碳纖維電熱絲主動融雪系統路面鋪裝設計與研究

段英杰

（山西省交通科技研發有限公司，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、金屬網層制成碳纖維導電體，通電后，可將電能轉化為熱能。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的質量要求。

本文通過碳纖維電熱絲主動融雪系統面功率設計計算、碳纖維電熱絲電熱轉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應用提供理論依據與技術支持。

1 碳纖維電熱絲主動融雪系統鋪裝間距設計計算

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

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構強度，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，按照設計計算初步選用60 K碳纖維電熱絲作為發熱材料，但仍需結合電熱絲電熱轉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換性能試驗研究

該部分試驗目的為5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電參數調控儀、交流電壓調壓器、ZJ1016型多路溫度測量儀，如圖1。

圖1 PF1020電參數調控儀與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壓器上，該調壓器連接電源，通過調節輸出電壓，使得24 K碳纖維電熱絲的工作電壓穩定在220 V，試驗中保持發熱線懸空，以減少接觸傳導損失的熱量，試驗在環境溫度為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溫度降低至環境溫度。24 K、36 K、48 K峰值溫度較低無法達到預期融雪效果，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℃，結合設計計算，我們選用60 K碳纖維電熱絲作為發熱材料。

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個試驗模塊，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套，鋪裝間距為10 cm；模塊3中碳纖維電熱絲外層無金屬網套包覆，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套，鋪裝間距為11 cm；模塊5中碳纖維電熱絲外層無金屬網套包覆，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 碳纖維發熱模塊現場布設圖

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、瀝青層與水泥穩定碎石層之間設置透層和稀漿封層。透層采用乳化瀝青，應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 碳纖維發熱模塊施工現場

試驗結果表明：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熱產生的遠紅外線激發雪中的水分子共振，從而利用水分子在共振過程中彼此摩擦所產生的熱能進行融雪技術原理可行，并且節能環保，融雪效率高。

4 結語

傳統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，本文經過設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，實現了瀝青混凝土路面主動實時融雪，具有節能環保、效率高、效果好的特點，和同類或傳統的除冰除雪方法相比更具有較強的競爭力?？梢灶A期，隨著該技術的進一步完善和推廣，必將在融雪技術領域產生引領作用。