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《长安大学》 2010年
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融雪化冰水泥混凝土路面研究

刘凯  
【摘要】: 冬天或者冰寒地区的道路结冰、积雪严重影响国家的交通、经济、以及正常的户外活动和工作,同时成为交通事故率增长的主要因素之一。世界各国为解决冬天道路结冰、积雪这一难题,作了大量研究,探索出许多抑制、控制和消除冰雪的技术和方法,但这些方法大多存在效率低、费用高、易腐蚀环境和破坏道路设施、适用范围小、能量消耗大、循环可持续性较差等缺点,近年来人们越来越关注和追捧更有发展前途、环保节能、可持续性利用的太阳能融冰雪技术。在该领域,太阳能系统技术、道路融雪传热模型和计算、试验示范工程都被各国学者进行了一定程度的研究,但对融雪(冰)特殊路面结构和材料方面的研究几乎没有,针对不同方案的融雪路面力学性能研究(试验和数值模拟计算)更是知之甚少,故进行上述研究是推广太阳能技术(储存、转换、控制)应用到道路融雪领域的坚实基础和充分条件。 本文针对上述问题,主要开展以下几个方面的研究:(1)融雪路面组成材料性能研究。对三种面层材料的导热性能及力学性能进行系统试验和优化研究,根据力学强度、导热性能推荐融雪化冰路面最佳材料类型和组成;(2)融雪路面结构模拟试验。建立多种路面结构方案,完成单管小梁、隔热层层间力学性能试验,提出并完成小足尺路面结构板的模拟试验,为优选融雪化冰路面结构方案提供依据;(3)融雪路面升温模拟和融冰效果试验。进行小足尺板在不融冰和融冰条件下的升温模拟试验,并根据不同方案的融冰水效果推荐不同环境温度下的最佳(小)管网总功率,为工程应用提供判断标准;(4)融雪路面层间力学分析。推导了符合融雪化冰特殊路面结构的力学理论,完善了四层弹性地基上薄板的理论解,计算并得出了多影响因素与层间应力的关系及应力变化规律;(5)对融雪特殊路面的力学响应进行数值计算和仿真分析。建立融雪化冰特殊路面结构有限元模型,结合现行规范,从温度、荷载、耦合三个方面完成计算和分析,以室内结构试验作为衡量依据,得出路面能承受的极限管网加热温度、极限荷载、极限管网方案;(6)融雪特殊路面结构方案比选和优化。运用灰色理论和数据包络分析法,对不同方案的路面结构进行决策分析和有效性评价,从而掌握方案的优劣程度和可行性。 本文全面系统对融雪化冰特殊路面结构与材料进行试验(材料、结构、升温与融冰)、模拟计算(温度、荷载、耦合对路面结构的影响规律)研究,得出极限状态下的管网加热温度、荷载和管网方案,研究成果为融雪化冰路面方案的选取提供科学依据,为太阳能技术的应用和推广打下坚实基础。
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