內置碳纖維發熱線的融冰橋面設計與施工

陳紹輝+彭余華+鮑夢捷

0 引言

在冬季，冰雪災害給道路通暢和行車安全帶來重大的影響，每年道路的積雪結冰都會造成嚴重的交通擁堵，甚至誘發一系列的交通事故。傳統的融冰化雪方法需消耗大量的人力、物力，有的還會對環境造成不可估量的負面影響，無法達到令人滿意的融冰效果。

碳纖維發熱電纜加熱法在中國還處于起步階段[1-2]，本文在橋面結構內置碳纖維發熱線，通過室內試驗確定碳纖維發熱線布設間距、鋪裝功率、布設位置，并利用ABAQUS軟件分析出試驗所用混凝土的熱性能參數，對瀝青混凝土熱物性參數、發熱線溫度、環境條件等不同影響因素進行模擬分析，研究這些影響因素改變時橋面表面升溫速率變化，最后依托麻昭高速公路提出具體的碳纖維發熱線融冰雪的施工方法。

1 碳纖維發熱線融冰橋面室內試驗研究

中國高速公路橋面典型鋪裝形式為：4 cm上面層+6 cm中面層+10 cm水泥混凝土鋪裝層。室內試驗分別成型對應厚度的試件，考慮施工便利性，碳纖維發熱線的埋設位置主要有：上中面層之間（圖1（a））；中面層與水泥鋪裝層之間（圖1（b））；水泥鋪裝層內（圖1（c））。

由于水泥混凝土的鋼筋網間隔一般為10 cm，在水泥混凝土未凝結時，需要將發熱線與鋼筋網綁扎，故可先將發熱線間距假設為10 cm來探討發熱線埋設位置對橋面融冰的影響。試件尺寸如圖2所示。

1.1 碳纖維發熱線的埋設位置

試驗時，發熱線間距取10 cm，發熱線線功率為35 W·m-1，試驗環境為無風，溫度設為-5 ℃，試件水平放置于高低溫交變箱內，試件底部架空，上表面為散熱面。當試件達到-5 ℃后，開始通電試驗，發熱線上加載電壓為65 V，通電時長2 h，通過溫度采集儀來獲取試件表面溫度隨時間變化的數據。不同鋪設方案下，試件表面溫度隨時間的變化如圖3所示。

由圖3可知，處于3 種不同位置的發熱線，2 h后表面溫度差異較大。發熱線位于水泥鋪裝層內部的鋼筋網上時，表面溫度通電2 h后仍為-5 ℃，溫度最低且發熱效果最差；發熱線位于中面層與水泥混凝土鋪裝層之間時，相比前者效果更好；發熱線在上中面層之間時，通電2 h 后表面溫度達到了-0.4 ℃，在3種情況中溫度最高，效果最好，且隨通電時間的延長，試件表面溫度逐漸升高。

為了防止瀝青面層溫度過高而影響其高溫穩定性，需要將發熱線的溫度控制在一個合理的范圍之內。

1.2 碳纖維發熱線布設間距

為直觀獲取發熱線間距對導熱效果的影響，取發熱線間距分別為5 cm、8 cm和10 cm三種水平進行室內試驗，發熱線均位于上中面層交界處，線功率為35 W·m-1。待試件與環境溫度均為-5 ℃時接通電路，加載65 V電壓，通電時間統一設定為2 h，溫度采集儀時間間隔設定為5 min，分別采集3種發熱線鋪設間距的試件表面溫升數據。圖4為3種布設間距下試件表面溫升對比。

從圖4可知：在加熱時長相同的情況下，發熱線間距越小，試件表面同一測點處溫度越高，溫升效果越好。但若布設相同的面積，隨發熱線間距減小，需要的發熱線長度增加；若采用刻槽方法布設碳纖維，需要的人工消耗大，且耗時也越長。因此，綜合考慮施工難易程度、經濟成本及溫升效果，發熱線布設間距采用10 cm較為合適。

1.3 碳纖維發熱線的鋪裝功率

為確定發熱系統鋪裝功率對試件表面溫升狀況的影響，選取6種鋪裝功率：200、400、600、800、1 000、1 200 W·m-2。發熱線間距選用10 cm，埋設位置位于上、中面層之間，試驗在環境溫度為-5 ℃且無風的條件下進行。6種鋪裝功率與對應的試驗輸入電壓見表1。

待試件溫度降至-5 ℃時接通試驗電路，按表1中的電壓對發熱線進行加載，通電1 h采集各種情況下試件表面溫升數據，設定數據采集間隔為300 s，得到表面溫升數據并繪制曲線，如圖5所示。

由圖5可知：隨著鋪裝功率增大，試件表面最終溫度升高；當鋪裝功率高于800 W·m-2時，試件表面最終溫度的升高尤為明顯，最高達到了3.4 ℃，而鋪裝功率為200～800 W·m-2時，表面最終溫度差異不大，均在-2 ℃～-1 ℃左右；通電1 h，400～800 W·m-2功率下的溫度上升較為平緩，而800 W·m-2功率以上試件的溫度上升幅度較大。同時，不同鋪裝功率下發熱線能達到的穩定溫度值差異較大，如表2所示。

從表2可看出，當鋪裝功率逐漸增大時，發熱線表面溫度也隨之增加。當鋪裝功率大于600 W·m-2時，電纜表面溫度已超過45 ℃，對瀝青混合料的高溫穩定性可能會造成影響。

因此，為降低運行成本，保證系統能實時地融冰化雪，同時兼顧發熱線溫度不能過高等因素，在與試驗環境相同的情況下，發熱系統的鋪裝功率可采用400 W·m-2。

2 內置碳纖維發熱線融冰有限元仿真模擬

為了分析內置碳纖維發熱線橋面的傳熱過程，利用ABAQUS有限元軟件模擬不同環境下發熱線融冰化雪效果，并與室內試驗相關數據進行對比，并對瀝青混凝土的熱物理性能參數、發熱線溫度、環境條件等進行模擬分析，為選取碳纖維的規格提供依據[3]。

2.1 混凝土熱性能參數分析

通過ABAQUS軟件初步設定混凝土熱性能參數，采用試錯法來確定室內試驗所用混合料的導熱系數。試錯法的基本流程為：設定一個導熱系數對混凝土板的加熱過程進行模擬，將該導熱系數計算出的混凝土板溫度場分布與混凝土板升溫實測結果對比，如果溫度場模擬值較試驗值偏小，則調大導熱系數，反之則調小，直至模擬值與實測值差異較小。

2.1.1 試驗方案

測算瀝青面層的導熱系數時，取發熱線位于上中面層之間，線間距為10 cm，鋪裝功率為400 W·m-2；測算水泥混凝土的導熱系數時，取發熱線位于水泥鋪裝層內部，距中面層底部4 cm，線間距為10 cm，鋪裝功率為628 W·m-2。

2.1.2 試算過程

在混凝土板的升溫計算過程中，分別選取不同數值的導熱系數和比熱容。通過板表面溫度分布以及板表面最低溫度升溫曲線的ABAQUS模擬值與實測值對比，使誤差控制在1 ℃以內，從而確定混凝土試件的導熱系數和比熱容。圖6所示為試算出各層位熱物理性能參數時實測值與模擬值的對比曲線。

從圖6可以看出，通過ABAQUS模擬出的數據與實測結果吻合較好。各層位混凝土熱物理性能參數見表3。

2.2 混凝土熱性能參數的驗證

為驗證通過試算得到的各層材料熱物性參數的準確性，取表3中數據對1.3中的情形進行模擬計算，將實測值與模擬值對比，得到圖7所示結果。

從圖7可看出，模擬值與實測值的誤差較小，在能接受的范圍之內，因此認為采用表3中各層材料的熱物理性能參數進行有限元模擬分析時，可以較好地反應實際的升溫狀況。因此，可在不同環境下通過ABAQUS有限元軟件進行溫升模擬，為選取碳纖維的規格提供分析依據。

2.3 橋面融冰影響因素研究

2.3.1 瀝青混凝土熱物性參數影響研究

為研究瀝青混凝土熱物性參數對橋面表面溫度的影響，分別取不同的瀝青混凝土密度、導熱系數、比熱容值，在發熱線埋深4 cm、環境和鋪裝層結構初始溫度為 -5 ℃、發熱線表皮溫度為40 ℃且無風的情況下通電4 h，模擬參數變化對升溫速率的影響。

混凝土的密度可通過室內試驗實測計算得出。由于各種混凝土配合比、材料等不同，密度有差別，具體以實測結果為準。上面層瀝青混凝土密度分別為2 200、 2 300、2 400、2 500、2 600 kg·m-3，通電4 h后，不同密度下對應的混凝土板表面升溫速率曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，隨著瀝青混凝土密度的增加，升溫速率降低。因此，減小瀝青混合料密度可提高瀝青混合料的導熱性能。

導熱系數是指在單位溫度梯度作用下物體內所產生的熱流密度，表征物體導熱能力的大小，單位為W·m-2·℃-1。影響瀝青混凝土導熱系數的因素主要有集料、空隙率、橋面的表面構造、油石比、含水率以及導熱填料等，其中集料對瀝青混凝土的導熱性能起決定性作用。因此，要得到某一特定導熱系數的瀝青混凝土，需要借助試驗檢測。混凝土的導熱系數可先參考資料[4]中的范圍值，用試錯法通過有限元軟件模擬得出結果，再與室內試驗對比后確定。

取瀝青混凝土導熱系數分別為0.5、1、1.5、2、2.5 W·m-2·℃-1。通電4 h后，不同導熱系數下對應的混凝土板表面升溫速率隨導熱系數的變化曲線如圖9所示。

由圖9可以看出，隨著瀝青混凝土導熱系數的增大，表面升溫速率呈幾何增長?？上蚧旌狭蟽忍砑右恍┠軌蛱岣咂鋵嵯禂档牟牧蟻碓龃蟊砻鏈厣俾?。

比熱容是單位質量的物質提高（或降低）單位溫度所吸收（或放出）的熱量，其單位是J·（kg·K）-1。測定均質材料比熱容的方法有混合法、差分比熱量熱法、差示掃描量熱法及點熱量熱法等[5]。

取瀝青混凝土比熱容分別為800、900、1 000、 1 100、1 200 J·（kg·℃）-1。通電4 h后，不同瀝青混凝土比熱容下對應的混凝土板表面升溫速率隨比熱容的變化曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，隨著瀝青混凝土比熱容的增大，表面升溫速率不斷減小。主要原因是：比熱容越大，混凝土儲熱能力也隨之增強，因此吸熱、放熱的速度都會降低。

2.3.2 發熱線表面溫度影響研究

取發熱線表面溫度分別為20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃，埋深4 cm，線間距為10 cm，環境溫度和鋪裝層結構初始溫度設定為-5 ℃，無風，運行時長4 h。不同發熱線溫度下對應的混凝土板表面升溫速率隨電纜溫度的變化曲線如圖11所示。

從圖11中可以看出，隨著發熱線表面溫度的升高，表面升溫速率不斷變大。

2.3.3 表面熱交換系數影響研究

橋面表面綜合換熱系數為對流換熱系數和輻射換熱系數之和。由于路面溫度等未知，研究中多將綜合換熱系數作為常數處理，但忽略了風速對熱交換系數的作用，影響分析的準確性。所以綜合熱交換系數的取值，推薦采用下式計算

其中

式中：hcf為熱交換系數，hc為橋面表面和大氣產生熱交換的換熱系數，qf為路面輻射系數（W·m-2·℃-1）；Vf為日平均風速值（m·s-1）；ε為路面發射率（即黑度），瀝青路面取0.81；δ為Stefan-Boltzmann常數（即黑體輻射系數），取5.67×10-8W·m-2·K-4；Ts為路表溫度（℃）；Tz為絕對零度值（273 ℃）；Ta為大氣溫度（℃）。

根據環境條件的不同，取模型表面熱交換系數分別為10、13、19、26、34、44 W·m-2·℃-1，發熱線溫度為40 ℃，間距10 cm。通電4 h，不同表面熱交換系數下對應的混凝土板表面升溫速率隨熱交換系數的變化曲線如圖12所示。

從圖12中可以看出，隨著表面熱交換系數的增大，橋面表面的升溫速率不斷減小。

2.3.4 沿厚度方向溫度變化研究

在1.1中，通過試驗實測了發熱線位于不同埋設位置時的升溫狀況，得出發熱線位于中面層與上面層之間時升溫效果較好，所以在該位置對發熱線沿厚度方向的溫度變化進行仿真模擬。

取埋置深度為4 cm（距模型表面距離），發熱線布設間距10 cm，環境溫度和鋪裝層結構初始溫度設定為5 ℃，發熱線表皮溫度為40 ℃，無風，運行時長為4 h，研究發熱線布埋深變化時橋面表面溫度變化情況。

圖13為模型最終溫度云圖，從圖中可以看出，靠近發熱線區域溫度最高，遠離發熱線區域溫度最低。當埋置深度為4 cm時，溫度場呈軸對稱。取模型左上角為坐標原點，每間隔0.03 m設一個測點來觀測其溫度最終值，計算得出表面最低溫度與最高溫度之間相差僅為1.5 ℃，表面溫度均勻性較好。

因此，考慮到路面結構層的施工連續性、升溫速率、均勻性等因素，發熱線的埋設深度為4 cm時效果最佳。類似地，路面結構為3層時，發熱線布設位置應位于上中面層之間；若路面結構為2層，則發熱線應位于上下面層之間。

3 內置碳纖維發熱線融冰技術的工程應用

3.1 工程概況

選取麻昭高速公路易發生凝冰路段——左幅上高橋隧道出口至打堡寨2#隧道入口之間（K43+064.50～K43+114.50）全長50 m橋（路） 面作為試驗段。在K43+071和K43+101兩處安裝橋梁伸縮縫，需空出各1 m 的距離，實際鋪裝區長度為48 m。該工程主要采用碳纖維內置于橋面結構層內部，通電后形成發熱體，經過瀝青上面層傳熱至橋面，使得橋面表面溫度高于冰點。

3.2 施工技術要求

目前較為成熟的碳纖維發熱線鋪設方式主要分為以下2種：一種為制成碳纖維發熱格柵鋪設，另一種是刻槽。2種鋪設方式優缺點對比分析如表4所示。

由于橋面鋪裝較薄，發熱格柵的存在將直接影響層間粘結，容易造成瀝青面層的推移、擁包，大大縮短橋面鋪裝的使用壽命；而通過刻槽方式將碳纖維發熱線鑲嵌于中面層表面，不影響上面層攤鋪碾壓施工，且對層間粘結的影響也較小。因此，本項目選用刻槽方式對碳纖維發熱線進行鋪設并固定。

進行刻槽時，刻槽的深度與寬度根據所選取的碳纖維發熱線規格確定，該工程刻槽主要分為3類：Ⅰ類槽橫跨行車道，用于埋置碳纖維發熱線；Ⅱ類槽位于超車道左側，用于埋置發熱線冷熱導線相接的K型接頭；Ⅲ類槽用于埋置冷線與冷線接頭。施工時應選擇合適的刻槽機械，其工作性能需滿足以下要求：Ⅰ類槽寬約5 mm，深10 mm，單條槽長15 m，槽間距10 cm，全橋面范圍刻槽，轉角部位建議選用圓角；Ⅱ類槽寬80 mm，深25 mm，單條槽長1 m；Ⅲ類槽寬30 mm，深25 mm，單條槽長約8.5 cm。單組碳纖維電纜路面刻槽如圖14所示。

刻槽結束后，對凹槽進行清理，即可進行發熱線的鋪設，發熱線鋪設在Ⅰ類槽內。在實際施工應用時，5根電纜與K型連接器預制在一起，統一布置。必要時每條槽內澆灑SBS改性瀝青將發熱線粘結在槽內。K型連接器放置于Ⅱ類槽內，連接電線放置于Ⅲ類槽內并固定好。單組碳纖維電纜布設如圖15所示。

待整個發熱線系統鋪設完畢，應進行5～10 min通電測試，若正常運行則表示發熱系統安裝及使用無任何質量問題。反之應立即檢查，發現損壞電纜應立即返工。

3.3 施工方案

（1）刻槽時應先劃線，后刻槽。碳纖維電纜必須嵌入槽內，不得露出中面層。線材安裝位置應避開橋梁的伸縮縫。在全段開始刻槽之前，應首先進行試刻，明確刻槽機具的選用與碳纖維的安裝工藝。

（2）發熱線的布設不宜與其他單項工程交叉施工，施工時應盡量避免有尖銳的器械直接碰觸發熱線；鋪設前確認電纜冷線預留管、配電箱線管等的預留、預埋工作已經完畢；防撞墻預留孔位應保證通透。

（3）不宜在-5 ℃以下的施工環境中安裝電纜，當環境溫度降低，電纜變硬不宜安裝時，可以適當加熱電纜。發熱線放置在槽內應盡量避免有凸起現象，以免攤鋪機工作時將發熱線卷起。如果在安裝中道路角隅處下承瀝青面層有損壞，無法固定碳纖維發熱線，可使用鋼釘固定。

（4）發熱線布設結束后，應立即開始上面層的攤鋪、碾壓等工作，避免裸露在外的發熱線遭到破壞。

4 結語

（1）針對碳纖維發熱線在橋面結構內的3種布設位置進行了室內試驗，結果表明：發熱線位于上面層與中面層之間時，發熱效率最高；發熱線位于中面層與水泥混凝土鋪裝層之間時，融冰耗時過長；發熱線位于鋪裝層內部時，表面溫度幾乎無變化。因此，當路面結構為3層時，發熱線布設位置應位于上中面層之間；若路面結構為2層，則發熱線應位于上下面層之間。

（2）發熱線間距越小，升溫速率越快，橋面融冰化雪所需時間越短。綜合考慮到發熱線成本、固定發熱線的工作量等因素，在實際施工中發熱線間距采用10 cm較為合理。

（3）室內試驗表明，隨著鋪裝功率的增大，發熱線溫度也隨之升高，橋面表面達到同一溫度所需時間逐漸縮短。為降低發熱系統運行成本，發熱線溫度不宜超過45 ℃，同時又保證系統能實時地進行融冰化雪，發熱系統的鋪裝功率建議采用400 W·m-2。

（4）在假設混凝土導熱系數的前提下，采用ABAQUS軟件模擬混凝土板的加熱過程，并利用室內試驗數據進行對比，調整導熱系數，獲取了各層混合料熱物理性能參數。

（5）利用有限元軟件分析瀝青混凝土熱物性參數、發熱線溫度、環境條件等因素對融冰橋面溫升的影響，得出結論：隨著瀝青混凝土密度的增加，升溫速率降低；隨著瀝青混凝土導熱系數的增大，表面升溫速率呈幾何增長；隨著瀝青混凝土比熱容的增大，表面升溫速率不斷減小；隨著發熱線溫度的升高，表面升溫速率不斷變大；隨著表面熱交換系數的增大，橋面表面的升溫速率不斷減小。

（6）選取麻昭高速公路易發生凝冰的路段，根據其項目的具體情況提出了內置碳纖維發熱線融冰技術的鋪設施工方法。

參考文獻：

[1] 李炎峰，武海琴，王貫明，等.發熱電纜用于路面融冰化雪的實驗研究[J].北京工業大學學報，2006，32（3）：217-222.

[2] 楊 飛.碳纖維發熱線用于道路除冰雪的技術研究[D].西安：長安大學，2014.

[3] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4] 張仁義，顧強康，林超群，等.瀝青和水泥混凝土導熱特性研究[J].四川建筑科學研究，2012，38（1）：168-170.

[5] 陳德鵬，錢春香，王 輝，等.水泥基材料比熱容測定及計算方法的研究[J].建筑材料學報，2007，10（2）：127-131.