器和温度监控设备，所述发热电缆预埋在混凝土桥面板模型内，所述温度传感器分三层设置，第一层设置在发热电缆下方的混凝土桥面板模型下表面，第二设置在发热电缆上方的混凝土桥面板模型内，第三层设置在混凝土桥面板模型上表面，每一层温度传感器均在与混凝土桥面板模型表面平行的平面内阵列分布，所有温度传感器均连接到温度监控设备，通过温度监控设备监控记录各测温点的温度数据，所述保温层设置在混凝土桥面板模型的四周和或桥面。

作为改进，所述的混凝土桥面板模型包括依次叠加设置的钢筋混凝土层、沥青混凝土铺装层以及水泥砂浆面层，所述混凝土为c50，所述沥青混凝土铺装层为ac-13c，所述水泥砂浆为m7.5。

作为改进，所述混凝土桥面板模型尺寸和配筋与混凝土简支t梁桥翼缘板相匹配，混凝土桥面板模型的四周围挡设有排水孔。

作为改进，所述温度监控设备包括数据采集模块、无线终端和服务器，所述数据采集模块与温度传感器相连，采集温度数据后通过无线终端传递给服务器。

作为改进，所述发热电缆为碳纤维发热线，两根碳纤维发热线上下方向叠加在一起，在与混凝土桥面板模型表面平行的平面内呈u型来回布置，上部的碳纤维发热线距离混凝土桥面板模型上表面4-7cm，相邻两排碳纤维发热线之间间距25-35cm，最外侧的碳纤维发热线距离混凝土桥面板模型边缘15-25cm。

作为改进，所述温度传感器在第一层和第三层内阵列设置形成测线一、测线二和测线三，所述测线一由与碳纤维发热线重合的温度传感器连线组成，所述测线二由相邻两排碳纤维发热线之间的中间处温度传感器连线组成，所述测线三由与碳纤维发热线垂直方向的温度传感器连线组成。

作为改进，所述温度传感器在第二层内阵列设置形成测线四和测线五，所述测线四由与碳纤维发热线垂直方向的温度传感器连线组成，所述测线五由相邻两排碳纤维发热线之间的中间处温度传感器连线组成。

所述保温层其目的为保证碳纤维发热线的热量能最大程度地传到路表，防止混凝土加热后热量沿四周散失，从而尽可能模拟实际情况。所述保温层包括三面保温处理和四面保温处理，模拟实际桥梁不同位置t梁的传热、散热规律。所述三面保温处理：对桥梁混凝土桥面板模型侧面的其中三面覆盖泡沫塑料板进行保温，模拟实际情况中连续t梁的边t梁，保留一个层面直接与空气接触。所述四面保温处理：对桥梁混凝土桥面板模型侧面全部覆盖泡沫塑料板进行保温，模拟实际情况中连续t梁的中间t梁；

所述温度监控设备用以实时监控试验过程中混凝土桥面板模型各个部位的温度变化信息，由数据采集模块、无线终端设备组成，所述数据采集模块，与温度传感器相连，将各个测点的温度变化进行统一的收集和处理。所述无线终端设备，其内部安装有数据卡，与数据采集模块相连接，接收数据采集模块传来的数据，将串口数据转换为ip数据并通过无线网络将数据传送到服务器。

本发明还提供一种混凝土桥面热法融雪化冰的试验装置制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据混凝土桥面板模型的大小制作模具，准备混凝土脱模油、塑料薄膜、钢筋骨架、普通混凝土、沥青混凝土、水泥砂浆、泡沫塑料板、发热电缆、温度传感器、数据采集模块和无线终端设备；

步骤2、在所述模具内表面涂抹混凝土脱模油，将钢筋骨架放入所述模具内，依次浇筑所述普通混凝土、沥青混凝土及水泥砂浆，当混凝土浇筑至距离模具顶部3-6cm处时，布置发热电缆和温度传感器；

步骤3、混凝土浇筑完成后，在混凝土上表面覆盖塑料薄膜，混凝土桥面板模型在常温条件下养护成型后，拆除所述模具和所述塑料薄膜，得到混凝土桥面板模型，在混凝土桥面板模型上表面和下表面布置所述温度传感器，数据采集模块与所述温度传感器通过有数据线连接，所述无线终端设备与所述数据采集模块通过数据线连接，制成试验装置；

本发明还提供一种混凝土桥面热法融雪化冰的试验装置制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

一种利用权利要求8所述试验装置进行融雪化冰的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用上述方法制备试验装置，将所述试验装置置于冷库内，可以进行不同保温条件下的温升试验、预加热试验和融雪化冰试验；

步骤2、进行所述温升试验，对所述混凝土桥面板模型四周覆盖泡沫塑料板，形成所述保温层；试验开始前，让所述混凝土桥面板模型处于原始状态，表面不铺设水膜、冰层和雪层；在不同温度工况下，通过所述冷库对所述混凝土桥面板模型降温，然后给碳纤维发热线通电让所述混凝土桥面板模型升温，采集所述混凝土桥面板模型各个时间段的温度数据；所述温升试验进行三组，每组选择不同的冷库环境温度进行；

步骤3、进行在四面保温处理情况下的融雪化冰试验，对所述混凝土桥面板模型设置所述保温层，所述混凝土桥面板模型四周覆盖所述泡沫塑料板，形成保温层，预先在所述混凝土桥面板模型表面铺设一定厚度水膜，水膜随着所述混凝土桥面板模型在不同的温度工况下一起降温，然后给碳纤维发热线通电让混凝土桥面板模型升温，整个升温过程持续至混凝土桥面板模型表面冰层大面积融化，采集所述混凝土桥面板模型各个时间段的温度数据；在四面保温处理条件下，融雪化冰试验共进行3组，每组选择不同的冷库环境温度进行；

步骤4、进行在三面保温处理情况下的融雪化冰试验，对所述混凝土桥面板模型三面覆盖所述泡沫塑料板，形成三面保温层，预先在所述混凝土桥面板模型表面铺设一定厚度水膜，水膜随着所述混凝土桥面板模型在不同的温度工况下一起降温，然后给碳纤维发热线通电让混凝土桥面板模型升温，整个升温过程持续至混凝土桥面板模型表面冰层大面积融化，采集所述混凝土桥面板模型各个时间段的温度数据；在三面保温处理条件下，融雪化冰试验共进行3组，每组选择不同的冷库环境温度进行；

步骤5、进行在四面保温处理情况下的预加热试验，对混凝土桥面板模型四周覆盖所述泡沫塑料板，形成四面保温层，预先在所述混凝土桥面板模型表面铺设一定厚度的水膜，对所述混凝土桥面板模型预加热防止水膜结成冰层，模拟实际情况中的路桥面预加热防止路面积水结冰的过程，在不同温度工况下对混凝土桥面板模型进行降温，采集所述混凝土桥面板模型各个时间段的温度数据；在四面保温处理情况下，预加热试验共进行3组，每组选择不同的冷库环境温度进行；

步骤6、进行在三面保温处理情况下的预加热试验，对所述混凝土桥面板模型三面覆盖所述泡沫塑料板，形成三面保温层，预先在所述混凝土桥面板模型表面铺设一定厚度的水膜，对所述混凝土桥面板模型预加热防止水膜结成冰层，模拟实际情况中的路桥面预加热防止路面积水结冰的过程，在不同温度工况下对混凝土桥面板模型进行降温，采集所述混凝土桥面板模型各个时间段的温度数据；在三面保温处理情况下，预加热试验共进行3组，每组选择不同的冷库环境温度进行。

进一步的，所述水膜厚度设置为2-7cm，所述冷库温度设定范围为-15℃～-1℃。

所述温升试验目的为研究混凝土桥面板模型的热稳定性以及混凝土桥面板模型在升温过程与室内环境温度、碳纤维发热线通电时长之间的规律；所述融雪化冰试验研究水膜发展为冰层的速度与室内环境温度之间的关系，已形成的冰层在融化过程中与室内环境温度之间的关系，混凝土桥面板模型在四面保温和三面保温情况下融冰过程的异同；所述预加热试验目的为研究预加热过程对于阻止、减缓路面积水结冰，能起到多大的作用；

所述水膜厚度设定为5cm；所述的温度工况是指在进行实验时，冷库将所述混凝土桥面板模型温度降低至唯一特定的温度状况。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)本发明提供的混凝土桥面板模型结构简单、易于制作、无污染、控制方便、具有良好的热稳定性，并且使用年限长，后期维护费用少；

(2)本发明提供的温度监控设备经济实用，能够有效的监测并记录混凝土桥面板模型融雪化冰过程的试验数据，且在本次试验中混凝土桥面板模型经过多次热循环后，信号传输在过程中衰减较少，对系统精度的影响较小；而且并不局限于桥面电热法融雪化冰试验，还可用于道路电热法融雪化冰试验等各类电热法融雪化冰相关试验中，具有广阔的应用前景。

(3)本发明提供的桥面电热法融雪化冰试验方法，无需复杂的试验条件，易于开展，试验步骤明确，可以对实际桥面电热法融雪化冰的过程提供有效的实践依据。

附图说明

图1为本发明试验装置结构示意图；

图2为本发明混凝土桥面板模型上表面温度传感器分布示意图；

图3为本发明混凝土桥面板模型内温度传感器分布示意图；

图4为本发明混凝土桥面板模型下表面温度传感器分布示意图；

图5混凝土桥面板模型横断面示意图；

图6为本发明试验装置制备及试验方法流程示意图。

1-混凝土桥面板模型，2-发热电缆，3-温度传感器，4-三相插头，5-发热层，6-泡沫塑料板，7-数据采集模块，8-无线终端设备，9-服务器，10-水泥砂浆面层，11-沥青混凝土铺装层，12-钢筋混凝土层，13-测线一，14-测线二，15-测线三，16-测线四，17-测线五。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供的桥面电热法融雪化冰试验装置和试验方法包括以下内容：

如图1至图5所示，一种混凝土桥面热法融雪化冰的试验装置，用于模拟混凝土桥梁桥面板融雪化冰，包括发热电缆2、混凝土桥面板模型1、保温层、温度传感器3和温度监控设备；所述的混凝土桥面板模型1包括钢筋混凝土层12、沥青混凝土铺装层11、水泥砂浆面层10；所述钢筋混凝土层12、沥青混凝土铺装层11、水泥砂浆面层10依次叠加相接；所述钢筋混凝土层12的混凝土为c50，所述沥青混凝土铺装层11为ac-13c，所述水泥砂浆面层10的水泥砂浆为m7.5；所述混凝土桥面板模型1包括发热层5和测温层；所述发热电缆2埋置在所述混凝土桥面板模型1的桥面板内，所述温度传感器3分三层设置，第一层设置在发热电缆2下方的混凝土桥面板模型1下表面，第二设置在发热电缆2上方的混凝土桥面板模型1内，第三层设置在混凝土桥面板模型1上表面，每一层温度传感器3均在与混凝土桥面板模型1表面平行的平面内阵列分布，所有温度传感器3均连接到温度监控设备，通过温度监控设备监控记录各测温点的温度数据，所述温度监控设备作为温度传感器3的外部设备设置在所述混凝土桥面板模型1旁侧，监控所述混凝土桥面板模型1的在不同条件和温度工况下温度变化；所述不同条件包括；实验前对混凝土桥面板模型1做不同的保温处理、实验前混凝土桥面板模型1表面未铺设水膜和预先铺设水膜、实验未对混凝土桥面板模型1预加热和对混凝土桥面板模型1预加热；所述温度监控设备用以实时监控试验过程中混凝土桥面板模型1各个部位的温度变化信息，由数据采集模块7、无线终端设备8组成，所述数据采集模块7，与温度传感器3相连，将各个测点的温度变化进行统一的收集和处理。所述无线终端设备8，其内部安装有数据卡，与数据采集模块7相连接，接收数据采集模块7传来的数据，将串口数据转换为ip数据并通过无线网络将数据传送到服务器9。

上述试验装置制作方法如下：

a、制作混凝土桥面板模型1，在发热层5铺设发热电缆2和温度传感器3，在混凝土桥面板模型1的上表面和下表面布置温度传感器3。混凝土桥面板模型1长度为160cm，宽度为100cm，翼缘板厚16cm。发热电缆2铺设采用u型布置，两根上下并排铺设，每根发热电缆2埋入长度为5.2m，相邻两排发热线间距30cm，外侧发热线距混凝土边缘20cm,发热电缆2端部安装三相插头4。混凝土桥面板模型1上表面布置温度传感器3共21个，其分布方式见图2所示。混凝土桥面板模型1内发热层5布置温度传感器3共12个，其分布方式见图3所示。混凝土桥面板模型1下表面分布温度传感器3共21个，其分布方式见图4所示。

b、连接温度监控设备，温度监控设备包括：数据采集模块7、无线终端设备8。温度传感器3与数据采集模块7通过有线方式相连接，无线终端设备8与数据采集模块7通过有线连接方式相连接，服务器9通过无线网络接收无线终端设备8传来的数据。

c、进行温升试验，让混凝土桥面板模型1处于原始状态，表面不铺设水膜、冰层和雪层，对混凝土桥面板模型1四个侧面覆盖泡沫塑料板6。在不同温度工况下，先对混凝土桥面板模型11降温3h，然后给碳纤维发热线通电让混凝土桥面板模型1升温3h。温升试验进行三组，-2℃、-4℃、-8℃工况各进行一组实验，每组试验总时长6h。实验结束后，借助实验数据研究在-2℃、-4℃、-8℃不同工况下，测线一13、测线二14、测线五17温度变化规律和混凝土桥面板模型1的融冰情况。

d、进行在四面保温处理条件下融雪化冰试验，对混凝土桥面板模型1四个侧面覆盖泡沫塑料板6，预先在混凝土桥面板模型1表面铺设5mm厚度的水膜，水膜随着混凝土桥面板模型1在不同的温度工况下一起降温，直至整个水膜层结成冰层，然后给碳纤维发热线通电对混凝土桥面板模型1加热。在四面保温处理条件下融雪化冰试验共进行3组，-2℃、-4℃、-8℃工况各进行一组，实验试验结束后借助实验数据研究在四面保温处理条件下测线一13、测线二14、测线五17温度变化规律；

e、进行在三面保温处理条件下融雪化冰试验，对混凝土桥面板模型1三个侧面覆盖泡沫塑料板6，预先在混凝土桥面板模型1表面铺设5mm厚度的水膜，水膜随着混凝土桥面板模型1在不同的温度工况下一起降温，直至整个水膜层结成冰层，然后给碳纤维发热线通电对混凝土桥面板模型1加热。在四面保温处理条件下融雪化冰试验共进行3组，-2℃、-4℃、-8℃工况各进行一组，实验试验结束后借助实验数据研究在四面保温处理条件下测线一13、测线二14、测线五17温度变化规律，对比在-4℃工况下混凝土桥面板模型1在三面保温和四面保温条件测线测线三15的温度变化规律和融雪化冰效果、温度变化的异同。

f、进行在四面保温处理条件下的预加热试验，对混凝土桥面板模型1四个侧面覆盖泡沫塑料板6，预先在混凝土桥面板模型1表面铺设5mm厚水膜，在不同温度工况下对加热电缆通电加热然后再降低混凝土桥面板模型1的温度，模拟实际情况中的路桥面预加热防止路面积水结冰的过程。在四面保温处理条件下的预加热试验共进行3组，-2℃、-4℃、-8℃工况各进行一组实验。借助实验数据研究在同温度工况下，测线一13、测线二14、测线三15、测线四16、测线五17的温度变化规律和混凝土桥面板模型1的融冰情况。

g、进行在三面保温处理条件下的预加热试验，对混凝土桥面板模型1三个侧面覆盖泡沫塑料板6，预先在混凝土桥面板模型1表面铺设5mm厚水膜，在不同温度工况下对加热电缆通电加热然后再降低混凝土桥面板模型1的温度，模拟实际情况中的路桥面预加热防止路面积水结冰的过程。在三面保温处理条件下的预加热试验共进行3组，-2℃、-4℃、-8℃工况各进行一组实验。借助实验数据研究在同温度工况下，测线一13、测线二14、测线三15、测线四16、测线五17的温度变化规律和混凝土桥面板模型1的融冰情况。

所述混凝土桥面板模型1参考16m混凝土简支t梁桥翼缘板部分作为试验混凝土桥面板模型1，混凝土桥面板模型1配筋与16m混凝土简支t梁桥翼缘板相同，混凝土桥面板模型1上表面不设置坡度，在混凝土桥面板模型1四周挡水墙上开孔用以排出试验后的积水。所述的混凝土桥面板模型1包括钢筋混凝土层12、沥青混凝土铺装层11和水泥砂浆面层10；所述钢筋混凝土层12厚度为12cm、沥青混凝土铺装层11厚度为3.5cm、水泥砂浆面层10厚度为0.5cm，依次叠加相接；所述混凝土为c50，所述沥青混凝土铺装层11为ac-13c，所述水泥砂浆为m7.5；

所述发热电缆2采用的是碳纤维发热线，碳纤维发热线布置一层，2根碳纤维发热线上下并排按u型布置于发热层5，每根发热电缆2埋入长度为5.2m；所述泡沫塑料板6用于给混凝土桥面板模型1进行保温处理；所述温度传感器3能够感受温度并转换成可用输出信号；所述数据采集模块7用于接收温度传感器3传来的温度信息并进行统一处理。

所述无线终端设备8，接收数据采集模块7传来的温度数据，将串口数据转换为ip数据并通过无线网络将数据传送到服务器9。

由所述温升试验得出结论：

所述混凝土桥面板模型1具有良好的热稳定性。同一铺装功率，不同温度工况下，碳纤维发热线正上方的测线一13温度变化趋势较为一致，温升幅度较为接近，均在5.5℃～6.5℃这个区间。测线二14温度变化趋势随着环境温度的降低逐渐变得平缓，当温度工况为-8℃时，测线二14温度在升至0℃附近后保持稳定，无法继续上升，测线二14的温升幅度在1.4℃～2.2℃区间，没有达到测线一13温升幅度的一半。发热线所在层的降温和升温过程均较为平稳和一致。

由所述融雪化冰试验得出结论：

各工况下，加热过程中冷库内环境温度变化不大，均在设定温度工况附近轻微变动，证明了冷库内模拟混凝土桥面板融雪化冰试验方法的合理性。

当发热功率在190w/m²时，混凝土桥面板模型1表面层，发热线正上方沿线位置在不同工况下都有较好的融冰效果，而混凝土桥面板模型1表面层距离发热线较远的位置随着温度工况的降低融冰效果明显减弱。

保温隔热层对混凝土桥面板模型1升降温的影响较大：相同发热功率下，混凝土桥面板模型1在三面保温情况下的升温幅度约占四面保温情况升温幅度的88％。在加热之前的降温过程中，混凝土桥面板模型1在三面保温情况下的降温幅度更大，降温速度也更快。

输入功率越大融雪化冰时间就越短，混凝土桥面板模型1的单位能耗也越大，如果对融雪化冰时间要求不高，在保持板面温度高于0℃的情况下，适当调低输入功率可以节约电能。

混凝土本身具有较好的保温作用，在实际工程操作中可以利用混凝土内保有的余温融雪化冰，在保证板面温度在0℃以上的情况下，间断性供电，节约能源。

由预加热试验得出结论：

当混凝土桥面板模型1表面层测点温度处于0℃～0.5℃开始预加热，能有效预防混凝土桥面板模型1表面的水膜结成冰层。

预加热试验除了能有效预防路面积水积雪外，还能在更短的时间内让混凝土桥面板模型1表面层温度达到0℃以上并持续上升，节约电能。

保温隔热层对混凝土桥面板模型1升降温的影响较大：预加热对比试验中，相同发热功率下，混凝土桥面板模型1在三面保温情况下的升温幅度约占四面保温情况升温幅度的75％。

本发明不局限于上述试验实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，还可以试验方法进行若干改进和优化，这些改进和优化也视为本发明的保护范围之内。