碳纤维电热丝主动融雪系统路面铺装设计与研究

段英杰

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

将碳纤维电热丝外面依次裹附F46绝缘层、PVC层、金属网层制成碳纤维导电体，通电后，可将电能转化为热能。将碳纤维电热丝作为热能元件安装在沥青混凝土路面的中面层之上，实现高速公路沥青混凝土路面的主动融雪功能，具有重要意义[1-2]。鉴于高速公路的使用寿命和养护周期及碳纤维电热丝铺装属于隐蔽工程，因此，在碳纤维电热丝铺装时，必须有一套完善的路面铺装设计方法做指导，才能满足高速公路在运营时对碳纤维电热丝主动融雪系统的质量要求。

本文通过碳纤维电热丝主动融雪系统面功率设计计算、碳纤维电热丝电热转换性能试验以及室外融雪试验，确定碳纤维电热丝铺装间距，提出碳纤维电热丝的铺装方案，为沥青混凝土路面碳纤维电热丝主动融雪系统应用提供理论依据与技术支持。

1 碳纤维电热丝主动融雪系统铺装间距设计计算

据项目组研究人员前期的研究成果显示：面功率在270 W/m2时，下雪时通电能实现路面无积雪。但是，考虑到山西气候条件与环境因素，我们将面功率暂定于300 W/m2，在此面功率的基础上进行相关的设计计算。

常用的碳纤维电热丝型号有：12 K、24 K、36 K、48 K、60 K、72 K，每米电阻分别为 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为碳纤维电热丝铺装间距，m；Pl为碳纤维电热丝线功率，W/m；Ps为碳纤维电热丝面功率，W/m2，面功率为300 W/m2。

式中：P为单根碳纤维电热丝电热转换功率，W；l为单根碳纤维电热丝长度，m，长度为15 m。

式中：U为碳纤维电热丝工作电压，V，工作电压为220 V；R为单根碳纤维电热丝电阻，Ω。

式中：R0为每米碳纤维电热丝的电阻，Ω/m。

式中：R0为每米碳纤维电热丝的电阻，Ω/m；U为碳纤维电热丝工作电压，V，工作电压为220 V；Pm为碳纤维电热丝单位面积面功率，W/m2；l为单根碳纤维电热丝长度，m，长度为15 m。

经过计算得出12 K碳纤维电热丝、24 K碳纤维电热丝、36 K碳纤维电热丝、48 K碳纤维电热丝、60 K碳纤维电热丝、72 K碳纤维电热丝的铺装间距分别为：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碳纤维电热丝，则沥青混凝土路面布置的碳纤维电热丝过于密集，施工难度与施工成本将成倍增加，另外如若电缆布置过密也将影响沥青混凝土路面结构强度，故不宜选取12 K、24 K、36 K的碳纤维电热丝；而72 K碳纤维电热丝制造工艺复杂，工序繁多，成本较60 K碳纤维电热丝价格高出1倍，按照设计计算初步选用60 K碳纤维电热丝作为发热材料，但仍需结合电热丝电热转换性能最终确定碳纤维电热丝型号。

2 碳纤维电热丝电热转换性能试验研究

该部分试验目的为5种碳纤维电热丝型号：24 K碳纤维电热丝、36 K碳纤维电热丝、48 K碳纤维电热丝、60 K碳纤维电热丝、72 K碳纤维电热丝的电热转换性能，选取适合用于沥青混凝土路面融雪型号。

试验仪器有万用表、PF1020电参数调控仪、交流电压调压器、ZJ1016型多路温度测量仪，如图1。

图1 PF1020电参数调控仪与ZJ1016型多路温度测量仪

将以上5种不同的碳纤维电热丝各取15 m，进行通电升温降温研究。以24 K碳纤维电热丝为例，具体试验方法为将15 m长24 K碳纤维电热丝两端通过导线接在交流电压调压器上，该调压器连接电源，通过调节输出电压，使得24 K碳纤维电热丝的工作电压稳定在220 V，试验中保持发热线悬空，以减少接触传导损失的热量，试验在环境温度为10℃下进行。ZJ1016型多路温度测量仪的测温探头一端与测试仪连接，另一端固定在碳纤维电热丝上。碳纤维电热丝随温度升高电阻值有微小升高，可认为近似不变。图2～图6给出了这5种不同K值的碳纤维电热丝升降温曲线。

图2 24 K碳纤维电热丝升温降温曲线

图3 36 K碳纤维电热丝升温降温曲线

图4 48 K碳纤维电热丝升温降温曲线

图5 60 K碳纤维电热丝升温降温曲线

图6 72 K碳纤维电热丝升温降温曲线

试验结果显示：5种不同种类的碳纤维电热丝在通电5～10 min后达到温度峰值，峰值分别为60 ℃、80 ℃、100 ℃、130℃、135 ℃，断电 10～15 min温度降低至环境温度。24 K、36 K、48 K峰值温度较低无法达到预期融雪效果，而60 K与72 K温度峰值合理，但72 K较60 K相比，在成本成倍增加的情况下温度峰值仅仅提高了5℃，结合设计计算，我们选用60 K碳纤维电热丝作为发热材料。

3 碳纤维电热丝室外融雪试验验证

室外融雪试验共铺装6组碳纤维电热丝，每组碳纤维电热丝含有3根发热电缆，每根碳纤维电热丝长度均为15 m，型号均为60 K。6组碳纤维电热丝共分为6个试验模块，标号分别为模块1、模块2、模块3、模块4、模块5、模块6。其中模块1中碳纤维电热丝外层无金属网套包覆，铺装间距为10 cm；模块2中碳纤维电热丝外层包覆有金属网套，铺装间距为10 cm；模块3中碳纤维电热丝外层无金属网套包覆，铺装间距为11 cm；模块4中碳纤维电热丝外层包覆有金属网套，铺装间距为11 cm；模块5中碳纤维电热丝外层无金属网套包覆，铺装间距为12 cm；模块6中碳纤维电热丝外层包覆有金属网套，铺装间距为12 cm。模块与模块之间的距离为30 cm。每个模块安装有两个温度传感器，两个传感器安装在模块中间位置。

碳纤维电热丝采用锚固的方式布设于沥青混凝土中面层，并将冷线接头甩出路面，将温度传感器通过锚固的方式固定在每个模块的中间位置，如图7所示。

图7 碳纤维发热模块现场布设图

室外试验下面层为7 cm厚的AC-25粗粒式沥青混凝土，中面层为6 cm厚AC-20中粒式沥青混凝土，上面层为AC-13细粒式沥青混凝土。沥青层之间、沥青层与水泥稳定碎石层之间设置透层和稀浆封层。透层采用乳化沥青，应在基层完工表面稍干后当日喷洒。待透层油充分渗透后，铺筑1 cm厚稀浆封层，如图8所示。

图8 碳纤维发热模块施工现场

试验结果表明：实时融雪情况下，铺装间距分别为10 cm、11 cm、12 cm的情况下融雪效率和效果没有明显的区别，都是在5 min的时候能够看出明显的融雪迹象，30 min的时候碳纤维电缆铺装区融雪连片，基本不再有积雪。这充分说明利用碳纤维电缆通电发热产生的远红外线激发雪中的水分子共振，从而利用水分子在共振过程中彼此摩擦所产生的热能进行融雪技术原理可行，并且节能环保，融雪效率高。

4 结语

传统的除雪方法主要是机械除雪或者融雪剂融雪，都是雪后除雪，本文经过设计计算和试验验证确定了碳纤维电热丝铺装间距和面功率，实现了沥青混凝土路面主动实时融雪，具有节能环保、效率高、效果好的特点，和同类或传统的除冰除雪方法相比更具有较强的竞争力。可以预期，随着该技术的进一步完善和推广，必将在融雪技术领域产生引领作用。