文章來源：微信公眾號(hào)“瀝青路面”

  引言

  在冬季，中國大部分地區(qū)的道路會(huì)因降雪、凍雨等自然氣候而結(jié)冰，給道路暢通和行車安全帶來嚴(yán)重的影響。寒冷地區(qū)和海拔較高的高速公路橋梁及隧道洞口路面，因處在自然水體或峽谷之上，自然風(fēng)較大，當(dāng)寒冷氣候來臨時(shí)，路面和橋面易結(jié)冰，是高速公路冰災(zāi)的高發(fā)區(qū)段。交通管理部門為了保證道路的暢通和安全，每到冬天需調(diào)動(dòng)大量的人力、物力參與抗冰保通，雖然成效較好，但是成本很大。

  國內(nèi)針對(duì)橋面結(jié)構(gòu)融冰化雪的研究相對(duì)較少，相關(guān)研究成果不盡如人意，如使用工業(yè)鹽、化學(xué)融雪劑等方法融冰化雪對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響不可估量，從材料組成方面嘗試降低橋面瀝青上面層冰點(diǎn)或采用彈性路面形成自破冰路面結(jié)構(gòu)的方法難以在實(shí)踐中達(dá)到令人滿意的效果。

  發(fā)熱電纜加熱法是以電力為能源，以發(fā)熱電纜為發(fā)熱體，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過結(jié)構(gòu)層將熱量傳遞到物體表面，再通過物體表面與冰雪之間的熱交換進(jìn)行融冰化雪的方法。發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)具有無污染、運(yùn)行費(fèi)用低、熱穩(wěn)定性好、控制方便等優(yōu)勢(shì)。目前發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)主要應(yīng)用于民用建筑、室外設(shè)施和路面、橋面除冰雪等方面。

  發(fā)熱電纜加熱法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

  早在20世紀(jì)40年代，發(fā)熱電纜地暖系統(tǒng)風(fēng)靡歐美，覆蓋世界寒冷地帶1/3的區(qū)域。發(fā)熱電纜的室外應(yīng)用技術(shù)起源于北歐，北歐各國地處高寒地區(qū)，嚴(yán)寒和積雪使得道路堵塞，交通事故頻發(fā)，排水管道凍結(jié)，屋頂荷載過大，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝藗兊恼Ｉ?，甚至引發(fā)安全問題。為了保障嚴(yán)寒期間人們的生命安全并提高生活質(zhì)量，通常運(yùn)用發(fā)熱電纜的融雪化冰技術(shù)，及時(shí)將道路、屋頂及排水管(溝)的積雪融化，預(yù)防事故的發(fā)生。另外，為了在嚴(yán)寒的冬季也能保持體育場(chǎng)內(nèi)草坪的綠色，開發(fā)了發(fā)熱電纜土壤加熱技術(shù)，使得體育場(chǎng)一年四季綠草如茵。近20年，發(fā)熱電纜系統(tǒng)發(fā)展迅速，幾乎各類建筑都有應(yīng)用實(shí)例。德國發(fā)熱電纜地暖系統(tǒng)在歐洲很有名，發(fā)展尤其迅速，而且使用效果令人十分滿意；挪威發(fā)熱電纜的應(yīng)用也非常廣泛。

  近幾年來，芬蘭、丹麥、挪威、俄羅斯等國不斷進(jìn)行發(fā)熱電纜的制造、安裝和技術(shù)研究工作，對(duì)于發(fā)熱電纜的設(shè)計(jì)、材料、安裝施工、檢驗(yàn)、調(diào)試和驗(yàn)收都已經(jīng)具備了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)。發(fā)熱電纜低溫輻射系統(tǒng)以其有的優(yōu)勢(shì)，很快得到了廣泛的應(yīng)用，如地板輻射采暖系統(tǒng)，管道伴熱系統(tǒng)，足球場(chǎng)、草坪、花壇供熱系統(tǒng)，特殊建筑(如廠房、機(jī)庫等)供熱系統(tǒng)，屋頂及屋頂天溝冰雪融化系統(tǒng)等。

  隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用到路面橋面的融冰化雪中。1961年，Henderson等在NewJersey(USA)的Newark一座瀝青混凝土橋面上安裝了一套電纜加熱裝置，按照每小時(shí)融雪25mm設(shè)計(jì)橋面及路面所需的功率分別為378W·m－2和430W·m－2。但由于車輛對(duì)橋面板的作用使電纜線被拔出，所以試驗(yàn)并不成功；加上在安裝后的第二年遇到了暖冬，并沒有獲得有意義的數(shù)據(jù)。

  1964年該電熱裝置又被安裝在Teterboro、NewJersey的兩個(gè)斜坡和一座橋面板上，這一系統(tǒng)的運(yùn)行令人滿意，能量消耗平均為323、430W·m－2，年運(yùn)行費(fèi)用平均為每平方米5美元。

  1970年，在Omaha，Nebr.的一座混凝土橋面板上安裝了電纜發(fā)熱裝置，系統(tǒng)由溫度傳感器返回的信號(hào)來控制，然而這個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)有時(shí)并不可靠，需要人工操作。美國俄勒岡州距LaGrande以南11mi的路面和橋面也采用埋置發(fā)熱線的方式融雪化冰，工程于2005年1月開工，發(fā)熱線沿車道縱向埋置于事先開槽的瀝青混凝土路面上，埋設(shè)深度為44.5mm，間距229mm，溝槽用密封劑填充，橋面76.2mm深度處布置熱電偶監(jiān)測(cè)溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于－0.28℃時(shí)系統(tǒng)開啟。該系統(tǒng)冬季月平均耗電費(fèi)用為5000美元，峰值耗電費(fèi)用為9000美元。2005年及2006年冬季，系統(tǒng)運(yùn)行良好，路段未出現(xiàn)需要封閉的情況。

  中國發(fā)熱電纜技術(shù)從2000年開始在電熱地暖行業(yè)快速發(fā)展，被大量用于游泳館、賓館、健身房、醫(yī)院、商場(chǎng)等大型公共建筑，同時(shí)也用于民用住宅、土壤加熱系統(tǒng)(如綠地、花壇、足球場(chǎng)及農(nóng)業(yè)種植大棚等)以及屋檐屋面化雪融冰等方面。羅延齡、黃新武等在研究防凍保溫用自控溫加熱電纜的國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了PTC加熱控溫原理，并介紹了電纜的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及材料特性；劉紅梅研究了低溫發(fā)熱電纜在住宅工程中的應(yīng)用，介紹了其施工工藝和質(zhì)量保證措施；李國榮研究了低溫埋地發(fā)熱電纜采暖在住宅中的應(yīng)用，具體研究了低溫發(fā)熱電纜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)其在節(jié)能建筑中的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了分析；楊金剛、朱林等研究了發(fā)熱電纜低溫輻射供暖系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，以及發(fā)熱電纜在地下車庫中的應(yīng)用及安裝方法；武毅等研究了發(fā)熱電纜在住宅低溫地板輻射采暖的電氣設(shè)計(jì)和在管道保溫中的應(yīng)用；趙志強(qiáng)、賈衡等對(duì)低溫電熱地板輻射供暖的熱舒適性和能耗進(jìn)行了試驗(yàn)研究；莊猛、劉冠軍等介紹了加熱電纜的種類、型式和主要應(yīng)用，并對(duì)其特殊的部分試驗(yàn)項(xiàng)目作了說明?？紫閺?qiáng)、李瑛等對(duì)列車客車用低溫發(fā)熱電纜地面輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算和試驗(yàn)研究，提出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

  北京工業(yè)大學(xué)的李炎峰、賈衡、李俊梅、趙志強(qiáng)等對(duì)發(fā)熱電纜在露天管道防凍方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了露天管道層絕熱保溫加電伴熱防凍方案，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析和試驗(yàn)研究，以及新型管道防凍方案的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性和節(jié)能研究等。研究結(jié)果表明了防凍方案的可行性，并獲得一些有價(jià)值的成果。

  哈爾濱理工大學(xué)的劉群對(duì)低熱電纜的物理模型進(jìn)行了分析，用有限元法和建筑學(xué)算法進(jìn)行了熱場(chǎng)研究和分析。上海交通大學(xué)的管數(shù)園建立了電纜加熱系統(tǒng)的數(shù)值模型，進(jìn)行了融雪的數(shù)值分析和模擬，并開發(fā)了一套電纜加熱系統(tǒng)分析軟件。

  國內(nèi)對(duì)發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)在路面、橋面融冰方面的研究較少。郭振國、德穎等研究了發(fā)熱電纜在車道融冰化雪中的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了施工工藝。盧曉玲、樊浩博等依托圖們至琿春段高速公路，研究了發(fā)熱電纜在寒區(qū)公路隧道路面防滑中的應(yīng)用，提出了設(shè)計(jì)方案和施工組織方案，可為寒區(qū)隧道路面防滑措施的實(shí)施提供參考。楊潔、李海濤等對(duì)電熱法除路面冰雪的技術(shù)進(jìn)行了探討，對(duì)發(fā)熱電纜相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了研究，并說明了發(fā)熱電纜用于道路融冰化雪在理論、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上是可行的。同時(shí)，楊潔等還指出，發(fā)熱電纜用于道路除實(shí)際工程時(shí)，需要針對(duì)耗電量、安裝方法等進(jìn)行試驗(yàn)分析。

  2005年，北京工業(yè)大學(xué)的武海琴等以北京地區(qū)路面除冰雪為研究背景，開展了發(fā)熱電纜用于道路融雪化冰的試驗(yàn)研究，并建立發(fā)熱電纜埋設(shè)于混凝土路面的數(shù)學(xué)模型。北京工業(yè)大學(xué)的李炎峰、武海琴等人研究了發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰的模型，采用有限元分析方法對(duì)路面溫度變化進(jìn)行研究，得到不同氣候條件下道路表面及結(jié)構(gòu)層內(nèi)的溫度分布、升溫規(guī)律，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好。研究表明：依據(jù)北京地區(qū)近10年的氣溫?cái)?shù)據(jù)，采用鋪裝功率為250~350W·m－2的發(fā)熱電纜可滿足北京地區(qū)路面融雪化冰的要求。

  2006年12月，哈爾濱市內(nèi)的文昌橋建成，成為國內(nèi)首座鋪設(shè)“電加熱溫控融雪技術(shù)”的橋梁。該項(xiàng)目采用的電加熱溫控融雪技術(shù)是從丹麥引進(jìn)的，在上橋處匝道部分的面層下鋪設(shè)了長達(dá)32000m的電纜線，電纜鋪設(shè)的總面積達(dá)到了1760m2，發(fā)熱電纜實(shí)際使用效果目前正在研究測(cè)試中。該方法環(huán)保無污染，熱穩(wěn)定性較好，便于控制，但是耗能較高、技術(shù)難度高，而且發(fā)熱電纜一旦受到損害，進(jìn)行維修時(shí)比較麻煩。

  2010年，大連理工大學(xué)的趙宏明進(jìn)行了布置發(fā)熱線混凝土板融雪化冰的有限元分析，以及混凝土板內(nèi)布置發(fā)熱線間距的試驗(yàn)研究，混凝土板溫升及融雪化冰試驗(yàn)研究，混凝土大板室外融雪化冰的試驗(yàn)研究，發(fā)熱線混凝土板融雪化冰的溫度場(chǎng)有限元分析及預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了布置發(fā)熱線混凝土板融雪化冰方法的可行性，為實(shí)際工程中混凝土板內(nèi)發(fā)熱線設(shè)計(jì)及輸入功率的選取提供了參考和借鑒。

  發(fā)熱電纜加熱法的除冰雪在中國工程中的應(yīng)用雖然較少，但可借助國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)工程的地理、氣候、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)情況進(jìn)行具體的研究分析。該方法的成功應(yīng)用不但可減少環(huán)境負(fù)荷，還能大大提高行車安全性，對(duì)保障交通的暢通具有十分重大的意義。

  碳纖維發(fā)熱線加熱技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

  碳纖維的特性

  碳纖維(CarbonFiber)是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料。用碳纖維制成的各種規(guī)格的發(fā)熱電纜與傳統(tǒng)的金屬電纜有本質(zhì)上的不同，它屬于新型發(fā)熱材料，具有低密度、耐高溫、耐磨擦、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)低、壽命長、安全、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)電加熱材料的替代產(chǎn)品。發(fā)熱線材料種類繁多，與其他材料相比，碳纖維發(fā)熱迅速，電熱轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱溫度、發(fā)熱能量可隨電線長度、電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；在相同的電流負(fù)荷面積下，碳纖維的強(qiáng)度比金屬絲高6~10倍，在使用過程中不易折斷，使用壽命長。

  碳纖維發(fā)熱線與以往發(fā)熱電纜相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：價(jià)格相當(dāng)于同等長度金屬發(fā)熱線的十分之一，生熱迅速，最高運(yùn)行溫度可達(dá)100℃以上，熱轉(zhuǎn)化效率高，質(zhì)量輕、體積小，對(duì)混凝土本體結(jié)構(gòu)受力影響小。由于該方式具有環(huán)保、節(jié)能、易于施工、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì)，使其應(yīng)用于實(shí)際工程成為可能。利用布置碳纖維發(fā)熱線的混凝土板融雪化冰的技術(shù)可以用于橋面、路面、人行道、機(jī)場(chǎng)跑道等重要地段。該技術(shù)的應(yīng)用避免了由于使用融冰鹽對(duì)環(huán)境和結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的負(fù)面影響，有效解決了冬季路面積雪結(jié)冰問題，改善了行車環(huán)境，保障道路通暢和車輛行人的出行安全，避免人民生命財(cái)產(chǎn)受到威脅，國家經(jīng)濟(jì)遭受損失。

  碳纖維發(fā)熱線融冰技術(shù)的應(yīng)用

  碳纖維發(fā)熱電線雖多用于家用取暖，但將其應(yīng)用于道路融冰化雪也能取得良好的效果。由于碳纖維過于柔軟，為將其固定在路面中，需要采取不同的鋪設(shè)方法。根據(jù)項(xiàng)目所在地環(huán)境的差異和融冰時(shí)間長短需求的不同，碳纖維的規(guī)格和功率選擇可根據(jù)具體情況而定。

  例如烏阿高速福?？h福海漁場(chǎng)收費(fèi)站項(xiàng)目采用了碳纖維發(fā)熱電纜進(jìn)行融冰化雪。該項(xiàng)目路面為水泥混凝土路面，由于水泥路面需現(xiàn)場(chǎng)澆筑，所以一般采取將碳纖維綁扎在鋼筋網(wǎng)上的方法將其固定。在澆注混凝土之前，需要事先將發(fā)熱線并列固定到鋼絲網(wǎng)上，并將每根發(fā)熱線的兩端與銅芯電極用絕緣膠帶固定好。根據(jù)項(xiàng)目的環(huán)境情況，采用輸入功率為487.5W·m－2的24K碳纖維發(fā)熱電纜可達(dá)到融雪除冰的要求。該固定碳纖維的方法適用于水泥混凝土路面，且在鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)時(shí)，可能會(huì)因下層混凝土強(qiáng)度不足導(dǎo)致鋼絲網(wǎng)翹起，露出地面，從而產(chǎn)生裂縫，使路面強(qiáng)度降低。

  蘭海高速貴遵段采用玄武巖纖維和碳纖維混編成土工格柵發(fā)熱材料，該路段主要將大修的路面加以改造，去除路面舊瀝青后，在原有的路面結(jié)構(gòu)上噴灑粘層油，然后鋪設(shè)事先制備好的發(fā)熱格柵，再進(jìn)行上面層的碾壓。根據(jù)項(xiàng)目的環(huán)境情況，采用輸入功率為330W·m－2的12K碳纖維發(fā)熱電纜可達(dá)到融雪除冰的要求。采用發(fā)熱格柵的方法鋪設(shè)碳纖維雖然施工簡單，但由于發(fā)熱格柵本身具有一定厚度，跟原路面相比，剛度和強(qiáng)度有一定的差異性，通車后可能會(huì)對(duì)路面造成一定的損害，且在攤鋪機(jī)碾壓過程中，可能將發(fā)熱格柵卷起，并且損壞發(fā)熱線。

  除了發(fā)熱格柵的碳纖維鋪設(shè)方法之外，還可采用刻槽方法鋪設(shè)碳纖維。該方法是在中面層刻槽后將碳纖維安裝于槽中，雖然對(duì)中面層造成一定程度的破壞，但對(duì)上面層無影響。對(duì)于施工而言，采用刻槽方式時(shí)，需清理凹槽中的碎屑，避免破壞發(fā)熱線，而且在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)時(shí)，需要處理大量的接頭。該方法雖增加了施工的難度，但能取得不錯(cuò)的發(fā)熱效果。

  對(duì)比現(xiàn)有的融冰項(xiàng)目可知，內(nèi)置碳纖維發(fā)熱線融冰化雪方法安全、環(huán)保、施工方便，具有廣闊的應(yīng)用前景，可以全面提升公路、橋梁瀝青路面抵抗冰雪天氣的能力，提高行車的安全性。但結(jié)合成本考慮，碳纖維發(fā)熱線加熱融冰技術(shù)適用于道路線形的凹凸點(diǎn)(道路線形中易發(fā)生交通安全事故的危險(xiǎn)路段，一旦道路線形的凹凸點(diǎn)結(jié)冰，將大大影響行車安全性，發(fā)生事故的概率大幅度增加)，以及陰暗段(無陽光照射，溫度較低，易結(jié)冰)、隧道口(涵洞口與隧道口與大地?zé)崃肯噙B，冬暖夏涼，當(dāng)外界的冷空氣與涵洞口的熱空氣對(duì)流，熱空氣會(huì)凝結(jié)為水，寒冷天氣里易結(jié)冰)、收費(fèi)站(車輛減速掉頭路段在冬季結(jié)冰時(shí)易打滑，從而造成交通事故)等特殊地段，且降雪量過大時(shí)，采用碳纖維發(fā)熱方法來融冰化雪的效果并不理想。

  結(jié)語

  內(nèi)置碳纖維發(fā)熱線融冰技術(shù)更加高效、環(huán)保，且施工方便，借助碳纖維優(yōu)異的發(fā)熱性能，利用電熱融雪技術(shù)避免橋面結(jié)冰，以主動(dòng)方式解決路面、橋面結(jié)冰問題，彌補(bǔ)現(xiàn)有路面、橋面融冰除雪技術(shù)的不足。碳纖維具有質(zhì)量輕、升溫快、電熱轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益好。該技術(shù)可以避免因使用融雪劑、工業(yè)鹽對(duì)橋梁等重要設(shè)施帶來的損害，降低環(huán)境負(fù)荷，節(jié)省橋梁等重要設(shè)施的維修費(fèi)用，延長橋梁使用年限。同時(shí)，對(duì)于提高道路交通的行車安全性、保障交通的暢通具有十分重大的意義，有利于公路項(xiàng)目發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益，推動(dòng)中國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與和諧交通的建設(shè)。