碳纖維發(fā)熱電纜應(yīng)用于瀝青混凝土路面的融雪技術(shù)研究

朱小康

摘 要：目前我國東北西北、華北地區(qū)冬季的氣溫常在零度以下，多雨雪，多面積雪、結(jié)冰現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重影響行車安全，研究碳纖維發(fā)熱電纜路面融雪技術(shù)，不僅能消除冬季路面積雪、結(jié)冰隱患，對發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、保護(hù)環(huán)境具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：路面融雪;碳纖維發(fā)熱電纜;24k

我國交通事業(yè)近些年發(fā)展迅速，伴隨著出現(xiàn)了一系列的安全與能耗問題。如我國東北、西北、華北地區(qū)冬季的氣溫常在零度以下，且雨雪天氣較多，路面表面容易積雪和結(jié)冰造成安全事故，特別是在橋梁、彎道、匝道及隧道進(jìn)出口處更為嚴(yán)重。目前公路上除雪化冰主要有三類方法，清除法、融化法及添加劑融雪法。清除法分人工清除和機(jī)械清除，人工清除費(fèi)工費(fèi)力，效率低下;機(jī)械清除，對路面有容易破壞路面。融化法分融雪劑融化和熱融化法，目前市場上的大多數(shù)融雪劑都對路面有一定的腐蝕性，會(huì)加速路面的損壞;熱融化法主要可分為碳纖維發(fā)熱電纜融雪，熱管法，太陽能熱融化法電熱絲融化法，流體加熱法，紅外熱管加熱融化法，導(dǎo)電瀝青法，導(dǎo)電混凝土法。添加劑融雪法，主要是通過在瀝青混凝土路面中添加橡膠顆粒物融雪，但是使用添加劑，改變了路面結(jié)構(gòu)，降低了路面性能，減少了路面壽命。

1 碳纖維特性

含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料，經(jīng)高溫氧化碳化而成。具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性 外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向有很高的強(qiáng)度和模量。碳纖維的密度小，因此比強(qiáng)度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強(qiáng)材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合，制造先進(jìn)復(fù)合材料。

碳纖維發(fā)熱線和普通的金屬發(fā)熱電，纜相比在多個(gè)方面都具備著相應(yīng)的優(yōu)勢。在價(jià)格上，同等長度下碳纖維發(fā)熱線的價(jià)格僅有金屬發(fā)熱線的1/10，但在生熱上卻較為迅速，其最高運(yùn)行溫度可超過 100℃。除此之外，在熱轉(zhuǎn)化效率上碳纖 維發(fā)熱線也要高于金屬發(fā)熱線，并且對于混凝土結(jié)構(gòu)的影響相對較小。正是因?yàn)檫@諸多的優(yōu)勢，才使得碳纖維發(fā)熱在道路工程中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。通過將內(nèi)部布有碳纖維發(fā)熱線的混凝土結(jié)構(gòu)板布置在橋面、路面等關(guān)鍵地段上，可以解決地面結(jié)冰的問題，避免了使用化學(xué)融雪劑給環(huán)境帶來的損害，做到了時(shí)刻保障冬季交通安全，對于交通事業(yè)的發(fā)展也有一定的促進(jìn)作用。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)材料：24k碳纖維2組，12.5 m/組，230w/組;瀝青混凝土原料0.08 m3;溫度傳感器6個(gè);接收主機(jī)2臺(tái);冰柜2臺(tái);鋼絲網(wǎng)及隔熱膜。

（2）實(shí)驗(yàn)方法：制兩組50 cm*80 cm*10 cm的長方體模塊，在模塊中布設(shè)隔熱膜與鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)距離頂部4 cm，將碳纖維綁扎在鋼絲網(wǎng)上，綁扎間距10 cm與15 cm，倒入攪拌好的瀝青混凝土。待瀝青混凝土凝固后脫模，將兩放入調(diào)至最低檔-26℃的冰柜中。

（3）觀察接收主機(jī)的溫度變化，10 cm約2 h后，模塊中央溫度傳感器達(dá)到12℃，模塊表面?zhèn)鞲衅鳒囟冗_(dá)到0℃，溫度提升速度約為0.22℃/min;15 cm約2.3 h后，模塊中央溫度傳感器達(dá)到16℃，模塊表面?zhèn)鞲衅鳒囟冗_(dá)到0℃，溫度提升速度約為0.19℃/min。

3 室外實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)材料：24k碳纖維4組，12.5 m/組，230w/組;瀝青混凝土原料0.6 m3;溫度傳感器3個(gè);接收主機(jī)1臺(tái);鋼絲網(wǎng)及隔熱膜。

（2）實(shí)驗(yàn)環(huán)境：天氣晴，溫度平均氣溫-7℃，白天-5℃，夜晚-10℃，內(nèi)蒙通遼地區(qū)。

（3）實(shí)驗(yàn)方法：在一條瀝青混凝土路面挖1.5 m*4 m*

10 cm的坑，放入隔熱膜與鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)距離頂部4 cm，將碳纖維綁扎在鋼絲網(wǎng)上，綁扎間距10 cm，倒入攪拌好的瀝青混凝土。

（4）觀察接收主機(jī)的溫度變化，白天升溫約2.7 h后，模塊中央溫度傳感器達(dá)到6℃，模塊表面?zhèn)鞲衅鳒囟冗_(dá)到0.6℃，溫度提升速度約為0.035℃/min;夜晚升溫約3.4 h后模塊中央溫度傳感器達(dá)到2℃，模塊表面?zhèn)鞲衅鳒囟冗_(dá)到0.1℃，溫度提升速度約為0.05℃/min。

4 小結(jié)

碳纖維發(fā)熱電纜敷設(shè)路面中，有明顯的化雪除冰的效果，建設(shè)成本也低，但耗電量較大，運(yùn)營成本大大增加，與國家的節(jié)能環(huán)保政策相悖，建議與光伏供電同時(shí)使用;為了更好地提升融雪效果，建議融雪系統(tǒng)配套道路冰雪監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)融雪系統(tǒng)智能化。

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