碳纤维发热电缆应用于沥青混凝土路面的融雪技术研究

朱小康

摘 要：目前我国东北西北、华北地区冬季的气温常在零度以下，多雨雪，多面积雪、结冰现象严重，严重影响行车安全，研究碳纤维发热电缆路面融雪技术，不仅能消除冬季路面积雪、结冰隐患，对发展循环经济、保护环境具有重要的经济和社会效益。

关键词：路面融雪;碳纤维发热电缆;24k

我国交通事业近些年发展迅速，伴随着出现了一系列的安全与能耗问题。如我国东北、西北、华北地区冬季的气温常在零度以下，且雨雪天气较多，路面表面容易积雪和结冰造成安全事故，特别是在桥梁、弯道、匝道及隧道进出口处更为严重。目前公路上除雪化冰主要有三类方法，清除法、融化法及添加剂融雪法。清除法分人工清除和机械清除，人工清除费工费力，效率低下;机械清除，对路面有容易破坏路面。融化法分融雪剂融化和热融化法，目前市场上的大多数融雪剂都对路面有一定的腐蚀性，会加速路面的损坏;热融化法主要可分为碳纤维发热电缆融雪，热管法，太阳能热融化法电热丝融化法，流体加热法，红外热管加热融化法，导电沥青法，导电混凝土法。添加剂融雪法，主要是通过在沥青混凝土路面中添加橡胶颗粒物融雪，但是使用添加剂，改变了路面结构，降低了路面性能，减少了路面寿命。

1 碳纤维特性

含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性 外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。

碳纤维发热线和普通的金属发热电，缆相比在多个方面都具备着相应的优势。在价格上，同等长度下碳纤维发热线的价格仅有金属发热线的1/10，但在生热上却较为迅速，其最高运行温度可超过 100℃。除此之外，在热转化效率上碳纤 维发热线也要高于金属发热线，并且对于混凝土结构的影响相对较小。正是因为这诸多的优势，才使得碳纤维发热在道路工程中的应用成为现实。通过将内部布有碳纤维发热线的混凝土结构板布置在桥面、路面等关键地段上，可以解决地面结冰的问题，避免了使用化学融雪剂给环境带来的损害，做到了时刻保障冬季交通安全，对于交通事业的发展也有一定的促进作用。

2 室内实验

（1）实验材料：24k碳纤维2组，12.5 m/组，230w/组;沥青混凝土原料0.08 m³;温度传感器6个;接收主机2台;冰柜2台;钢丝网及隔热膜。

（2）实验方法：制两组50 cm*80 cm*10 cm的长方体模块，在模块中布设隔热膜与钢丝网，钢丝网距离顶部4 cm，将碳纤维绑扎在钢丝网上，绑扎间距10 cm与15 cm，倒入搅拌好的沥青混凝土。待沥青混凝土凝固后脱模，将两放入调至最低档-26℃的冰柜中。

（3）观察接收主机的温度变化，10 cm约2 h后，模块中央温度传感器达到12℃，模块表面传感器温度达到0℃，温度提升速度约为0.22℃/min;15 cm约2.3 h后，模块中央温度传感器达到16℃，模块表面传感器温度达到0℃，温度提升速度约为0.19℃/min。

3 室外实验

（1）实验材料：24k碳纤维4组，12.5 m/组，230w/组;沥青混凝土原料0.6 m³;温度传感器3个;接收主机1台;钢丝网及隔热膜。

（2）实验环境：天气晴，温度平均气温-7℃，白天-5℃，夜晚-10℃，内蒙通辽地区。

（3）实验方法：在一条沥青混凝土路面挖1.5 m*4 m*

10 cm的坑，放入隔熱膜与钢丝网，钢丝网距离顶部4 cm，将碳纤维绑扎在钢丝网上，绑扎间距10 cm，倒入搅拌好的沥青混凝土。

（4）观察接收主机的温度变化，白天升温约2.7 h后，模块中央温度传感器达到6℃，模块表面传感器温度达到0.6℃，温度提升速度约为0.035℃/min;夜晚升温约3.4 h后模块中央温度传感器达到2℃，模块表面传感器温度达到0.1℃，温度提升速度约为0.05℃/min。

4 小结

碳纤维发热电缆敷设路面中，有明显的化雪除冰的效果，建设成本也低，但耗电量较大，运营成本大大增加，与国家的节能环保政策相悖，建议与光伏供电同时使用;为了更好地提升融雪效果，建议融雪系统配套道路冰雪监测系统，实现系统融雪系统智能化。

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