碳纤维发热线在桥面融冰化雪中的应用技术研究

左连滨

北京中交华联科技发展有限公司

1 碳纤维发热线所具备的优势

中国的北方地区冬季比较寒冷，当出现降水或者降雪的时候，在低温的影响下，路面、桥面就会产生结冰的现象，不仅对交通安全造成影响，同时还对路面造成一定程度的破坏，缩短道路的使用寿命。如果按照传统的方式除冰、除雪，通常采用机械除雪的方式，或者使用融雪剂，除雪质量不佳，而且效率低，对周围的环境造成一定的影响。应用碳纤维发热线融冰化雪，就是将混凝土桥面内部所敷设的碳纤维发热线充分利用起来，用温湿度控制系统将碳纤维发热线连接到电源上。冬季环境温度低，当桥面结冰的时候，将温度控制系统启动，冰雪就可以融化。其主要的原理是，当系统启动之后，电源为碳纤维线缆送电，使其发热，如此产生的热量就会向桥面混凝土传递，提高桥面上雨雪结冰的温度，桥面上的冰雪就会融化[1]。

应用碳纤维发热线融化桥面上的冰雪所具备的优势主要体现在三个方面。

其一，碳纤维发热线的结构不是很复杂，当温度控制系统启动之后，并不会对周围的环境造成不良影响，而且不容易遭到破坏，有良好的安全可行性。

其二，传统的除雪除冰方式是人工操作或者机械操作，耗时耗力，还要投入大量的成本，使用碳纤维发热线，可以达到节能环保的效果，而且还可以长期使用，成本低，见效快。

其三，碳纤维发热线有很好的热稳定性，且持续发热，能够有效维护桥面的行车安全行车。

2 系统设计

在对桥面除冰除雪的时候，摒弃传统的除雪方式，使用碳纤维发热线可以获得良好的效果，而且还能减少交通隐患。具体的设计如下。

2.1 发热功率的设计

在实际应用碳纤维发热线的时候，要充分考虑当地环境气候特点，对碳纤维发热线的发热功率进行设计，确保发热功率符合结冰现象，才能获得良好的除冰除雪效果，能源消耗也会大大降低。在具体的设计工作中，需要考虑到多方面情况，诸如环境物浓度、桥面温度、桥面不同部位的散热情况、风速等。在此基础上将碳纤维发热温度设置在2℃，当发热碳纤维接通电源了之后，温度达到2℃的之后就会维持在这个温度，由此可以消除桥面的冰雪，且不会造成能源浪费。

2.2 桥面结构设计

在设计桥面结构的时候，需要分析桥面所在区域气候条件以及桥面上的冰雪覆盖情况，将相应的模型建立起来，基于此对碳纤维发热线能否融化桥面的冰雪进行分析。此时，还需要在雨雪之前进行预热，要对不同桥面结构方案进行分析，明确温度应力影响发热除雪除冰的情况，控制好预热的时间。

3 施工组织方案

3.1 碳纤维发热线的铺设

在铺设碳纤维发热线的时候，要铣刨桥面的混凝土结构，使用机械设备去除原来的水泥混凝土调平层，与新建的调平层保持同等的高度。清除桥面的残渣，将松散混凝土和各种杂物都要清理干净，保证新混凝土层能够牢固低连接到旧桥面上，之后才能铺设碳纤维发热线。在进行铺设施工的过程中，需要对钢筋网片进行焊接处理，经过检查合格之后才能铺设碳纤维发热线，确保后期牢固绑扎，且绑扎的高度符合规定。

在铺设发热碳纤维的时候是整体性展开，所以，需要与钢筋网片牢固绑扎，在中央分隔带上将发热线的冷线放好，穿管，然后通过桥架向配电箱中接入，将温度传感器安装在地表钢筋网的下方。所有的这些工作检查完成之后铺设混凝土层，要保护好发热碳纤维，然后使用万用表检测发热线的绝缘性。

3.2 安装配电系统和配电箱

要保证发热碳纤维的安全，正确安装配电系统和配电箱，并按照说明书正确操作，以保证桥面融冰化雪。在对配电系统进行设计和施工的过程中，要求各个发热面都要安装一个独立系统，各个发热面都有一个独立的系统从配电箱中引出来。将漏电保护开关安装在系统中，可以避免电缆产生漏电的问题，维护系统使用安全。

在传输信号方面，设置信号传输线的时候，一个回路的多个发热面为一个整体，信号传输线连接到动力柜。从现场实际情况出发安装配电箱，在桥梁的一侧安装好，主要安装的器件包括漏电保护器、交流接触器和断路器等。

将可编程逻辑控制器连接到配电箱中。发挥温度传感器的作用对温度信号进行检测，将检测的结果向可编程逻辑控制器传输，可编程逻辑控制器对温度信号加以判定，确定是否需要加热，就会对配电箱的供电加热予以控制。

4 案例分析

某高速公路自动建成通车以来，交通量连年递增，货车所占有的比例大，有超载的现象和超限运输的现象，这对于桥面碳纤维发热线的铺设施工是一种挑战。高速公路所在区域春夏秋冬四季分明。这里冬季气候干旱，每年一月份的平均气温能够达到零下20℃，二月份的雨雪量低于7%。这里冬季的气温低，为了保证车辆从桥梁上安全通过，就需要设计桥面融冰化雪系统，并采用科学有效地施工技术。

4.1 桥面结构设计

将当地近几年来的冬季气象数据进行选取，采用数值模拟的方法分析桥面各点温度，寻求其中的规律，对项目设置能否符合融雪除冰要求做出判断，基于此对超载下桥面温度应力进行分析。应用ABAQUS有限元软件将温度场模型和温度应力模型建立起来，确定预热时间为5个小时，即在下雪之前的5个小时打开电源，桥面温度升高到3℃左右，当前，不同的桥面结构，预热时间也可以根据具体需要予以调整，保证桥面温度应力满足需求。由于在这条高速公路上有很多的超载车辆，最终将铺设碳纤维发热线的方案确定下来。在桥面结构上的铺装施工中，应用厚度为9.5cm的水泥混凝土调平层，结合使用厚度为4.5cm厚度的高劲SMA沥青路面薄层。在钢筋网上用横向布线方式绑扎碳纤维发热线，与面层顶部之间的距离是7.5cm。

4.2 施工方案

4.2.1 铺设碳纤维发热线

其一，原来9cm厚的沥青混凝土面层使用铣刨机铣刨，然后使用机械设备凿除原有的5cm厚水泥混凝土调平层。原来的超车道钢筋网有30cm的钢筋预留，连接在新建的调平层上，成为一体。

其二，检查梁顶面，将表面的杂物去除，包括浮渣、松散的混凝土以及油迹等，在冲洗梁顶面的时候可以使用空压机和高压水枪，保证新混凝土和老混凝土牢固黏结。

其三，钢筋网片的孔径规格是10cm×10cm，焊接处理，用短节钢筋网片支垫，对钢筋网片的顶面高程采用测定标高的方法控制，确保发热线在钢筋网上绑扎好之后，发热线的高度符合规定。

其四，碳纤维发热线是整体铺设的，在钢筋网上将发热线固定好。在中央分隔带安置好发热线的冷线，实施穿管保护，通过桥架连接到配电箱中。

其五，安装地温传感器的时候，在进行水泥混凝土施工的过程中在钢筋网的下方安装好外置传感器，要与电缆保持平衡，将感温探头保护好。

其六，在进行水泥混凝土调平层施工的过程中要严格按照规定执行。在施工的过程中要保护好发热线，使用绝缘电阻表和万用对发热线检测。

其七，调平层养生之后，就进入到水性环氧防水黏结层施工和高粘SMA沥青面层施工环节（图1：钢筋网片的铺设；图2：绑扎碳纤维发热线；图3：发热线冷线出线方式）。

图1 钢筋网片的铺设

图2 绑扎碳纤维发热线

图3 发热线冷线出线方式

4.2.2 安装配线系统和配电箱

各个发热面在配电箱中都要将一个独立的系统引出来，所安装的漏电保护开关为300mAh～500mAh，能够有效预防电缆漏电。在桥梁的一侧安装配电箱，对碳纤维发热面使用电源导线连接到配电箱中固定位置。温度传感器采集桥面内的温度信息，向可编程逻辑控制器传输，可编程逻辑控制器对配电箱予以控制。当系统安全完成之后，通电测试，对控制箱调试，对系统的运行状况进行检查。

5 效果评价

本工程完成后，经过一段时间的投入使用，桥面路用性能良好。当年的冬季几场雪之后，融冰化雪系统启动，桥面上没有积雪，没有出现结冰现象，这就可以证明，碳纤维发热线有良好的桥面融冰化雪效果。

6 结束语

通过上面的研究可以明确，北方冬季雨雪之后桥面很容易结冰，不利于行车安全，而且不及时清除还会对桥面造成一定的损坏。如果采用传统的清除方式，效率不高且质量不好。应用碳纤维发热线，连接电源之后，温度传感器感受到温度之后发出信号，配电系统将电源分配给碳纤维发热线，可编程逻辑控制器对温湿度控制系统自动控制，使桥面的冰雪融化，不仅操作方便，而且见效快，成本低，值得推广。