碳纖維融冰路面設(shè)計研究

張紹權(quán)

（唐山市交通運輸局公路管理站，河北唐山 063000）

0 引言

為解決路段出現(xiàn)的大面積冰雪問題，可以結(jié)合公路工程實際情況設(shè)計碳纖維融冰路面，在有效時間內(nèi)通過加熱碳纖維發(fā)熱線，快速融化路面上的冰雪，恢復(fù)公路的路用性能。

1 工程概況

某高速公路工程全長106.6km，公路建設(shè)于海拔高、氣溫低、冬季冰雪多的地區(qū)。在每年12月份～次年2月份，公路工程部分路段出現(xiàn)極端氣候，氣溫在-10℃左右，造成路面結(jié)冰嚴(yán)重，對車輛安全通行構(gòu)成極大威脅。為解決冬季路面安全通行問題，本工程設(shè)計融冰路面，在試驗路段鋪設(shè)碳纖維發(fā)熱線，利用碳纖維發(fā)熱功能快速融化冰雪，增強(qiáng)路面抗凝凍性能。

2 碳纖維融冰路面設(shè)計與應(yīng)用

2.1 融冰路面設(shè)計方法

2.1.1 碳纖維發(fā)熱線規(guī)格

（1）碳纖維發(fā)熱線的三種絕緣材料分別為PVC、硅橡膠、氟塑料，三種絕緣材料各自有優(yōu)缺點[1]。本工程在考慮碳纖維外皮材料耐熱性、經(jīng)濟(jì)性和發(fā)熱效果因素的基礎(chǔ)上，選用硅橡膠材料作為發(fā)熱線外皮。

（2）碳纖維發(fā)熱線規(guī)格以絲束數(shù)量作為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，單位為K，表示1 000根。常見的發(fā)熱線規(guī)格為12K、24K、36K、60K，對應(yīng)的電阻值分別為35Ω/m、17Ω/m、11Ω/m、7Ω/m。本工程在融冰路面設(shè)計中選用36K碳纖維發(fā)熱線規(guī)格。

2.1.2 碳纖維發(fā)熱線布設(shè)

（1）沿路線橫條狀布設(shè)碳纖維發(fā)熱線，對發(fā)熱線布設(shè)間距進(jìn)行室內(nèi)試驗：在碳纖維發(fā)熱線間距別在5cm、8cm、10cm時，表面升溫速率分別為0.0325℃/min、0.0242℃/min、0.0208℃/min[2]。碳纖維間距越小，升溫速率越快。但是在實際的路面設(shè)計中，需要考慮碳纖維鋪裝難度，以及融冰路面建設(shè)成本等因素，所以本工程的碳纖維發(fā)熱線間距確定為10cm。

（2）在確定碳纖維發(fā)熱線布設(shè)層位時進(jìn)行試驗，分別在三個不同層位布設(shè)碳纖維，對比分析表面升溫速率。試驗包括：

方案一，將碳纖維加熱線埋設(shè)到水泥混凝土鋪裝層，在鋼筋網(wǎng)上綁扎固定，碳纖維與頂面相距14cm[3]；

方案二，將碳纖維加熱線埋設(shè)到鋪裝層與瀝青混凝土下面層之間，碳纖維與頂面相距10cm；

方案三，將碳纖維加熱線埋設(shè)到上面層與下面層之間，碳纖維與頂面相距4cm。

試驗結(jié)果證實，表面升溫速率從高到低的布設(shè)方案為方案三、方案二、方案一。為此，本工程選擇方案三中的布設(shè)層面，合理控制碳纖維發(fā)熱線的布設(shè)深度。

2.1.3 碳纖維發(fā)熱線鋪設(shè)方式

碳纖維發(fā)熱線鋪設(shè)方式主要包括鋪設(shè)發(fā)熱格柵和刻槽兩種方式[4]。在發(fā)熱格柵鋪設(shè)中，需要鋪筑水泥混凝土鋪裝層，壓實瀝青混凝土下面層，將碳纖維格柵鋪設(shè)在下面層上，再攤鋪和碾壓上面層瀝青混凝土；在刻槽法中，只需要按照布設(shè)規(guī)劃的線槽位置，對已經(jīng)施工完畢的下面層鑿刻，將碳纖維發(fā)熱線鋪設(shè)到線槽內(nèi)，再噴灑黏結(jié)劑，用于固定碳纖維。本工程在考慮到鋪裝層厚度、施工難度程度等因素的基礎(chǔ)上，采用刻槽方式鋪設(shè)碳纖維發(fā)熱線。

2.1.4 融冰路面鋪設(shè)功率

對融冰路面鋪設(shè)功率進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果顯示：當(dāng)鋪裝功率分別在200W/㎡、400W/㎡、600W/㎡、800W/㎡、1000W/㎡時，電纜溫度分別為18.6℃、38.7℃、58.9℃、79.0℃、99.1℃。由于碳纖維發(fā)熱墊溫度超過45℃后會降低瀝青路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且鋪裝功率越大融冰路面運行成本越高，所以本工程鋪設(shè)功率確定為400W/㎡。

2.1.5 碳纖維發(fā)熱線電路連接

碳纖維發(fā)熱線可以選擇串聯(lián)、并聯(lián)兩種連接方式。其中，串聯(lián)接頭少、鋪裝難度低，但是溫度傳遞呈衰減狀態(tài)，且某一部位出現(xiàn)損壞會直接影響整體線路發(fā)生故障[5]；并聯(lián)的每個線路回路為獨立運行，保證路面發(fā)熱均勻，融冰效果較好。為此，本工程采用并聯(lián)方式連接碳纖維發(fā)熱線。

2.1.6 鋪裝分區(qū)

由于碳纖維融冰路面鋪設(shè)面積較大，所以在路面設(shè)計中采用鋪裝分區(qū)設(shè)計方式，將路面劃分為若干個獨立模塊，各模塊獨立啟動電壓，避免瞬間啟動電壓過大造成線路短路。

2.2 碳纖維融冰路面有限元模型分析

2.2.1 建立室內(nèi)試驗仿真模型

在考慮外界環(huán)境條件、混凝土路面材料性能等因素的基礎(chǔ)上，建立室內(nèi)試驗仿真模型，為優(yōu)化碳纖維融冰路面設(shè)計提供依據(jù)。

（1）模型設(shè)定。室內(nèi)試驗混凝土試件的橫向、縱向、厚度尺寸分別為60cm、40cm、20cm；假設(shè)融冰路面通電后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度隨著時間增長而不斷變化，直到溫度達(dá)到融冰化雪溫度；采用瞬態(tài)分析法分析試件溫度場變化，建立試件結(jié)構(gòu)三維模型。

（2）條件設(shè)定。設(shè)定各結(jié)構(gòu)層中的初始溫度為恒定溫度，試驗溫度分別為0℃、-5℃、-10℃，對每個試驗溫度各試驗5次；設(shè)定碳纖維發(fā)熱線溫度呈均勻分布狀態(tài)，功率為35W/m，不考慮風(fēng)力作用對溫度場的影響，根據(jù)綜合換熱系數(shù)計算輻射換熱數(shù)值。

（3）熱物性參數(shù)設(shè)定。設(shè)定融冰路面的各結(jié)構(gòu)層材料為均質(zhì)材料，參數(shù)固定。上面層瀝青混凝土密度為2 389kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1W/（m·℃），比熱容為1100J/（kg·℃）；下面層瀝青混凝土密度為2 406kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1W/（m·℃），比熱容為1 080J/（kg·℃）；水泥混凝土密度為2501kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為2.35W/（m·℃），比熱容為1 250J/（kg·℃）。

2.2.2 融冰路面模型計算

利用仿真模型對碳纖維融冰效果進(jìn)行分析，為不同環(huán)境條件的碳纖維鋪設(shè)方案設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

（1）采用常規(guī)的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計：瀝青混凝土上面層40mm+瀝青混凝土中面層50mm+瀝青混凝土下面層80mm+水泥穩(wěn)定碎石基層350mm+級配碎石底基層200mm+路基填料800mm。根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計建立有限元模型[9]。

（2）在不同的風(fēng)速條件下，瀝青路面綜合換熱系數(shù)也會不同，本工程僅針對1～5級風(fēng)速等級下的融冰化雪效果進(jìn)行研究[10]；在碳纖維鋪裝功率相同的條件下，風(fēng)速為1～2級時的熱交換散失熱量值相差較小，風(fēng)速為3～5級時的熱交換散失熱量值相差較大；在碳纖維鋪裝功率增大時，融冰路面達(dá)到目標(biāo)溫度的時間會縮短，因風(fēng)速造成的熱交換散失熱量值也會隨之減小，所以在融冰路面設(shè)計中要適當(dāng)提高碳纖維鋪設(shè)功率[11]。

（3）建立融冰路面溫度場模型，環(huán)境溫度分別為-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃，通過模型分析判斷碳纖維預(yù)熱時間；融冰路面的表面溫度達(dá)到2～3℃才能融化冰雪，在外界風(fēng)速為1級且鋪裝功率為350W/㎡的條件下，當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃時的路面預(yù)熱時長為2h，當(dāng)環(huán)境溫度為-30℃時的路面預(yù)熱時長為10h。

（4）碳纖維發(fā)熱線的直徑不小于6mm，鋪設(shè)間距要控制在發(fā)熱線直徑6倍以上；在研究碳纖維發(fā)熱鋪設(shè)間距時，分別選取5cm、7cm、10cm、12cm，根據(jù)溫度場模型計算結(jié)果表明，當(dāng)碳纖維發(fā)熱線間距超過10cm時，路面溫差超過2℃，判定為溫度不均勻分布。故此，在碳纖維鋪設(shè)設(shè)計中要將發(fā)熱線布設(shè)間距控制在10cm以內(nèi)。

（5）根據(jù)試驗研究表明，在路面結(jié)冰前期，提早開啟加熱比結(jié)冰后開啟加熱的融冰效果好[12]；在融冰路面設(shè)計中，要安裝凝冰預(yù)警傳感器，提前1～2h預(yù)警加熱，提高融冰效果。根據(jù)溫度場模型分析不同環(huán)境溫度、不同風(fēng)力等級條件下，2h內(nèi)碳纖維發(fā)熱線的鋪裝功率與鋪設(shè)間距。當(dāng)環(huán)境溫度小于-10℃時，功率耗電量增大，投入電力成本較高且融冰效果不佳。所以，在環(huán)境溫度為-10℃以下的路面不建議鋪裝碳纖維；當(dāng)環(huán)境溫度小于-15℃時，碳纖維融冰路面適用于橋面段、隧道口、道路陰面等局部部位鋪設(shè)；

（6）為提高碳纖維發(fā)熱線的融冰效果，可以在混凝土面層與墊層結(jié)構(gòu)中增加隔熱層，當(dāng)鋪裝功率設(shè)計為350W/㎡時，增設(shè)隔熱層的融冰路面在1.5h左右便可以達(dá)到路面融冰的溫度要求，有效減少發(fā)熱線向基層傳遞的熱量損失[12]。

2.3 融冰路面施工工藝

根據(jù)上述融冰路面設(shè)計方案組織開展碳纖維發(fā)熱線的鋪裝施工，施工工藝流程為：劃線→刻槽→清槽→布設(shè)電纜→清理路面→噴灑黏結(jié)劑→上面層施工[6]。

2.3.1 劃線刻槽

（1）根據(jù)設(shè)計圖紙，用鋼卷尺和紅油漆劃出刻槽的具體位置；采用切割機(jī)，按照刻槽紅線切槽。

（2）Ⅰ類槽深為10mm，寬為5mm，總長3 600m；施工人員操作切割機(jī)，推進(jìn)速度保持在2.5m/min?？滩圻^程中及時潤濕刀片，槽與槽之間相距10cm，保證槽寬均勻。

（3）Ⅱ類槽用切割機(jī)按照槽輪廓切割，槽寬80mm；再用電鎬鑿刻，鑿出20mm；清理槽內(nèi)混合料，保證槽內(nèi)無雜質(zhì)。

（4）Ⅲ類槽是在護(hù)欄上預(yù)留的穿線孔位置用電鎬鑿出電纜槽，穿線孔間距為1m，每間隔1m劃出一道，深為2cm[7]。

2.3.2 碳纖維鋪設(shè)

（1）在碳纖維發(fā)熱線鋪設(shè)前固定K型接頭，采用線卡或鋼釘固定，要求K型接頭對準(zhǔn)槽位。

（2）展開成卷的碳纖維發(fā)熱線，在凹槽內(nèi)拉直固定發(fā)熱線，不允許出現(xiàn)發(fā)熱線打結(jié)問題，保證發(fā)熱線完全嵌入凹槽內(nèi)。

（3）用木棍、小錘等工具，將碳纖維發(fā)熱線按壓到凹槽內(nèi)，使發(fā)熱線表層與凹槽頂面保持3～5mm的距離；采用線卡固定發(fā)熱線，避免發(fā)熱線翹起。

（4）根據(jù)施工實際情況確定冷線布設(shè)，小于K型接頭處預(yù)留出2.5m冷線長度，讓冷線通過刻槽引出路面外；對冷線引出困難的部位，要直接到排水溝上方水泥板上刻槽，保證冷線引出橋面[13]。在實際施工中，預(yù)留穿線孔的位置偏高，需要調(diào)整孔位，避免上面層施工時破壞裸露在外的冷線。在預(yù)留孔處采取加固措施，對冷線位置進(jìn)行固定，盡量嵌入凹槽內(nèi)。

（5）在鋪設(shè)完碳纖維發(fā)熱線后，要對碳纖維發(fā)熱線采取保護(hù)措施，盡量禁止車輛通行，待上層面鋪筑之后再開放交通[14]。

2.3.3噴灑黏結(jié)劑

在碳纖維發(fā)熱線鋪設(shè)后清理路面雜物，清理后向下面層表面、凹槽噴灑黏結(jié)劑，在槽內(nèi)固定發(fā)熱線；在攤鋪上面層前，瀝青混合料運輸車輛只能在碳纖維發(fā)熱線鋪設(shè)范圍內(nèi)行駛，易破壞碳纖維發(fā)熱線與凹槽黏結(jié)的穩(wěn)固性，為此盡量在下面層表面清理后鋪筑上面層[8]。

2.3.4 上面層施工

（1）在上面層攤鋪作業(yè)中，跟蹤檢查攤鋪機(jī)是否卷起碳纖維發(fā)熱線。因攤鋪機(jī)無法靠近護(hù)欄攤鋪，所以本工程采用人工布料的方式對K型接頭部位進(jìn)行混合料攤鋪。

（2）在上面碾壓時檢查碳纖維發(fā)熱線的K型接頭是否裸露出上面層；待施工完畢后鉆芯取樣時，要盡量避開碳纖維發(fā)熱線鋪設(shè)范圍內(nèi)取樣。

（3）在工程碳纖維融冰路面鋪設(shè)后，檢測各模塊的發(fā)熱線電阻，實測結(jié)果顯示都在24Ω左右，表明上面層施工未對發(fā)熱線造成損壞。

3 結(jié)語

本工程在考慮碳纖維外皮材料耐熱性、經(jīng)濟(jì)性和發(fā)熱效果因素的基礎(chǔ)上，選用硅橡膠材料作為發(fā)熱線外皮。并聯(lián)的每個線路回路為獨立運行，保證路面發(fā)熱均勻，融冰效果較好，為此本工程采用并聯(lián)方式連接碳纖維發(fā)熱線。碳纖維發(fā)熱線的鋪裝施工工藝流程為：劃線→刻槽→清槽→布設(shè)電纜→清理路面→噴灑黏結(jié)劑→上面層施工。

在碳纖維融冰路面設(shè)計中，要充分考慮到路面融冰速率、路面建設(shè)成本、運營成本等因素，合理確定碳纖維加熱線的選取規(guī)格、布設(shè)方式和鋪設(shè)方案，保證融冰路面建設(shè)具備技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。在融冰路面施工中，施工單位要嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙施工，把控好各個施工作業(yè)環(huán)節(jié)，提高融冰路面施工質(zhì)量。