碳纖維電熱絲主動融雪系統(tǒng)路面鋪裝設(shè)計與研究

段英杰

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

將碳纖維電熱絲外面依次裹附F46絕緣層、PVC層、金屬網(wǎng)層制成碳纖維導電體，通電后，可將電能轉(zhuǎn)化為熱能。將碳纖維電熱絲作為熱能元件安裝在瀝青混凝土路面的中面層之上，實現(xiàn)高速公路瀝青混凝土路面的主動融雪功能，具有重要意義[1-2]。鑒于高速公路的使用壽命和養(yǎng)護周期及碳纖維電熱絲鋪裝屬于隱蔽工程，因此，在碳纖維電熱絲鋪裝時，必須有一套完善的路面鋪裝設(shè)計方法做指導，才能滿足高速公路在運營時對碳纖維電熱絲主動融雪系統(tǒng)的質(zhì)量要求。

本文通過碳纖維電熱絲主動融雪系統(tǒng)面功率設(shè)計計算、碳纖維電熱絲電熱轉(zhuǎn)換性能試驗以及室外融雪試驗，確定碳纖維電熱絲鋪裝間距，提出碳纖維電熱絲的鋪裝方案，為瀝青混凝土路面碳纖維電熱絲主動融雪系統(tǒng)應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 碳纖維電熱絲主動融雪系統(tǒng)鋪裝間距設(shè)計計算

據(jù)項目組研究人員前期的研究成果顯示：面功率在270 W/m2時，下雪時通電能實現(xiàn)路面無積雪。但是，考慮到山西氣候條件與環(huán)境因素，我們將面功率暫定于300 W/m2，在此面功率的基礎(chǔ)上進行相關(guān)的設(shè)計計算。

常用的碳纖維電熱絲型號有：12 K、24 K、36 K、48 K、60 K、72 K，每米電阻分別為 33 Ω/m、16.5 Ω/m、11 Ω/m、8.25 Ω/m、6.79 Ω/m、5.5 Ω/m。

式中：d為碳纖維電熱絲鋪裝間距，m；Pl為碳纖維電熱絲線功率，W/m；Ps為碳纖維電熱絲面功率，W/m2，面功率為300 W/m2。

式中：P為單根碳纖維電熱絲電熱轉(zhuǎn)換功率，W；l為單根碳纖維電熱絲長度，m，長度為15 m。

式中：U為碳纖維電熱絲工作電壓，V，工作電壓為220 V；R為單根碳纖維電熱絲電阻，Ω。

式中：R0為每米碳纖維電熱絲的電阻，Ω/m。

式中：R0為每米碳纖維電熱絲的電阻，Ω/m；U為碳纖維電熱絲工作電壓，V，工作電壓為220 V；Pm為碳纖維電熱絲單位面積面功率，W/m2；l為單根碳纖維電熱絲長度，m，長度為15 m。

經(jīng)過計算得出12 K碳纖維電熱絲、24 K碳纖維電熱絲、36 K碳纖維電熱絲、48 K碳纖維電熱絲、60 K碳纖維電熱絲、72 K碳纖維電熱絲的鋪裝間距分別為：2.17 cm、4.35 cm、6.52 cm、8.69 cm、10.56 cm、13.04 cm。如采用12 K、24 K、36 K碳纖維電熱絲，則瀝青混凝土路面布置的碳纖維電熱絲過于密集，施工難度與施工成本將成倍增加，另外如若電纜布置過密也將影響瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)強度，故不宜選取12 K、24 K、36 K的碳纖維電熱絲；而72 K碳纖維電熱絲制造工藝復(fù)雜，工序繁多，成本較60 K碳纖維電熱絲價格高出1倍，按照設(shè)計計算初步選用60 K碳纖維電熱絲作為發(fā)熱材料，但仍需結(jié)合電熱絲電熱轉(zhuǎn)換性能最終確定碳纖維電熱絲型號。

2 碳纖維電熱絲電熱轉(zhuǎn)換性能試驗研究

該部分試驗?zāi)康臑?種碳纖維電熱絲型號：24 K碳纖維電熱絲、36 K碳纖維電熱絲、48 K碳纖維電熱絲、60 K碳纖維電熱絲、72 K碳纖維電熱絲的電熱轉(zhuǎn)換性能，選取適合用于瀝青混凝土路面融雪型號。

試驗儀器有萬用表、PF1020電參數(shù)調(diào)控儀、交流電壓調(diào)壓器、ZJ1016型多路溫度測量儀，如圖1。

圖1 PF1020電參數(shù)調(diào)控儀與ZJ1016型多路溫度測量儀

將以上5種不同的碳纖維電熱絲各取15 m，進行通電升溫降溫研究。以24 K碳纖維電熱絲為例，具體試驗方法為將15 m長24 K碳纖維電熱絲兩端通過導線接在交流電壓調(diào)壓器上，該調(diào)壓器連接電源，通過調(diào)節(jié)輸出電壓，使得24 K碳纖維電熱絲的工作電壓穩(wěn)定在220 V，試驗中保持發(fā)熱線懸空，以減少接觸傳導損失的熱量，試驗在環(huán)境溫度為10℃下進行。ZJ1016型多路溫度測量儀的測溫探頭一端與測試儀連接，另一端固定在碳纖維電熱絲上。碳纖維電熱絲隨溫度升高電阻值有微小升高，可認為近似不變。圖2～圖6給出了這5種不同K值的碳纖維電熱絲升降溫曲線。

圖2 24 K碳纖維電熱絲升溫降溫曲線

圖3 36 K碳纖維電熱絲升溫降溫曲線

圖4 48 K碳纖維電熱絲升溫降溫曲線

圖5 60 K碳纖維電熱絲升溫降溫曲線

圖6 72 K碳纖維電熱絲升溫降溫曲線

試驗結(jié)果顯示：5種不同種類的碳纖維電熱絲在通電5～10 min后達到溫度峰值，峰值分別為60 ℃、80 ℃、100 ℃、130℃、135 ℃，斷電 10～15 min溫度降低至環(huán)境溫度。24 K、36 K、48 K峰值溫度較低無法達到預(yù)期融雪效果，而60 K與72 K溫度峰值合理，但72 K較60 K相比，在成本成倍增加的情況下溫度峰值僅僅提高了5℃，結(jié)合設(shè)計計算，我們選用60 K碳纖維電熱絲作為發(fā)熱材料。

3 碳纖維電熱絲室外融雪試驗驗證

室外融雪試驗共鋪裝6組碳纖維電熱絲，每組碳纖維電熱絲含有3根發(fā)熱電纜，每根碳纖維電熱絲長度均為15 m，型號均為60 K。6組碳纖維電熱絲共分為6個試驗?zāi)K，標號分別為模塊1、模塊2、模塊3、模塊4、模塊5、模塊6。其中模塊1中碳纖維電熱絲外層無金屬網(wǎng)套包覆，鋪裝間距為10 cm；模塊2中碳纖維電熱絲外層包覆有金屬網(wǎng)套，鋪裝間距為10 cm；模塊3中碳纖維電熱絲外層無金屬網(wǎng)套包覆，鋪裝間距為11 cm；模塊4中碳纖維電熱絲外層包覆有金屬網(wǎng)套，鋪裝間距為11 cm；模塊5中碳纖維電熱絲外層無金屬網(wǎng)套包覆，鋪裝間距為12 cm；模塊6中碳纖維電熱絲外層包覆有金屬網(wǎng)套，鋪裝間距為12 cm。模塊與模塊之間的距離為30 cm。每個模塊安裝有兩個溫度傳感器，兩個傳感器安裝在模塊中間位置。

碳纖維電熱絲采用錨固的方式布設(shè)于瀝青混凝土中面層，并將冷線接頭甩出路面，將溫度傳感器通過錨固的方式固定在每個模塊的中間位置，如圖7所示。

圖7 碳纖維發(fā)熱模塊現(xiàn)場布設(shè)圖

室外試驗下面層為7 cm厚的AC-25粗粒式瀝青混凝土，中面層為6 cm厚AC-20中粒式瀝青混凝土，上面層為AC-13細粒式瀝青混凝土。瀝青層之間、瀝青層與水泥穩(wěn)定碎石層之間設(shè)置透層和稀漿封層。透層采用乳化瀝青，應(yīng)在基層完工表面稍干后當日噴灑。待透層油充分滲透后，鋪筑1 cm厚稀漿封層，如圖8所示。

圖8 碳纖維發(fā)熱模塊施工現(xiàn)場

試驗結(jié)果表明：實時融雪情況下，鋪裝間距分別為10 cm、11 cm、12 cm的情況下融雪效率和效果沒有明顯的區(qū)別，都是在5 min的時候能夠看出明顯的融雪跡象，30 min的時候碳纖維電纜鋪裝區(qū)融雪連片，基本不再有積雪。這充分說明利用碳纖維電纜通電發(fā)熱產(chǎn)生的遠紅外線激發(fā)雪中的水分子共振，從而利用水分子在共振過程中彼此摩擦所產(chǎn)生的熱能進行融雪技術(shù)原理可行，并且節(jié)能環(huán)保，融雪效率高。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的除雪方法主要是機械除雪或者融雪劑融雪，都是雪后除雪，本文經(jīng)過設(shè)計計算和試驗驗證確定了碳纖維電熱絲鋪裝間距和面功率，實現(xiàn)了瀝青混凝土路面主動實時融雪，具有節(jié)能環(huán)保、效率高、效果好的特點，和同類或傳統(tǒng)的除冰除雪方法相比更具有較強的競爭力。可以預(yù)期，隨著該技術(shù)的進一步完善和推廣，必將在融雪技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生引領(lǐng)作用。