碳纖維發熱線電加熱橋面溫升效果試驗

■翁盛華 胡昌斌 周月華

（1.南平公路事業發展中心，南平 353000；2.福州大學土木工程學院，福州 350108）

橋梁跨越江河或峽谷，與普通路面相比，橋面下部臨空臨水，無法從地下汲取熱能，因此在低溫氣候條件下，相比于橋面兩端所連接的路面，橋面上的溫度一般要低2～3℃[1]。 即當環境溫度低于0℃時，橋面發生結冰的時間較路面早；而在環境溫度出現回暖的情況下，與路面升溫相比，橋面升溫的時間晚，當路面表面的冰已經消融的情況下，可能仍然有冰覆蓋在橋面表面。 當駕駛汽車從沒有冰的路面行駛到尚有冰覆蓋的橋面時， 由于汽車輪胎與橋面的附著系數瞬間大幅降低，此時車輛極易發生打滑、偏移，甚至側翻，從而引發交通事故。 所以，橋面已成為降雪結冰地區除冰防滑工作的重點部位之一。

傳統的除冰雪方法存在效率低、清除不徹底等缺點。 因此，尋求一種環境友好、高效便捷、經濟性好的道路融雪除冰方法意義重大。 發熱線電加熱技術具有電熱轉化效率高、熱穩定性好、清潔無污染、控制方便等諸多優勢，本文通過制作碳纖維發熱線電加熱混凝土大板，進行發熱線電加熱橋面室外升溫試驗，探究發熱線電加熱橋面在實際狀況下的升溫效果，以期為發熱線電加熱路面的推廣應用提供一定的技術支持和參考。

1 發熱線電加熱橋面結構設計

1.1 試驗方案

本文通過室內碳纖維發熱線通電升溫試驗分析所選用的24k 硅膠外皮碳纖維發熱線的電熱性能，以及通過室外發熱線電加熱混凝土大板試驗[2]，研究所設計的碳纖維發熱線電加熱橋面在實際情況下的升溫效果。 具體研究方案如下：（1）對碳纖維發熱線電加熱橋面結構進行系統設計；（2）在室內無風、恒溫的環境條件下，對所選用的24k 硅膠外皮碳纖維發熱線進行通電升溫試驗，分析其在7 種不同輸入功率下的電熱性能，發熱線在實際應用時選擇輸入功率可進行參考；（3）在上述基礎上，制作碳纖維發熱線電加熱混凝土大板，在室外進行發熱線電加熱橋面升溫試驗（包括表面溫度分布均勻性試驗、垂直方向上溫度分布試驗以及風速對表面溫升的影響試驗）[3]，探究發熱線電加熱橋面[4]實際情況下的升溫效果。

1.2 方案設計

發熱線電加熱橋面鋪裝結構設計方案如下：（1）發熱線電加熱橋面鋪裝主體（不含整平層和防水層）總厚度為13 cm，包括：5 cm 鋼纖維混凝土導熱上面層、3 cm 陶?；炷磷锜釆A層和5 cm 鋼筋混凝土下面層；（2）鋼筋混凝土下面層的混凝土，水灰比為0.40，砂率為32%，減水劑摻量為0.5%，其抗壓、抗折強度分別為50.2 MPa 和7.03 MPa，導熱系數2.76 W/（m·℃），密度為2516 kg/m3；（3）鋼筋混凝土下面層配置CRB550 級冷軋帶肋鋼筋焊接網，其屈服強度σ0.2≥500 MPa，抗拉強度σb≥550 MPa，鋼筋公稱直徑為10 mm，縱橫向鋼筋間距均為11 cm，混凝土保護層厚度（焊接鋼筋網距鋼筋混凝土層底面距離）為2 cm；（4）陶?；炷磷锜釆A層采用陶?；炷?，水膠比為0.31，粉煤灰摻量為15%，體積砂率為36%，減水劑摻量為1%，其抗壓強度為54.8 MPa，抗折強度為6.71 MPa，導熱系數為0.59 W/（m·℃），密度為2014 kg/m3；（5）選用24k 的碳纖維發熱線埋置于陶?；炷磷锜釆A層與鋼纖維混凝土導熱上面層之間，發熱線布設間距為11 cm，鋪設方式采用蛇形鋪裝，為便于發熱線鋪設施工，用尼龍扎帶將發熱線綁扎固定于鋼筋網片上，形成發熱線電加熱橋面加熱層。 發熱線電阻值為17 Ω/m，耐熱溫度為200℃，鋼筋網片的鋼筋直徑為3 mm，網格尺寸為11 cm×11 cm；（6）鋼纖維混凝土導熱上面層采用鋼纖維混凝土， 混凝土水灰比為0.46， 砂率為44%，鋼纖維體積率為1.5%，減水劑摻量為1%，其抗壓強度為62.1 MPa，抗折強度為8.97 MPa，導熱系數為3.55 W/（m·℃），密度為2558 kg/m3；（7）為進一步提高鋼纖維混凝土上面層的導熱能力，選擇在鋼纖維混凝土上面層內部設置高導熱棒（在此選用鋼棒）形成導熱通道，鋼棒選用普通HRB335 級熱軋帶肋鋼筋，鋼棒公稱直徑為16 mm，設置間距為22 cm×22 cm，高度為4 cm（鋼棒頂部距鋼纖維混凝土層頂面1 cm），用扎絲將鋼棒綁扎固定于鋼筋網片角隅處，其導熱系數為50.5 W/（m·℃），密度為7840 kg/m3。

碳纖維發熱線電加熱橋面鋪裝結構從上至下分別為：5 cm 內置高導熱棒的鋼纖維混凝土導熱上面層、 碳纖維發熱線加熱層、3 cm 陶?；炷磷锜釆A層、5 cm 鋼筋混凝土下面層、1～2 cm 防水層、2～3 cm 整平層，如圖1 所示。

圖1 發熱線電加熱橋面鋪裝結構示意圖

2 碳纖維發熱線電熱性能分析

2.1 碳纖維發熱線技術性質

碳纖維是一種碳含量超過95%，具有電熱轉化效率高、發熱迅速、化學性質穩定、使用壽命長、清潔無污染、安全可靠等眾多優良性能的新型發熱材料。 碳纖維抗拉強度高，一般為3000 MPa 以上，是金屬絲的6～8 倍， 抗拉彈性模量也高于金屬絲，一般大于200 GPa，因而埋入路面內一般不易被拉斷。在沒有氧氣的情況下， 將碳纖維升溫達3000℃，其強度基本不發生變化，避免了金屬絲等傳統發熱材料高溫易燒斷的缺陷。 碳纖維為黑體材料，發熱迅速，電熱轉化效率接近100%，發熱線溫度可通過調節線長和電壓來控制。 目前市面上使用最多的是聚丙烯腈PAN 基碳纖維。

碳纖維發熱線絕緣性能優良，其絕緣保護層一般選用硅橡膠，在絕緣性能測試中，其絕緣電阻高達8500 MΩ（標準為不小于500 MΩ），用電安全可靠。硅橡膠耐熱性能良好，可在200℃的高溫下正常使用。 碳纖維發熱線型號按碳纖維絲的數量進行劃分，發熱線型號越大，每米電阻越小，在同等線長和加載電壓條件下，功率越大，發熱線溫度也越高。 碳纖維發熱線采用江蘇泰州歐力電氣設備有限公司生產的24k 硅膠外皮碳纖維發熱線，技術指標見表1。

表1 24k 的碳纖維發熱線性能指標

2.2 碳纖維發熱線結構組成

橋面由于受到車輛荷載作用，用于路面融雪除冰時，需要選用加強型的碳纖維發熱線。 加強型的發熱線的組成結構如圖2。

圖2 加強型碳纖維發熱線結構示意圖

雖然碳纖維絲束自身的抗拉強度和耐熱性能比較優異，但在路面施工和使用的過程中，難免受到外界不利因素的影響，因此制作外皮保護碳纖維絲束是有必要的。 制作碳纖維絲束外皮的材料市面上通常采用PVC、硅橡膠、鐵氟龍等絕緣材料，表2為3 種絕緣材料對比。綜合考慮材料的絕緣性、耐熱性、價格等因素，選用外皮是硅橡膠的發熱線。

表2 碳纖維發熱線常用的3 種絕緣外皮比較

2.3 碳纖維發熱線電熱性能

本試驗發熱線兩端加載電壓為AC220 V，不同長度碳纖維發熱線所對應的功率不同，分別選取長度為22 m、16 m、12 m、10 m、9 m、8 m、7 m 的碳纖維發熱線進行通電升溫試驗，其對應的電流及功率見表3。 試驗在室內進行，室溫為16.6℃，試驗中發熱線懸空放置，以減少接觸熱傳導，將熱電偶探頭固定于發熱線上測試加熱過程中發熱線表面溫度，熱電偶線另一端連接數顯測溫儀以顯示溫度值，如圖3 所示。

表3 AC220 V 電壓下不同長度發熱線電流及功率值

圖3 發熱線升溫試驗電路連接示意圖

試驗中自通電開始每隔10 s 記錄1 次溫度值，通電時長均為10 min，最后得到7 種不同輸入功率下發熱線表面溫度隨時間的變化曲線，如圖4 所示?？梢钥闯觯海?）碳纖維發熱線溫度上升的過程為①溫升迅速段，發熱線表面溫度上升迅速；②溫升平緩段，升溫速率逐漸放緩；③溫升穩定段，發熱線表面溫度趨于穩定;（2）碳纖維發熱線通電后表面溫度能很快達到穩定狀態，且輸入功率越大，發熱線升溫速率越快，達到穩定狀態所需時間越短，升溫穩定時間最大不超過6 min;（3）輸入功率越大，發熱線表面所能達到的最高溫度也越大， 即升溫幅度越大。 不同輸入功率下發熱線表面所能達到的最高溫度、升溫幅度以及試驗中的現象見表4。

圖4 不同輸入功率下發熱線表面溫度變化曲線

表4 不同輸入功率下發熱線表面最高溫度及試驗現象

由表可知，本文所選用的24k 的硅膠外皮的發熱線，其安全工作電流不大于1.8 A，從發熱線的長期使用性能考慮，不宜使用大于1.4 A 的電流。碳纖維發熱線表面升溫幅度與輸入功率具有很好的線性關系，相關系數為0.989，兩者關系式為：

式中：T—發熱線表面升溫幅度，℃；P—發熱線輸入功率，W/m。

將本文選用24k 硅膠外皮碳纖維發熱線應用于實際工程時，發熱線輸入功率選擇可參考公式（1）。

3 發熱線電加熱橋面室外升溫效果

3.1 發熱線電加熱混凝土大板制作

發熱線電加熱橋面室外混凝土大板試驗在3.5 m×3.5 m×0.3 m 的混凝土超大板平臺上進行，該混凝土平臺用來模擬實際工程中的混凝土橋面板。發熱線電加熱橋面混凝土大板制作過程如下：

（1）制作1 m×2 m×0.15 m 的木試模，在試模內側四周粘貼1 層氣凝膠氈（導熱系數僅有0.02 W/（m·℃）），用來模擬實際工程中發熱線電加熱橋面鋪裝的絕熱面；（2）在混凝土平臺上放置好試模后，在試模內配置鋼筋混凝土下面層的焊接鋼筋網，鋼筋為CRB550級冷軋帶肋鋼筋，公稱直徑為10 mm，縱向鋼筋在下，橫向鋼筋在上，縱向和橫向鋼筋間距均為11 cm，整個鋼筋焊接網尺寸為1 m×2 m，用混凝土墊塊將焊接鋼筋網支起， 使縱向鋼筋底面距混凝土平臺2 cm；（3）在試模中澆注鋼筋混凝土下面層混凝土，將攪拌好混凝土倒入試模中， 控制鋼筋混凝土下面層厚度為5 cm，振搗、抹平；（4）鋼筋混凝土下面層室外灑水養護硬化后，在其表面中心位置用少量砂漿埋置熱電偶， 砂漿主要起到固定位置和保護熱電偶的作用；（5）該位置熱電偶埋置好后，往試模中澆注陶?；炷磷鳛榘l熱線電加熱橋面阻熱夾層，將攪拌好的陶?；炷恋谷朐嚹Ｖ?，控制陶粒混凝土阻熱夾層厚度為3 cm，振搗、抹平；（6）陶?；炷磷锜釆A層室外灑水養護硬化后，在其表面放置鋼筋網片，鋼筋網片尺寸為1 m×2 m，鋼筋直徑為3 mm，網格尺寸為11 cm×11 cm；（7）用尼龍扎帶將發熱線按照11 cm 的布設間距，以蛇形的鋪設方式綁扎固定于鋼筋網片上，發熱線為24k 的碳纖維發熱線，電阻值為17 Ω/m，單根長度為10 m，共布置了2 根發熱線；（8）在陶?；炷磷锜釆A層表面中心位置、2 根發熱線中間位置用少量砂漿分別埋置熱電偶；在發熱線位置和發熱線上用尼龍扎帶分別布置熱電偶；（9）用扎絲將鋼棒按照22 cm×22 cm 的設置間距綁扎固定于鋼筋網片角隅處，鋼棒為HRB335 級熱軋帶肋鋼筋，公稱直徑為16 mm，高度為4 cm；（10）往試模中澆注鋼纖維混凝土作為發熱線電加熱橋面導熱上面層， 將攪拌好的鋼纖維混凝土倒入試模中，控制鋼纖維混凝土導熱上面層厚度為5 cm，振搗、抹平，室外定期灑水養護28 d。

3.2 混凝土大板表面溫度分布均勻性

對于發熱線電加熱橋面鋪裝來講，橋表面溫度分布的均勻性很重要，當橋表面能穩定而均勻地產生熱量，橋面上的冰雪才會均勻、快速地融化，從而達到良好的融雪除冰效果，因此有必要對發熱線電加熱橋面表面溫度分布均勻性進行試驗研究。

發熱線電加熱橋面表面溫度分布的均勻性與發熱線的間距有很大的關系。 布設間距大，可以降低發熱線的用量，材料費用減少，但橋表面溫差大，表面溫度分布均勻性差，會出現“條帶間隔”的情況，不利于行車安全；布設間距小，則橋面的鋪裝功率相應地變大，可以縮短提前加熱的時長，提升融雪除冰的效果，然而材料費用、加熱系統運營成本將會提高，除此之外，還將加大發熱線鋪設的施工難度，增加施工費用。 理論上，發熱線電加熱橋面表面最高溫度應出現在發熱線上方的混凝土表面，而表面最低溫度出現在2 根發熱線中間上方的混凝土表面。 如圖5 所示，M1、M2、M3 為測試板表面最高溫度設置的3 個測點，N1、N2、N3 為測試板表面最低溫度的3 個測點，試驗中取M1、M2、M3 的平均值和N1、N2、N3 的平均值分別作為某一時刻板表面最高和最低溫度。 試驗在室外進行，初始大氣溫度為17.1℃，風力等級為3 級，板表面初始溫度為17.9℃，通電電壓為AC220 V， 輸入功率為280 W/m2， 通電后，使用熱電偶和數顯測溫儀測試板表面各測點溫度，試驗中記錄每次各測點的溫度和大氣溫度的時間間隔為5 min，測試時長為5 h。

圖5 混凝土大板表面溫度測點布置

通過圖6 可以看出，混凝土大板表面溫升曲線大致呈上凸趨勢，前期升溫速率相對較快，隨著加熱的進行，板結構層內存在著蓄熱，升溫速率放緩，板表面溫度場往平穩狀態逐漸發展；當升溫5 h 時，板表面溫升11.1℃；升溫過程中板表面最高溫差只有0.8℃，板表面溫度分布均勻性很好，可以很好地滿足發熱線電加熱橋面融雪除冰對橋表面溫度分布均勻性的要求。

圖6 混凝土大板表面溫度分布均勻性

由圖7 可以看出，混凝土大板表面的溫度分布曲線近似于正弦曲線，即溫度最高的點出現在發熱線之上的板表面，而溫度最低的點出現在相鄰發熱線正中間位置之上的板表面，也就是板表面上的點與發熱線在水平方向上的距離不同，則該點的溫度也不相同，溫度最高的點與發熱線在水平方向上的距離為0，溫度最低的點則是距離最遠的點；板表面各點在通電早期（0～3 h）溫差相對較大，隨著升溫的進行，到了后期（3～5 h）板表面各點的溫度差別不大。

圖7 混凝土大板表面測點不同時長的溫度變化

3.3 混凝土大板垂直方向溫度分布

如圖8 所示，A1、B1 為測試混凝土板表面最高溫度和最低溫度的2 個測點，A2、B2 為測試混凝土板內部發熱線加熱層最高溫度和最低溫度的2 個測點，C2 為測試混凝土內部發熱線表面溫度設置的測點，A3、B3 為測試陶?；炷磷锜釆A層與鋼筋混凝土下面層層間最高溫度和最低溫度的2 個測點， 試驗中取A1、B1 的平均值、A2、B2 的平均值和A3、B3 的平均值分別作為某一時刻混凝土板表面、發熱線加熱層和阻熱夾層下表面的平均溫度。

圖8 混凝土大板垂直方向溫度測點布置

試驗在室外進行， 初始大氣溫度為15.3℃，風力等級為3 級，板表面初始溫度為16.6℃，發熱線加熱層初始溫度為16.9℃，阻熱夾層與下面層層間初始溫度為17.2℃，加載電壓為AC220 V，輸入功率為280 W/m2，通電后，使用熱電偶和數顯測溫儀每隔5 min 測試1 次板表面及內部各測點的溫度，以及大氣溫度，測試時長為5 h。

由圖9 可以看出，發熱線加熱層、板表面以及阻熱夾層下表面的溫升曲線均近似為凸曲線，加熱前期升溫速率較快，后期升溫速率變慢，混凝土板的溫度場逐漸趨于平穩狀態；在加熱過程中，板表面的升溫速率與加熱層大致相等，而阻熱夾層下表面升溫速率明顯小于加熱層和板表面升溫速率，板表面的溫升曲線逐漸逼近加熱層溫升曲線，而阻熱夾層下表面溫升曲線相隔較遠。

圖9 混凝土大板垂直方向升溫曲線

從圖10 可看出，相同時間下，板表面的溫度與加熱層溫度差別不大，而距加熱層垂直距離更近的阻熱夾層下表面的溫度遠低于板表面溫度，反映出發熱線產生的熱量絕大部分是向上進行傳導，傳向板表面，只有極少部分往下傳導，由此說明，鋼纖維混凝土上面層具有優良的導熱性能，而陶?；炷辆哂辛己玫淖锜崮芰?。

圖10 混凝土大板三層位不同時長溫度變化

3.4 風速對混凝土大板表面溫升的影響

發熱線電加熱橋面加熱升溫過程中表面溫度會受到風速的影響，無風時橋表面與空氣是自然對流換熱，而有風時則為強迫對流換熱，故有必要研究風速對發熱線電加熱橋面表面溫升的影響。 試驗采用可調節風速的工業落地扇模擬橋表面不同風力大小情況，使用手持式風速測量儀測試風速。 試驗在室外進行，調節電扇風速大小，板加載電壓為AC220 V，輸入功率為280 W/m2，接通電源后，使用熱電偶和數顯測溫儀每隔5 min 測試板表面各測點溫度和大氣溫度，測試時長為5 h，試驗結果如圖11所示。

圖11 不同風速下混凝土板表面升溫曲線

圖11（a）為風力等級2 級條件下板表面溫升曲線，升溫5 h 時，板表面溫升14.0℃，升溫過程中，板表面最高溫差為0.9℃；圖11（b）、（c）則分別為3 級風和4 級風的條件下板表面溫度變化情況，升溫5 h時，板表面溫升幅值分別為12.2℃和10.3℃，升溫過程中板表面最大溫差分別為0.7℃和0.6℃。 由以上可知，混凝土板表面溫度分布均勻性很好，板表面最高溫差均不超過1℃， 風速對板表面溫度分布均勻性影響不是很大；風速對板表面的溫升幅度有一定的影響，相同輸入功率下，風力等級提高一級，板表面溫升幅值約降低1.85℃。

4 結論

基于以上發熱線電加熱橋面室外升溫試驗，具體結論如下：（1）碳纖維發熱線表面溫升幅值與輸入功率大致呈線性增長的關系。 對同一規格的碳纖維發熱線，發熱線表面最高溫度與電壓成正比、與長度成反比。 碳纖維發熱線的升溫過程大致可分為升溫迅速階段、緩慢升溫階段和升溫穩定階段；通電后表面溫度能很快達到穩定狀態，且輸入功率越大，表面升溫速率越快，達到穩定狀態所需時間越短，升溫穩定時間在4～6 min；（2）發熱線電加熱混凝土板表面的溫升曲線大致呈上凸趨勢，前期升溫速率較快，隨著加熱的進行，升溫速率放緩，表面溫度場趨于平穩狀態； 板表面的溫度分布近似于正弦曲線，即發熱線正上方板表面的溫度最高，相鄰兩發熱線中間正上方板表面溫度最低； 板表面的溫差在通電早期相對較大，隨著加熱的進行，后期板表面溫差不大；（3）發熱線電加熱混凝土板表面的升溫速率與發熱線加熱層相近，而阻熱夾層下表面的升溫速率要遠小于板表面，表明發熱線產生的熱量絕大部分傳向了板表面，僅有極少部分向下傳導，由此顯示鋼纖維混凝土面層和陶粒混凝土夾層分別具有優良的導熱性能和阻熱能力；（4）風力等級越大，發熱線電加熱混凝土板表面的最大溫差減小，即表面的溫度分布均勻性更好，但風速對表面的溫度分布均勻性影響很?。伙L速對表面的溫升幅值影響較大，風力等級每提高一級，表面的溫升幅值降低1～3℃。