碳纖維發熱線在橋面融冰化雪中的應用技術研究

左連濱

北京中交華聯科技發展有限公司

1 碳纖維發熱線所具備的優勢

中國的北方地區冬季比較寒冷，當出現降水或者降雪的時候，在低溫的影響下，路面、橋面就會產生結冰的現象，不僅對交通安全造成影響，同時還對路面造成一定程度的破壞，縮短道路的使用壽命。如果按照傳統的方式除冰、除雪，通常采用機械除雪的方式，或者使用融雪劑，除雪質量不佳，而且效率低，對周圍的環境造成一定的影響。應用碳纖維發熱線融冰化雪，就是將混凝土橋面內部所敷設的碳纖維發熱線充分利用起來，用溫濕度控制系統將碳纖維發熱線連接到電源上。冬季環境溫度低，當橋面結冰的時候，將溫度控制系統啟動，冰雪就可以融化。其主要的原理是，當系統啟動之后，電源為碳纖維線纜送電，使其發熱，如此產生的熱量就會向橋面混凝土傳遞，提高橋面上雨雪結冰的溫度，橋面上的冰雪就會融化[1]。

應用碳纖維發熱線融化橋面上的冰雪所具備的優勢主要體現在三個方面。

其一，碳纖維發熱線的結構不是很復雜，當溫度控制系統啟動之后，并不會對周圍的環境造成不良影響，而且不容易遭到破壞，有良好的安全可行性。

其二，傳統的除雪除冰方式是人工操作或者機械操作，耗時耗力，還要投入大量的成本，使用碳纖維發熱線，可以達到節能環保的效果，而且還可以長期使用，成本低，見效快。

其三，碳纖維發熱線有很好的熱穩定性，且持續發熱，能夠有效維護橋面的行車安全行車。

2 系統設計

在對橋面除冰除雪的時候，摒棄傳統的除雪方式，使用碳纖維發熱線可以獲得良好的效果，而且還能減少交通隱患。具體的設計如下。

2.1 發熱功率的設計

在實際應用碳纖維發熱線的時候，要充分考慮當地環境氣候特點，對碳纖維發熱線的發熱功率進行設計，確保發熱功率符合結冰現象，才能獲得良好的除冰除雪效果，能源消耗也會大大降低。在具體的設計工作中，需要考慮到多方面情況，諸如環境物濃度、橋面溫度、橋面不同部位的散熱情況、風速等。在此基礎上將碳纖維發熱溫度設置在2℃，當發熱碳纖維接通電源了之后，溫度達到2℃的之后就會維持在這個溫度，由此可以消除橋面的冰雪，且不會造成能源浪費。

2.2 橋面結構設計

在設計橋面結構的時候，需要分析橋面所在區域氣候條件以及橋面上的冰雪覆蓋情況，將相應的模型建立起來，基于此對碳纖維發熱線能否融化橋面的冰雪進行分析。此時，還需要在雨雪之前進行預熱，要對不同橋面結構方案進行分析，明確溫度應力影響發熱除雪除冰的情況，控制好預熱的時間。

3 施工組織方案

3.1 碳纖維發熱線的鋪設

在鋪設碳纖維發熱線的時候，要銑刨橋面的混凝土結構，使用機械設備去除原來的水泥混凝土調平層，與新建的調平層保持同等的高度。清除橋面的殘渣，將松散混凝土和各種雜物都要清理干凈，保證新混凝土層能夠牢固低連接到舊橋面上，之后才能鋪設碳纖維發熱線。在進行鋪設施工的過程中，需要對鋼筋網片進行焊接處理，經過檢查合格之后才能鋪設碳纖維發熱線，確保后期牢固綁扎，且綁扎的高度符合規定。

在鋪設發熱碳纖維的時候是整體性展開，所以，需要與鋼筋網片牢固綁扎，在中央分隔帶上將發熱線的冷線放好，穿管，然后通過橋架向配電箱中接入，將溫度傳感器安裝在地表鋼筋網的下方。所有的這些工作檢查完成之后鋪設混凝土層，要保護好發熱碳纖維，然后使用萬用表檢測發熱線的絕緣性。

3.2 安裝配電系統和配電箱

要保證發熱碳纖維的安全，正確安裝配電系統和配電箱，并按照說明書正確操作，以保證橋面融冰化雪。在對配電系統進行設計和施工的過程中，要求各個發熱面都要安裝一個獨立系統，各個發熱面都有一個獨立的系統從配電箱中引出來。將漏電保護開關安裝在系統中，可以避免電纜產生漏電的問題，維護系統使用安全。

在傳輸信號方面，設置信號傳輸線的時候，一個回路的多個發熱面為一個整體，信號傳輸線連接到動力柜。從現場實際情況出發安裝配電箱，在橋梁的一側安裝好，主要安裝的器件包括漏電保護器、交流接觸器和斷路器等。

將可編程邏輯控制器連接到配電箱中。發揮溫度傳感器的作用對溫度信號進行檢測，將檢測的結果向可編程邏輯控制器傳輸，可編程邏輯控制器對溫度信號加以判定，確定是否需要加熱，就會對配電箱的供電加熱予以控制。

4 案例分析

某高速公路自動建成通車以來，交通量連年遞增，貨車所占有的比例大，有超載的現象和超限運輸的現象，這對于橋面碳纖維發熱線的鋪設施工是一種挑戰。高速公路所在區域春夏秋冬四季分明。這里冬季氣候干旱，每年一月份的平均氣溫能夠達到零下20℃，二月份的雨雪量低于7%。這里冬季的氣溫低，為了保證車輛從橋梁上安全通過，就需要設計橋面融冰化雪系統，并采用科學有效地施工技術。

4.1 橋面結構設計

將當地近幾年來的冬季氣象數據進行選取，采用數值模擬的方法分析橋面各點溫度，尋求其中的規律，對項目設置能否符合融雪除冰要求做出判斷，基于此對超載下橋面溫度應力進行分析。應用ABAQUS有限元軟件將溫度場模型和溫度應力模型建立起來，確定預熱時間為5個小時，即在下雪之前的5個小時打開電源，橋面溫度升高到3℃左右，當前，不同的橋面結構，預熱時間也可以根據具體需要予以調整，保證橋面溫度應力滿足需求。由于在這條高速公路上有很多的超載車輛，最終將鋪設碳纖維發熱線的方案確定下來。在橋面結構上的鋪裝施工中，應用厚度為9.5cm的水泥混凝土調平層，結合使用厚度為4.5cm厚度的高勁SMA瀝青路面薄層。在鋼筋網上用橫向布線方式綁扎碳纖維發熱線，與面層頂部之間的距離是7.5cm。

4.2 施工方案

4.2.1 鋪設碳纖維發熱線

其一，原來9cm厚的瀝青混凝土面層使用銑刨機銑刨，然后使用機械設備鑿除原有的5cm厚水泥混凝土調平層。原來的超車道鋼筋網有30cm的鋼筋預留，連接在新建的調平層上，成為一體。

其二，檢查梁頂面，將表面的雜物去除，包括浮渣、松散的混凝土以及油跡等，在沖洗梁頂面的時候可以使用空壓機和高壓水槍，保證新混凝土和老混凝土牢固黏結。

其三，鋼筋網片的孔徑規格是10cm×10cm，焊接處理，用短節鋼筋網片支墊，對鋼筋網片的頂面高程采用測定標高的方法控制，確保發熱線在鋼筋網上綁扎好之后，發熱線的高度符合規定。

其四，碳纖維發熱線是整體鋪設的，在鋼筋網上將發熱線固定好。在中央分隔帶安置好發熱線的冷線，實施穿管保護，通過橋架連接到配電箱中。

其五，安裝地溫傳感器的時候，在進行水泥混凝土施工的過程中在鋼筋網的下方安裝好外置傳感器，要與電纜保持平衡，將感溫探頭保護好。

其六，在進行水泥混凝土調平層施工的過程中要嚴格按照規定執行。在施工的過程中要保護好發熱線，使用絕緣電阻表和萬用對發熱線檢測。

其七，調平層養生之后，就進入到水性環氧防水黏結層施工和高粘SMA瀝青面層施工環節（圖1：鋼筋網片的鋪設；圖2：綁扎碳纖維發熱線；圖3：發熱線冷線出線方式）。

圖1 鋼筋網片的鋪設

圖2 綁扎碳纖維發熱線

圖3 發熱線冷線出線方式

4.2.2 安裝配線系統和配電箱

各個發熱面在配電箱中都要將一個獨立的系統引出來，所安裝的漏電保護開關為300mAh～500mAh，能夠有效預防電纜漏電。在橋梁的一側安裝配電箱，對碳纖維發熱面使用電源導線連接到配電箱中固定位置。溫度傳感器采集橋面內的溫度信息，向可編程邏輯控制器傳輸，可編程邏輯控制器對配電箱予以控制。當系統安全完成之后，通電測試，對控制箱調試，對系統的運行狀況進行檢查。

5 效果評價

本工程完成后，經過一段時間的投入使用，橋面路用性能良好。當年的冬季幾場雪之后，融冰化雪系統啟動，橋面上沒有積雪，沒有出現結冰現象，這就可以證明，碳纖維發熱線有良好的橋面融冰化雪效果。

6 結束語

通過上面的研究可以明確，北方冬季雨雪之后橋面很容易結冰，不利于行車安全，而且不及時清除還會對橋面造成一定的損壞。如果采用傳統的清除方式，效率不高且質量不好。應用碳纖維發熱線，連接電源之后，溫度傳感器感受到溫度之后發出信號，配電系統將電源分配給碳纖維發熱線，可編程邏輯控制器對溫濕度控制系統自動控制，使橋面的冰雪融化，不僅操作方便，而且見效快，成本低，值得推廣。