碳纤维融冰路面设计研究

张绍权

（唐山市交通运输局公路管理站，河北唐山 063000）

0 引言

为解决路段出现的大面积冰雪问题，可以结合公路工程实际情况设计碳纤维融冰路面，在有效时间内通过加热碳纤维发热线，快速融化路面上的冰雪，恢复公路的路用性能。

1 工程概况

某高速公路工程全长106.6km，公路建设于海拔高、气温低、冬季冰雪多的地区。在每年12月份～次年2月份，公路工程部分路段出现极端气候，气温在-10℃左右，造成路面结冰严重，对车辆安全通行构成极大威胁。为解决冬季路面安全通行问题，本工程设计融冰路面，在试验路段铺设碳纤维发热线，利用碳纤维发热功能快速融化冰雪，增强路面抗凝冻性能。

2 碳纤维融冰路面设计与应用

2.1 融冰路面设计方法

2.1.1 碳纤维发热线规格

（1）碳纤维发热线的三种绝缘材料分别为PVC、硅橡胶、氟塑料，三种绝缘材料各自有优缺点[1]。本工程在考虑碳纤维外皮材料耐热性、经济性和发热效果因素的基础上，选用硅橡胶材料作为发热线外皮。

（2）碳纤维发热线规格以丝束数量作为区分标准，单位为K，表示1 000根。常见的发热线规格为12K、24K、36K、60K，对应的电阻值分别为35Ω/m、17Ω/m、11Ω/m、7Ω/m。本工程在融冰路面设计中选用36K碳纤维发热线规格。

2.1.2 碳纤维发热线布设

（1）沿路线横条状布设碳纤维发热线，对发热线布设间距进行室内试验：在碳纤维发热线间距别在5cm、8cm、10cm时，表面升温速率分别为0.0325℃/min、0.0242℃/min、0.0208℃/min[2]。碳纤维间距越小，升温速率越快。但是在实际的路面设计中，需要考虑碳纤维铺装难度，以及融冰路面建设成本等因素，所以本工程的碳纤维发热线间距确定为10cm。

（2）在确定碳纤维发热线布设层位时进行试验，分别在三个不同层位布设碳纤维，对比分析表面升温速率。试验包括：

方案一，将碳纤维加热线埋设到水泥混凝土铺装层，在钢筋网上绑扎固定，碳纤维与顶面相距14cm[3]；

方案二，将碳纤维加热线埋设到铺装层与沥青混凝土下面层之间，碳纤维与顶面相距10cm；

方案三，将碳纤维加热线埋设到上面层与下面层之间，碳纤维与顶面相距4cm。

试验结果证实，表面升温速率从高到低的布设方案为方案三、方案二、方案一。为此，本工程选择方案三中的布设层面，合理控制碳纤维发热线的布设深度。

2.1.3 碳纤维发热线铺设方式

碳纤维发热线铺设方式主要包括铺设发热格栅和刻槽两种方式[4]。在发热格栅铺设中，需要铺筑水泥混凝土铺装层，压实沥青混凝土下面层，将碳纤维格栅铺设在下面层上，再摊铺和碾压上面层沥青混凝土；在刻槽法中，只需要按照布设规划的线槽位置，对已经施工完毕的下面层凿刻，将碳纤维发热线铺设到线槽内，再喷洒黏结剂，用于固定碳纤维。本工程在考虑到铺装层厚度、施工难度程度等因素的基础上，采用刻槽方式铺设碳纤维发热线。

2.1.4 融冰路面铺设功率

对融冰路面铺设功率进行试验，试验结果显示：当铺装功率分别在200W/㎡、400W/㎡、600W/㎡、800W/㎡、1000W/㎡时，电缆温度分别为18.6℃、38.7℃、58.9℃、79.0℃、99.1℃。由于碳纤维发热垫温度超过45℃后会降低沥青路面结构的稳定性，并且铺装功率越大融冰路面运行成本越高，所以本工程铺设功率确定为400W/㎡。

2.1.5 碳纤维发热线电路连接

碳纤维发热线可以选择串联、并联两种连接方式。其中，串联接头少、铺装难度低，但是温度传递呈衰减状态，且某一部位出现损坏会直接影响整体线路发生故障[5]；并联的每个线路回路为独立运行，保证路面发热均匀，融冰效果较好。为此，本工程采用并联方式连接碳纤维发热线。

2.1.6 铺装分区

由于碳纤维融冰路面铺设面积较大，所以在路面设计中采用铺装分区设计方式，将路面划分为若干个独立模块，各模块独立启动电压，避免瞬间启动电压过大造成线路短路。

2.2 碳纤维融冰路面有限元模型分析

2.2.1 建立室内试验仿真模型

在考虑外界环境条件、混凝土路面材料性能等因素的基础上，建立室内试验仿真模型，为优化碳纤维融冰路面设计提供依据。

（1）模型设定。室内试验混凝土试件的横向、纵向、厚度尺寸分别为60cm、40cm、20cm；假设融冰路面通电后，结构内部温度随着时间增长而不断变化，直到温度达到融冰化雪温度；采用瞬态分析法分析试件温度场变化，建立试件结构三维模型。

（2）条件设定。设定各结构层中的初始温度为恒定温度，试验温度分别为0℃、-5℃、-10℃，对每个试验温度各试验5次；设定碳纤维发热线温度呈均匀分布状态，功率为35W/m，不考虑风力作用对温度场的影响，根据综合换热系数计算辐射换热数值。

（3）热物性参数设定。设定融冰路面的各结构层材料为均质材料，参数固定。上面层沥青混凝土密度为2 389kg/m³，导热系数为1W/（m·℃），比热容为1100J/（kg·℃）；下面层沥青混凝土密度为2 406kg/m³，导热系数为1W/（m·℃），比热容为1 080J/（kg·℃）；水泥混凝土密度为2501kg/m³，导热系数为2.35W/（m·℃），比热容为1 250J/（kg·℃）。

2.2.2 融冰路面模型计算

利用仿真模型对碳纤维融冰效果进行分析，为不同环境条件的碳纤维铺设方案设计优化提供依据。

（1）采用常规的沥青路面结构设计：沥青混凝土上面层40mm+沥青混凝土中面层50mm+沥青混凝土下面层80mm+水泥稳定碎石基层350mm+级配碎石底基层200mm+路基填料800mm。根据沥青路面结构设计建立有限元模型[9]。

（2）在不同的风速条件下，沥青路面综合换热系数也会不同，本工程仅针对1～5级风速等级下的融冰化雪效果进行研究[10]；在碳纤维铺装功率相同的条件下，风速为1～2级时的热交换散失热量值相差较小，风速为3～5级时的热交换散失热量值相差较大；在碳纤维铺装功率增大时，融冰路面达到目标温度的时间会缩短，因风速造成的热交换散失热量值也会随之减小，所以在融冰路面设计中要适当提高碳纤维铺设功率[11]。

（3）建立融冰路面温度场模型，环境温度分别为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃，通过模型分析判断碳纤维预热时间；融冰路面的表面温度达到2～3℃才能融化冰雪，在外界风速为1级且铺装功率为350W/㎡的条件下，当环境温度为-5℃时的路面预热时长为2h，当环境温度为-30℃时的路面预热时长为10h。

（4）碳纤维发热线的直径不小于6mm，铺设间距要控制在发热线直径6倍以上；在研究碳纤维发热铺设间距时，分别选取5cm、7cm、10cm、12cm，根据温度场模型计算结果表明，当碳纤维发热线间距超过10cm时，路面温差超过2℃，判定为温度不均匀分布。故此，在碳纤维铺设设计中要将发热线布设间距控制在10cm以内。

（5）根据试验研究表明，在路面结冰前期，提早开启加热比结冰后开启加热的融冰效果好[12]；在融冰路面设计中，要安装凝冰预警传感器，提前1～2h预警加热，提高融冰效果。根据温度场模型分析不同环境温度、不同风力等级条件下，2h内碳纤维发热线的铺装功率与铺设间距。当环境温度小于-10℃时，功率耗电量增大，投入电力成本较高且融冰效果不佳。所以，在环境温度为-10℃以下的路面不建议铺装碳纤维；当环境温度小于-15℃时，碳纤维融冰路面适用于桥面段、隧道口、道路阴面等局部部位铺设；

（6）为提高碳纤维发热线的融冰效果，可以在混凝土面层与垫层结构中增加隔热层，当铺装功率设计为350W/㎡时，增设隔热层的融冰路面在1.5h左右便可以达到路面融冰的温度要求，有效减少发热线向基层传递的热量损失[12]。

2.3 融冰路面施工工艺

根据上述融冰路面设计方案组织开展碳纤维发热线的铺装施工，施工工艺流程为：划线→刻槽→清槽→布设电缆→清理路面→喷洒黏结剂→上面层施工[6]。

2.3.1 划线刻槽

（1）根据设计图纸，用钢卷尺和红油漆划出刻槽的具体位置；采用切割机，按照刻槽红线切槽。

（2）Ⅰ类槽深为10mm，宽为5mm，总长3 600m；施工人员操作切割机，推进速度保持在2.5m/min。刻槽过程中及时润湿刀片，槽与槽之间相距10cm，保证槽宽均匀。

（3）Ⅱ类槽用切割机按照槽轮廓切割，槽宽80mm；再用电镐凿刻，凿出20mm；清理槽内混合料，保证槽内无杂质。

（4）Ⅲ类槽是在护栏上预留的穿线孔位置用电镐凿出电缆槽，穿线孔间距为1m，每间隔1m划出一道，深为2cm[7]。

2.3.2 碳纤维铺设

（1）在碳纤维发热线铺设前固定K型接头，采用线卡或钢钉固定，要求K型接头对准槽位。

（2）展开成卷的碳纤维发热线，在凹槽内拉直固定发热线，不允许出现发热线打结问题，保证发热线完全嵌入凹槽内。

（3）用木棍、小锤等工具，将碳纤维发热线按压到凹槽内，使发热线表层与凹槽顶面保持3～5mm的距离；采用线卡固定发热线，避免发热线翘起。

（4）根据施工实际情况确定冷线布设，小于K型接头处预留出2.5m冷线长度，让冷线通过刻槽引出路面外；对冷线引出困难的部位，要直接到排水沟上方水泥板上刻槽，保证冷线引出桥面[13]。在实际施工中，预留穿线孔的位置偏高，需要调整孔位，避免上面层施工时破坏裸露在外的冷线。在预留孔处采取加固措施，对冷线位置进行固定，尽量嵌入凹槽内。

（5）在铺设完碳纤维发热线后，要对碳纤维发热线采取保护措施，尽量禁止车辆通行，待上层面铺筑之后再开放交通[14]。

2.3.3喷洒黏结剂

在碳纤维发热线铺设后清理路面杂物，清理后向下面层表面、凹槽喷洒黏结剂，在槽内固定发热线；在摊铺上面层前，沥青混合料运输车辆只能在碳纤维发热线铺设范围内行驶，易破坏碳纤维发热线与凹槽黏结的稳固性，为此尽量在下面层表面清理后铺筑上面层[8]。

2.3.4 上面层施工

（1）在上面层摊铺作业中，跟踪检查摊铺机是否卷起碳纤维发热线。因摊铺机无法靠近护栏摊铺，所以本工程采用人工布料的方式对K型接头部位进行混合料摊铺。

（2）在上面碾压时检查碳纤维发热线的K型接头是否裸露出上面层；待施工完毕后钻芯取样时，要尽量避开碳纤维发热线铺设范围内取样。

（3）在工程碳纤维融冰路面铺设后，检测各模块的发热线电阻，实测结果显示都在24Ω左右，表明上面层施工未对发热线造成损坏。

3 结语

本工程在考虑碳纤维外皮材料耐热性、经济性和发热效果因素的基础上，选用硅橡胶材料作为发热线外皮。并联的每个线路回路为独立运行，保证路面发热均匀，融冰效果较好，为此本工程采用并联方式连接碳纤维发热线。碳纤维发热线的铺装施工工艺流程为：划线→刻槽→清槽→布设电缆→清理路面→喷洒黏结剂→上面层施工。

在碳纤维融冰路面设计中，要充分考虑到路面融冰速率、路面建设成本、运营成本等因素，合理确定碳纤维加热线的选取规格、布设方式和铺设方案，保证融冰路面建设具备技术和经济可行性。在融冰路面施工中，施工单位要严格按照设计图纸施工，把控好各个施工作业环节，提高融冰路面施工质量。