碳纤维发热线电加热桥面温升效果试验

■翁盛华 胡昌斌 周月华

（1.南平公路事业发展中心，南平 353000；2.福州大学土木工程学院，福州 350108）

桥梁跨越江河或峡谷，与普通路面相比，桥面下部临空临水，无法从地下汲取热能，因此在低温气候条件下，相比于桥面两端所连接的路面，桥面上的温度一般要低2～3℃[1]。 即当环境温度低于0℃时，桥面发生结冰的时间较路面早；而在环境温度出现回暖的情况下，与路面升温相比，桥面升温的时间晚，当路面表面的冰已经消融的情况下，可能仍然有冰覆盖在桥面表面。 当驾驶汽车从没有冰的路面行驶到尚有冰覆盖的桥面时， 由于汽车轮胎与桥面的附着系数瞬间大幅降低，此时车辆极易发生打滑、偏移，甚至侧翻，从而引发交通事故。 所以，桥面已成为降雪结冰地区除冰防滑工作的重点部位之一。

传统的除冰雪方法存在效率低、清除不彻底等缺点。 因此，寻求一种环境友好、高效便捷、经济性好的道路融雪除冰方法意义重大。 发热线电加热技术具有电热转化效率高、热稳定性好、清洁无污染、控制方便等诸多优势，本文通过制作碳纤维发热线电加热混凝土大板，进行发热线电加热桥面室外升温试验，探究发热线电加热桥面在实际状况下的升温效果，以期为发热线电加热路面的推广应用提供一定的技术支持和参考。

1 发热线电加热桥面结构设计

1.1 试验方案

本文通过室内碳纤维发热线通电升温试验分析所选用的24k 硅胶外皮碳纤维发热线的电热性能，以及通过室外发热线电加热混凝土大板试验[2]，研究所设计的碳纤维发热线电加热桥面在实际情况下的升温效果。 具体研究方案如下：（1）对碳纤维发热线电加热桥面结构进行系统设计；（2）在室内无风、恒温的环境条件下，对所选用的24k 硅胶外皮碳纤维发热线进行通电升温试验，分析其在7 种不同输入功率下的电热性能，发热线在实际应用时选择输入功率可进行参考；（3）在上述基础上，制作碳纤维发热线电加热混凝土大板，在室外进行发热线电加热桥面升温试验（包括表面温度分布均匀性试验、垂直方向上温度分布试验以及风速对表面温升的影响试验）[3]，探究发热线电加热桥面[4]实际情况下的升温效果。

1.2 方案设计

发热线电加热桥面铺装结构设计方案如下：（1）发热线电加热桥面铺装主体（不含整平层和防水层）总厚度为13 cm，包括：5 cm 钢纤维混凝土导热上面层、3 cm 陶粒混凝土阻热夹层和5 cm 钢筋混凝土下面层；（2）钢筋混凝土下面层的混凝土，水灰比为0.40，砂率为32%，减水剂掺量为0.5%，其抗压、抗折强度分别为50.2 MPa 和7.03 MPa，导热系数2.76 W/（m·℃），密度为2516 kg/m3；（3）钢筋混凝土下面层配置CRB550 级冷轧带肋钢筋焊接网，其屈服强度σ0.2≥500 MPa，抗拉强度σb≥550 MPa，钢筋公称直径为10 mm，纵横向钢筋间距均为11 cm，混凝土保护层厚度（焊接钢筋网距钢筋混凝土层底面距离）为2 cm；（4）陶粒混凝土阻热夹层采用陶粒混凝土，水胶比为0.31，粉煤灰掺量为15%，体积砂率为36%，减水剂掺量为1%，其抗压强度为54.8 MPa，抗折强度为6.71 MPa，导热系数为0.59 W/（m·℃），密度为2014 kg/m3；（5）选用24k 的碳纤维发热线埋置于陶粒混凝土阻热夹层与钢纤维混凝土导热上面层之间，发热线布设间距为11 cm，铺设方式采用蛇形铺装，为便于发热线铺设施工，用尼龙扎带将发热线绑扎固定于钢筋网片上，形成发热线电加热桥面加热层。 发热线电阻值为17 Ω/m，耐热温度为200℃，钢筋网片的钢筋直径为3 mm，网格尺寸为11 cm×11 cm；（6）钢纤维混凝土导热上面层采用钢纤维混凝土， 混凝土水灰比为0.46， 砂率为44%，钢纤维体积率为1.5%，减水剂掺量为1%，其抗压强度为62.1 MPa，抗折强度为8.97 MPa，导热系数为3.55 W/（m·℃），密度为2558 kg/m3；（7）为进一步提高钢纤维混凝土上面层的导热能力，选择在钢纤维混凝土上面层内部设置高导热棒（在此选用钢棒）形成导热通道，钢棒选用普通HRB335 级热轧带肋钢筋，钢棒公称直径为16 mm，设置间距为22 cm×22 cm，高度为4 cm（钢棒顶部距钢纤维混凝土层顶面1 cm），用扎丝将钢棒绑扎固定于钢筋网片角隅处，其导热系数为50.5 W/（m·℃），密度为7840 kg/m3。

碳纤维发热线电加热桥面铺装结构从上至下分别为：5 cm 内置高导热棒的钢纤维混凝土导热上面层、 碳纤维发热线加热层、3 cm 陶粒混凝土阻热夹层、5 cm 钢筋混凝土下面层、1～2 cm 防水层、2～3 cm 整平层，如图1 所示。

图1 发热线电加热桥面铺装结构示意图

2 碳纤维发热线电热性能分析

2.1 碳纤维发热线技术性质

碳纤维是一种碳含量超过95%，具有电热转化效率高、发热迅速、化学性质稳定、使用寿命长、清洁无污染、安全可靠等众多优良性能的新型发热材料。 碳纤维抗拉强度高，一般为3000 MPa 以上，是金属丝的6～8 倍， 抗拉弹性模量也高于金属丝，一般大于200 GPa，因而埋入路面内一般不易被拉断。在没有氧气的情况下， 将碳纤维升温达3000℃，其强度基本不发生变化，避免了金属丝等传统发热材料高温易烧断的缺陷。 碳纤维为黑体材料，发热迅速，电热转化效率接近100%，发热线温度可通过调节线长和电压来控制。 目前市面上使用最多的是聚丙烯腈PAN 基碳纤维。

碳纤维发热线绝缘性能优良，其绝缘保护层一般选用硅橡胶，在绝缘性能测试中，其绝缘电阻高达8500 MΩ（标准为不小于500 MΩ），用电安全可靠。硅橡胶耐热性能良好，可在200℃的高温下正常使用。 碳纤维发热线型号按碳纤维丝的数量进行划分，发热线型号越大，每米电阻越小，在同等线长和加载电压条件下，功率越大，发热线温度也越高。 碳纤维发热线采用江苏泰州欧力电气设备有限公司生产的24k 硅胶外皮碳纤维发热线，技术指标见表1。

表1 24k 的碳纤维发热线性能指标

2.2 碳纤维发热线结构组成

桥面由于受到车辆荷载作用，用于路面融雪除冰时，需要选用加强型的碳纤维发热线。 加强型的发热线的组成结构如图2。

图2 加强型碳纤维发热线结构示意图

虽然碳纤维丝束自身的抗拉强度和耐热性能比较优异，但在路面施工和使用的过程中，难免受到外界不利因素的影响，因此制作外皮保护碳纤维丝束是有必要的。 制作碳纤维丝束外皮的材料市面上通常采用PVC、硅橡胶、铁氟龙等绝缘材料，表2为3 种绝缘材料对比。综合考虑材料的绝缘性、耐热性、价格等因素，选用外皮是硅橡胶的发热线。

表2 碳纤维发热线常用的3 种绝缘外皮比较

2.3 碳纤维发热线电热性能

本试验发热线两端加载电压为AC220 V，不同长度碳纤维发热线所对应的功率不同，分别选取长度为22 m、16 m、12 m、10 m、9 m、8 m、7 m 的碳纤维发热线进行通电升温试验，其对应的电流及功率见表3。 试验在室内进行，室温为16.6℃，试验中发热线悬空放置，以减少接触热传导，将热电偶探头固定于发热线上测试加热过程中发热线表面温度，热电偶线另一端连接数显测温仪以显示温度值，如图3 所示。

表3 AC220 V 电压下不同长度发热线电流及功率值

图3 发热线升温试验电路连接示意图

试验中自通电开始每隔10 s 记录1 次温度值，通电时长均为10 min，最后得到7 种不同输入功率下发热线表面温度随时间的变化曲线，如图4 所示。可以看出：（1）碳纤维发热线温度上升的过程为①温升迅速段，发热线表面温度上升迅速；②温升平缓段，升温速率逐渐放缓；③温升稳定段，发热线表面温度趋于稳定;（2）碳纤维发热线通电后表面温度能很快达到稳定状态，且输入功率越大，发热线升温速率越快，达到稳定状态所需时间越短，升温稳定时间最大不超过6 min;（3）输入功率越大，发热线表面所能达到的最高温度也越大， 即升温幅度越大。 不同输入功率下发热线表面所能达到的最高温度、升温幅度以及试验中的现象见表4。

图4 不同输入功率下发热线表面温度变化曲线

表4 不同输入功率下发热线表面最高温度及试验现象

由表可知，本文所选用的24k 的硅胶外皮的发热线，其安全工作电流不大于1.8 A，从发热线的长期使用性能考虑，不宜使用大于1.4 A 的电流。碳纤维发热线表面升温幅度与输入功率具有很好的线性关系，相关系数为0.989，两者关系式为：

式中：T—发热线表面升温幅度，℃；P—发热线输入功率，W/m。

将本文选用24k 硅胶外皮碳纤维发热线应用于实际工程时，发热线输入功率选择可参考公式（1）。

3 发热线电加热桥面室外升温效果

3.1 发热线电加热混凝土大板制作

发热线电加热桥面室外混凝土大板试验在3.5 m×3.5 m×0.3 m 的混凝土超大板平台上进行，该混凝土平台用来模拟实际工程中的混凝土桥面板。发热线电加热桥面混凝土大板制作过程如下：

（1）制作1 m×2 m×0.15 m 的木试模，在试模内侧四周粘贴1 层气凝胶毡（导热系数仅有0.02 W/（m·℃）），用来模拟实际工程中发热线电加热桥面铺装的绝热面；（2）在混凝土平台上放置好试模后，在试模内配置钢筋混凝土下面层的焊接钢筋网，钢筋为CRB550级冷轧带肋钢筋，公称直径为10 mm，纵向钢筋在下，横向钢筋在上，纵向和横向钢筋间距均为11 cm，整个钢筋焊接网尺寸为1 m×2 m，用混凝土垫块将焊接钢筋网支起， 使纵向钢筋底面距混凝土平台2 cm；（3）在试模中浇注钢筋混凝土下面层混凝土，将搅拌好混凝土倒入试模中， 控制钢筋混凝土下面层厚度为5 cm，振捣、抹平；（4）钢筋混凝土下面层室外洒水养护硬化后，在其表面中心位置用少量砂浆埋置热电偶， 砂浆主要起到固定位置和保护热电偶的作用；（5）该位置热电偶埋置好后，往试模中浇注陶粒混凝土作为发热线电加热桥面阻热夹层，将搅拌好的陶粒混凝土倒入试模中，控制陶粒混凝土阻热夹层厚度为3 cm，振捣、抹平；（6）陶粒混凝土阻热夹层室外洒水养护硬化后，在其表面放置钢筋网片，钢筋网片尺寸为1 m×2 m，钢筋直径为3 mm，网格尺寸为11 cm×11 cm；（7）用尼龙扎带将发热线按照11 cm 的布设间距，以蛇形的铺设方式绑扎固定于钢筋网片上，发热线为24k 的碳纤维发热线，电阻值为17 Ω/m，单根长度为10 m，共布置了2 根发热线；（8）在陶粒混凝土阻热夹层表面中心位置、2 根发热线中间位置用少量砂浆分别埋置热电偶；在发热线位置和发热线上用尼龙扎带分别布置热电偶；（9）用扎丝将钢棒按照22 cm×22 cm 的设置间距绑扎固定于钢筋网片角隅处，钢棒为HRB335 级热轧带肋钢筋，公称直径为16 mm，高度为4 cm；（10）往试模中浇注钢纤维混凝土作为发热线电加热桥面导热上面层， 将搅拌好的钢纤维混凝土倒入试模中，控制钢纤维混凝土导热上面层厚度为5 cm，振捣、抹平，室外定期洒水养护28 d。

3.2 混凝土大板表面温度分布均匀性

对于发热线电加热桥面铺装来讲，桥表面温度分布的均匀性很重要，当桥表面能稳定而均匀地产生热量，桥面上的冰雪才会均匀、快速地融化，从而达到良好的融雪除冰效果，因此有必要对发热线电加热桥面表面温度分布均匀性进行试验研究。

发热线电加热桥面表面温度分布的均匀性与发热线的间距有很大的关系。 布设间距大，可以降低发热线的用量，材料费用减少，但桥表面温差大，表面温度分布均匀性差，会出现“条带间隔”的情况，不利于行车安全；布设间距小，则桥面的铺装功率相应地变大，可以缩短提前加热的时长，提升融雪除冰的效果，然而材料费用、加热系统运营成本将会提高，除此之外，还将加大发热线铺设的施工难度，增加施工费用。 理论上，发热线电加热桥面表面最高温度应出现在发热线上方的混凝土表面，而表面最低温度出现在2 根发热线中间上方的混凝土表面。 如图5 所示，M1、M2、M3 为测试板表面最高温度设置的3 个测点，N1、N2、N3 为测试板表面最低温度的3 个测点，试验中取M1、M2、M3 的平均值和N1、N2、N3 的平均值分别作为某一时刻板表面最高和最低温度。 试验在室外进行，初始大气温度为17.1℃，风力等级为3 级，板表面初始温度为17.9℃，通电电压为AC220 V， 输入功率为280 W/m2， 通电后，使用热电偶和数显测温仪测试板表面各测点温度，试验中记录每次各测点的温度和大气温度的时间间隔为5 min，测试时长为5 h。

图5 混凝土大板表面温度测点布置

通过图6 可以看出，混凝土大板表面温升曲线大致呈上凸趋势，前期升温速率相对较快，随着加热的进行，板结构层内存在着蓄热，升温速率放缓，板表面温度场往平稳状态逐渐发展；当升温5 h 时，板表面温升11.1℃；升温过程中板表面最高温差只有0.8℃，板表面温度分布均匀性很好，可以很好地满足发热线电加热桥面融雪除冰对桥表面温度分布均匀性的要求。

图6 混凝土大板表面温度分布均匀性

由图7 可以看出，混凝土大板表面的温度分布曲线近似于正弦曲线，即温度最高的点出现在发热线之上的板表面，而温度最低的点出现在相邻发热线正中间位置之上的板表面，也就是板表面上的点与发热线在水平方向上的距离不同，则该点的温度也不相同，温度最高的点与发热线在水平方向上的距离为0，温度最低的点则是距离最远的点；板表面各点在通电早期（0～3 h）温差相对较大，随着升温的进行，到了后期（3～5 h）板表面各点的温度差别不大。

图7 混凝土大板表面测点不同时长的温度变化

3.3 混凝土大板垂直方向温度分布

如图8 所示，A1、B1 为测试混凝土板表面最高温度和最低温度的2 个测点，A2、B2 为测试混凝土板内部发热线加热层最高温度和最低温度的2 个测点，C2 为测试混凝土内部发热线表面温度设置的测点，A3、B3 为测试陶粒混凝土阻热夹层与钢筋混凝土下面层层间最高温度和最低温度的2 个测点， 试验中取A1、B1 的平均值、A2、B2 的平均值和A3、B3 的平均值分别作为某一时刻混凝土板表面、发热线加热层和阻热夹层下表面的平均温度。

图8 混凝土大板垂直方向温度测点布置

试验在室外进行， 初始大气温度为15.3℃，风力等级为3 级，板表面初始温度为16.6℃，发热线加热层初始温度为16.9℃，阻热夹层与下面层层间初始温度为17.2℃，加载电压为AC220 V，输入功率为280 W/m2，通电后，使用热电偶和数显测温仪每隔5 min 测试1 次板表面及内部各测点的温度，以及大气温度，测试时长为5 h。

由图9 可以看出，发热线加热层、板表面以及阻热夹层下表面的温升曲线均近似为凸曲线，加热前期升温速率较快，后期升温速率变慢，混凝土板的温度场逐渐趋于平稳状态；在加热过程中，板表面的升温速率与加热层大致相等，而阻热夹层下表面升温速率明显小于加热层和板表面升温速率，板表面的温升曲线逐渐逼近加热层温升曲线，而阻热夹层下表面温升曲线相隔较远。

图9 混凝土大板垂直方向升温曲线

从图10 可看出，相同时间下，板表面的温度与加热层温度差别不大，而距加热层垂直距离更近的阻热夹层下表面的温度远低于板表面温度，反映出发热线产生的热量绝大部分是向上进行传导，传向板表面，只有极少部分往下传导，由此说明，钢纤维混凝土上面层具有优良的导热性能，而陶粒混凝土具有良好的阻热能力。

图10 混凝土大板三层位不同时长温度变化

3.4 风速对混凝土大板表面温升的影响

发热线电加热桥面加热升温过程中表面温度会受到风速的影响，无风时桥表面与空气是自然对流换热，而有风时则为强迫对流换热，故有必要研究风速对发热线电加热桥面表面温升的影响。 试验采用可调节风速的工业落地扇模拟桥表面不同风力大小情况，使用手持式风速测量仪测试风速。 试验在室外进行，调节电扇风速大小，板加载电压为AC220 V，输入功率为280 W/m2，接通电源后，使用热电偶和数显测温仪每隔5 min 测试板表面各测点温度和大气温度，测试时长为5 h，试验结果如图11所示。

图11 不同风速下混凝土板表面升温曲线

图11（a）为风力等级2 级条件下板表面温升曲线，升温5 h 时，板表面温升14.0℃，升温过程中，板表面最高温差为0.9℃；图11（b）、（c）则分别为3 级风和4 级风的条件下板表面温度变化情况，升温5 h时，板表面温升幅值分别为12.2℃和10.3℃，升温过程中板表面最大温差分别为0.7℃和0.6℃。 由以上可知，混凝土板表面温度分布均匀性很好，板表面最高温差均不超过1℃， 风速对板表面温度分布均匀性影响不是很大；风速对板表面的温升幅度有一定的影响，相同输入功率下，风力等级提高一级，板表面温升幅值约降低1.85℃。

4 结论

基于以上发热线电加热桥面室外升温试验，具体结论如下：（1）碳纤维发热线表面温升幅值与输入功率大致呈线性增长的关系。 对同一规格的碳纤维发热线，发热线表面最高温度与电压成正比、与长度成反比。 碳纤维发热线的升温过程大致可分为升温迅速阶段、缓慢升温阶段和升温稳定阶段；通电后表面温度能很快达到稳定状态，且输入功率越大，表面升温速率越快，达到稳定状态所需时间越短，升温稳定时间在4～6 min；（2）发热线电加热混凝土板表面的温升曲线大致呈上凸趋势，前期升温速率较快，随着加热的进行，升温速率放缓，表面温度场趋于平稳状态； 板表面的温度分布近似于正弦曲线，即发热线正上方板表面的温度最高，相邻两发热线中间正上方板表面温度最低； 板表面的温差在通电早期相对较大，随着加热的进行，后期板表面温差不大；（3）发热线电加热混凝土板表面的升温速率与发热线加热层相近，而阻热夹层下表面的升温速率要远小于板表面，表明发热线产生的热量绝大部分传向了板表面，仅有极少部分向下传导，由此显示钢纤维混凝土面层和陶粒混凝土夹层分别具有优良的导热性能和阻热能力；（4）风力等级越大，发热线电加热混凝土板表面的最大温差减小，即表面的温度分布均匀性更好，但风速对表面的温度分布均匀性影响很小；风速对表面的温升幅值影响较大，风力等级每提高一级，表面的温升幅值降低1～3℃。