一种防冰雪的桥面控温方法
阅读说明：本技术 一种防冰雪的桥面控温方法 (Bridge deck temperature control method for preventing ice and snow ) 是由 但汉成 方旺林 王旭东 陈钰晶 尹海红 洪晓宇 何振华 柏格文 于 2021-01-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种防冰雪的桥面控温方法,所述桥面控温方法包括在桥面的混凝土面板上方铺设流通地下水的管网,所述流通地下水的管网设置在沥青铺装层之下,且所述沥青铺装层中含有相变材料,所述相变材料包括正十四烷和正十八烷的混合物,且所述混合物中正十四烷的用量大于正十八烷的用量,所述桥面控温方法包括在微寒季节通过相变材料放热而自发温控,不消耗外部能量；在极寒季节地下水循环和相变材料共同作用,有效抑制结冰,并在一定程度上实现桥面除冰,提高行车安全。此外,在炎热季节,地下水的流动能有效降低路面温度,降低沥青路面车辙的产生。总的来说,本发明提供的方法效果很好,环保且成本低廉。(The invention provides an anti-ice and snow bridge deck temperature control method, which comprises the steps of paving a pipe network for circulating underground water above a concrete panel of a bridge deck, wherein the pipe network for circulating the underground water is arranged below an asphalt pavement layer, the asphalt pavement layer contains a phase-change material, the phase-change material comprises a mixture of n-tetradecane and n-octadecane, the using amount of the n-tetradecane in the mixture is more than the using amount of the n-octadecane, the bridge deck temperature control method comprises the steps of spontaneous temperature control through heat release of the phase-change material in a cold season without consuming external energy; under the combined action of underground water circulation and the phase change material in extremely cold seasons, the icing is effectively inhibited, the bridge deck deicing is realized to a certain extent, and the driving safety is improved. In addition, in hot seasons, the flow of underground water can effectively reduce the temperature of the pavement and reduce the generation of tracks on the asphalt pavement. In general, the method provided by the invention has the advantages of good effect, environmental protection and low cost.)
技术领域
本发明涉及道路养护领域，具体涉及一种防冰雪的桥面控温方法。
背景技术
道路和桥面凝冰严重危害车辆的行车安全，减轻和抑制道路和桥面结冰是目前养护部门的重要任务，并且综合考虑交通安全、能源消耗、经济效益和环境保护等因素，道路和桥面融雪化冰技术已经成为道路养护工作中一个不可缺少的组成部分，具有非常重要的现实意义。
现有桥面除冰技术以人工清除、机械除冰、融雪剂除冰、微波除冰、电加热除冰、抗凝冰添加剂除冰等为主。其中，人工清除就是人工扫雪，人力成本高、效率低下、环境不佳、影响交通。而机械除冰以进口设备居多，国内设备一般只具备单一除雪或除冰功能，且其装置部件和路表面紧密贴合效果不够好。融雪剂除冰例如采用撒入无机盐类除冰，该方法中撒入的无机盐容易污染环境、污染地下水和植被，还容易腐蚀车轮车底；而撒入有机盐类除冰，则相关研究还有待完善；若撒入尿素类等其他融雪剂，则因成本较高而应用不广。而微波除冰因其原理复杂、成本较高因而利用率低。电加热除冰则因维护困难和能耗过高成为其明显缺点。而使用抗凝冰添加剂除冰，则可能导致路面性能下降以及添加剂寿命衰变失效。
此外，例如涂莉等人将桥面铺装层的钢筋网中穿发热钢管，连接温度感应器和接触器等电学元件装置组成智能控温防冻桥面。并设定一个温度，使其在低于这个温度的2℃时自动开启，高于这个温度时自动关闭，起到桥面控温作用。但该方案在钢筋网中穿发热钢管，其施工难度不低，而且影响工期，不能平行作业；且后续运营成本高，需要耗费大量电能。而杨献章等人设计了一种防冻桥面结构，具体是将相变温度4.53℃的相变材料利用高强无缝钢管封装，作为桥面防冻功能层。该功能层的加入在延缓桥面结冰的同时能起到一定横向加筋的作用。但该方案中的相变材料放热量有限，如果桥面低温时间长，则效果不好。另有霍曼琳等人利用相变材料相变潜热为热源，将相变材料应用于热融法路面除冰雪技术中，确定了发热材料体系的材料组成，相变材料的封装方式以及相变材料发热体的结构，制备路面发热融雪材料体系试件。其试验研究表明：通过相变材料相变产生的能量缓释效应，可以改善发热材料体系的温度场分布并对其实现温度调控。此外，发明专利申请CN202010434074.1公开了一种十四烷膨胀石墨低温相变水泥砂浆制备方法，涉及建筑材料领域，最终产出的低温相变水泥砂浆具有相变调温、使用周期长、环保无毒等优点，具体方案为：相变水泥浆组份极其质量配比如下：水泥100份，砂子140～300份，水30～60份，相变材料10～30份；所述相变材料是以膨胀石墨为载体基质，十四烷为相变物质；该发明提供的十四烷膨胀石墨低温相变水泥砂浆制备方法产出的低温相变水泥浆具有相变调温、使用周期长、环保无毒等优点；十四烷膨胀石墨低温相变水泥砂浆制备方法产出的低温相变水泥浆能够达到推迟凝冰或融雪化冰的效果，能够防止路面凝冰，有效的解决凝冰路面的交通安全问题，尽可能的避免交通事故的发生，提高道路通行能力和运营效益。而发明专利申请CN201810568384.5涉及一种复合相变储热沥青路面材料及其制备方法，属于功能性路面材料技术领域。该发明通过氨水沉积出硅凝胶，并用液氮冻结，利用水相向固相转变过程中的膨胀，促使硅凝胶孔隙扩展，再在冷冻环境下干燥，通过固相水升华进一步扩展硅凝胶，制得具有空间网状结构的膨胀硅凝胶，再利用膨胀硅凝胶的毛细管力将十四烷作为相变储热材料吸附在孔隙中密实凝胶，使其达到相变温度仍能保持稳定的形状而不泄漏，从而获得以十四烷为相变材料、硅凝胶为载体基质的定形效果良好的复合相变材料，增大了沥青混合料的毛体积密度，并降低了沥青混合料的空隙率与矿料间隙率，形成掺量可控的相变储热沥青混合料，主动应对环境温度变化，实现储热降温的功效。但这些方案中同样是制作出相变水泥砂浆或相变沥青混合料，其放热量有限，如果桥面低温时间长，则效果不好，该方法只适用于微寒地区。
因此，本领域需要一种新的防冰雪的桥面控温方法。
发明内容
本发明针对桥面冬季结冰现象，设计一种采用地下水循环和相变沥青混合料联合技术进行桥面控温的方案。
因此，本发明提供一种防冰雪的桥面控温方法，所述桥面控温方法包括在桥面的混凝土面板上方铺设流通地下水的管网，所述流通地下水的管网设置在沥青铺装层之下，且所述沥青铺装层中含有相变材料，所述相变材料包括正十四烷和正十八烷的混合物，且所述混合物中正十四烷的用量大于正十八烷的用量，所述桥面控温方法包括在微寒季节通过相变材料放热而自发温控，不消耗外部能量；在极寒季节地下水循环和相变材料共同作用，有效抑制结冰，并在一定程度上实现桥面除冰，提高行车安全。
在一种具体的实施方式中，所述混合料中正十四烷占80～90wt％，而所述正十八烷占10～20wt％。
在一种具体的实施方式中，所述相变材料中还包含硅溶胶，所述硅溶胶的用量为正十四烷用量的0.5～1.2倍，且所述硅溶胶的质量分数为20％以上。
在一种具体的实施方式中，所述相变材料在沥青铺装层中的用量为1～10wt％，优选2～5wt％。
在一种具体的实施方式中，所述流通地下水的管网中包含蛇形迂回布置的换热管道。
在一种具体的实施方式中，先将正十四烷和正十八烷混匀，再将混合物与硅溶胶混匀，以溶胶凝胶法制备得到相变材料粉末，再将相变材料粉末按照级配粒径添加在沥青铺装层的原材料中，得到含相变材料的沥青铺装层。
本发明所建立的地下水循环与相变材料控温体系至少具有如下有益效果：
1、本发明采用地下水来防止冰雪，其为温度一般在5～10℃的自然资源，无需对其进行加热即可使用。本发明结合使用地下水循环和相变材料自发释放热量，能对桥面的防冰雪起到更好的效果。具体地，本发明中的地下水管网主要解决桥面结构层中的温度问题，而包含相变材料的沥青铺装层主要解决桥面上表面的温度问题，二者联合控温可以应对桥面的长期低温和极端天气。
2、进一步地，本发明中使用的相变材料包括正十四烷和正十八烷，与单独使用正十四烷的相变材料相比，其相变温度更贴近结冰温度，且相变材料寿命较长。此外，使用本发明所述方案后，路面性能不仅没有降低，反而有些许提升。
3、本发明的方案中，在微寒季节通过相变材料自发温控，不消耗外部能量；在极寒季节地下水循环和相变材料共同作用，有效抑制结冰，并一定程度上实现桥面除冰，提高行车安全。此外，在炎热季节下地下水能有效降低路面温度，降低沥青路面车辙的产生。
4、本发明所述方案兼具环保、高效和低成本的优点。
环保：地下水循环桥面铺装采用天然热能量，有机相变材料没有生物毒害和腐蚀性，长期使用条件下对路域环境影响较小。
高效：本发明能实现寒冷季节的两阶段式抗凝冰作用以及炎热季节的路面降温作用，在控制高速公路桥面等高安全等级路段的路面抗凝冰中起到重要作用。
低成本：本发明中的相变沥青混合料成本低廉，且仅在施工期一次性添加，后续使用不需二次投入；桥面控温系统的地下水管道在施工期可平行作业，后续仅需简便的检修和维护。
附图说明
图1为本发明所述方法中相应涉及的桥面铺装的施工流程图。
具体实施方式
本发明中，桥面控温系统中的地下水循环部分具体包括桥面内部管网部分和地下取水及地面蓄水部分。系统工作时，从地下抽取恒温水，于沉淀池中经过滤沉淀去除杂质，再对恒温水施加一定压力，使其流经路面内部管网对路面结构进行换热从而达到控温除冰的目的，并最终通过出水口重新流入地下。地下水循环除冰系统的主要组件包括：循环水泵、蓄水池、沉淀池、阀门、管网系统。地下水循环系统的结构可以见申请人的在先专利CN201621102942.1。本发明中，地下水循环管网埋置在混凝土桥面板与沥青铺装层之间。这样既不会对桥面结构产生影响，又可以接近桥面外表面以获得良好的换热效果。本发明中，地下水的运输管道布置于桥梁两侧，负责输送恒温地下水和回收换热后的地下水。埋入管道网的铺设方式采用蛇形布置方式，以便提高流体与桥面的换热效率。
而相变材料用于本发明中包括如下步骤：第一步，制备相变材料粉末。第二步，制备相变沥青混合料。
第一步：PCMs(相变材料)的制备方法为：
正十四烷170份，正十八烷30份，混合后置于60℃恒温水浴中，高速搅拌20min至混合均匀。所得共混物溶液置于8℃低温箱中2h，观察共混物不出现固态结晶现象，即混合效果良好。再将该混合物倒入160份30％硅溶胶中，在60℃恒温水浴下搅拌15min。将形成的复合胶凝物质冷却至室温后，放入0℃恒温箱中保温20h，取出后研磨成0.1mm-0.5mm粒径的粉末状，至此该PCMs制备完成。
第二步：相变沥青混合料的制备方法为：
将上述第一步中制备得到的PCMs按等体积法替代同粒径的细集料添加至混合料中。此处以沥青铺装层AC-16为例。按照设计级配选用玄武岩集料、石灰岩矿粉、沥青、PCMs等原材料，级配用量见表1。
表1
从表1可见，表中0.3mm档、0.15mm档和0.075mm档共计11％，因PCMs的添加比例为3％，则将0.3mm档、0.15mm档和0.075mm档各替换用量的27.3％为PCMs，即0.3mm档、0.15mm档和0.075mm档分别替换总用量的1.37％，0.68％和0.95％为同粒径的PCMs。替换后的配合比设计表见表2，其他与表1中组分一致的未列出。PCMs在拌和集料时一次性加入，在充分干燥拌后再添加沥青和矿粉，进行后续施工作业。
表2
本发明中，因地下水资源丰富，可认为是一个巨大的恒温水箱，在抽取地下水和回注地下水的过程中不会对地下水的水温造成明显的变化，因而抽取的地下水温度能够一直保持在十分理想的状态。而且地下水是恒温液体，与地表温度降温与否几乎没有联系，如果突发极寒或是长期低温的情况，只需加快地下水在管道内的流速即可，这一方法可以通过算法程序来实现。本发明中不会因为加快地下水的流速而导致桥面处换热时间和换热量不够的问题。本发明中，即使因灾害不可抗力等导致地下水循环的管道破裂，漏液也不会影响环境。
本发明中使用的相变材料包括正十四烷与正十八烷的混合物。单相的正十四烷相变温度为5.8℃，单相的正十八烷相变温度为27.7℃。在烷烃复合材料中的体系相变温度会低于任一单相的最低温，也就是说，将正十四烷与正十八烷充分混合制备的复合相变材料，其相变温度低于5.8℃，且随正十八烷的加入越多，相变温度越低。在现有技术中，有许多将单相正十四烷用于相变抗凝冰材料的实例。但均存在一个问题，就是正十四烷的相变温度(5.8℃)相比水结冰温度(纯水是0℃)要高出许多，且相变是持续过程，实际上相变现象发生在一个温度范围内，所以正十四烷在7～8℃就会开始发生相变。这就导致一个问题，当气温降幅不明显时(比如5℃)，相变材料在水不会结冰以前就过早完成了放热，如果后续再降温(比如再降温到1℃)就不再有相变放热，相当于相变材料的功能失效，路表水照样会结冰。若桥面或路面的水存在较多杂质，则冰点会有明显降低(可能到-2℃)，正十四烷的相变体系更会功能失效。
为避免相变材料体系功能失效，本发明的方法中，把相变材料的相变温度控制在水结冰温度以上3℃左右。“正十四烷80～90wt％，正十八烷10～20wt％”的复合配方得到的PCMs的相变温度在3℃左右，相变时机不会太早导致功能失效，也不会太晚导致路表水已经结冰。
此外，将相变材料添加到沥青混合料中有很多方法，直掺法(直接和混合料一起拌和)、多孔材料吸附法(物理吸附在多孔材料载体上)、溶胶-凝胶法(本发明中采用的方法)、微胶囊法(用微胶囊包裹)等。本发明中制备的PCMs效果很好，不会发生相分离和过冷现象。而在本发明溶胶-凝胶法中使用的硅溶胶化学性质极其稳定，硅溶胶材料廉价，整个相变沥青混合料的制备流程短，可实现性好。
本发明的重点在于相变材料和地下水在管道内流动抗凝冰的结合。单纯使用相变材料和单纯使用地下水流动换热都是现有技术，但单纯的相变材料不利于长期使用，尤其不适应持续时间较长的极寒天气；而单纯使用地下水流换热，则在短时间的小幅降温中使用会有些小题大做，因为地下水的泵送总归要耗费能量。而本发明的方法在微寒季节通过相变材料自发温控，不消耗外部能量。在极寒季节地下水循环和相变材料共同作用，有效抑制结冰，并一定程度上实现桥面除冰，提高行车安全。此外，在炎热季节，地下水的流动能有效降低路面温度，降低沥青路面车辙的产生。总的来说，本发明提供的方法效果很好，环保且成本低廉。
上述实施例仅为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在不改变本发明基本构思和实质的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，都应属于本发明权利要求的保护范围。
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