左連濱

北京中交華聯(lián)科技發(fā)展有限公司

1 碳纖維發(fā)熱線所具備的優(yōu)勢

中國的北方地區(qū)冬季比較寒冷，當(dāng)出現(xiàn)降水或者降雪的時(shí)候，在低溫的影響下，路面、橋面就會產(chǎn)生結(jié)冰的現(xiàn)象，不僅對交通安全造成影響，同時(shí)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(tǒng)的方式除冰、除雪，通常采用機(jī)械除雪的方式，或者使用融雪劑，除雪質(zhì)量不佳，而且效率低，對周圍的環(huán)境造成一定的影響。應(yīng)用碳纖維發(fā)熱線融冰化雪，就是將混凝土橋面內(nèi)部所敷設(shè)的碳纖維發(fā)熱線充分利用起來，用溫濕度控制系統(tǒng)將碳纖維發(fā)熱線連接到電源上。冬季環(huán)境溫度低，當(dāng)橋面結(jié)冰的時(shí)候，將溫度控制系統(tǒng)啟動，冰雪就可以融化。其主要的原理是，當(dāng)系統(tǒng)啟動之后，電源為碳纖維線纜送電，使其發(fā)熱，如此產(chǎn)生的熱量就會向橋面混凝土傳遞，提高橋面上雨雪結(jié)冰的溫度，橋面上的冰雪就會融化[1]。

應(yīng)用碳纖維發(fā)熱線融化橋面上的冰雪所具備的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

其一，碳纖維發(fā)熱線的結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，當(dāng)溫度控制系統(tǒng)啟動之后，并不會對周圍的環(huán)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(tǒng)的除雪除冰方式是人工操作或者機(jī)械操作，耗時(shí)耗力，還要投入大量的成本，使用碳纖維發(fā)熱線，可以達(dá)到節(jié)能環(huán)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(fā)熱線有很好的熱穩(wěn)定性，且持續(xù)發(fā)熱，能夠有效維護(hù)橋面的行車安全行車。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對橋面除冰除雪的時(shí)候，摒棄傳統(tǒng)的除雪方式，使用碳纖維發(fā)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(shè)計(jì)如下。

2.1 發(fā)熱功率的設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用碳纖維發(fā)熱線的時(shí)候，要充分考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候特點(diǎn)，對碳纖維發(fā)熱線的發(fā)熱功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保發(fā)熱功率符合結(jié)冰現(xiàn)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(shè)計(jì)工作中，需要考慮到多方面情況，諸如環(huán)境物濃度、橋面溫度、橋面不同部位的散熱情況、風(fēng)速等。在此基礎(chǔ)上將碳纖維發(fā)熱溫度設(shè)置在2℃，當(dāng)發(fā)熱碳纖維接通電源了之后，溫度達(dá)到2℃的之后就會維持在這個(gè)溫度，由此可以消除橋面的冰雪，且不會造成能源浪費(fèi)。

2.2 橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)橋面結(jié)構(gòu)的時(shí)候，需要分析橋面所在區(qū)域氣候條件以及橋面上的冰雪覆蓋情況，將相應(yīng)的模型建立起來，基于此對碳纖維發(fā)熱線能否融化橋面的冰雪進(jìn)行分析。此時(shí)，還需要在雨雪之前進(jìn)行預(yù)熱，要對不同橋面結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析，明確溫度應(yīng)力影響發(fā)熱除雪除冰的情況，控制好預(yù)熱的時(shí)間。

3 施工組織方案

3.1 碳纖維發(fā)熱線的鋪設(shè)

在鋪設(shè)碳纖維發(fā)熱線的時(shí)候，要銑刨橋面的混凝土結(jié)構(gòu)，使用機(jī)械設(shè)備去除原來的水泥混凝土調(diào)平層，與新建的調(diào)平層保持同等的高度。清除橋面的殘?jiān)?，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(shè)碳纖維發(fā)熱線。在進(jìn)行鋪設(shè)施工的過程中，需要對鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行焊接處理，經(jīng)過檢查合格之后才能鋪設(shè)碳纖維發(fā)熱線，確保后期牢固綁扎，且綁扎的高度符合規(guī)定。

在鋪設(shè)發(fā)熱碳纖維的時(shí)候是整體性展開，所以，需要與鋼筋網(wǎng)片牢固綁扎，在中央分隔帶上將發(fā)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(wǎng)的下方。所有的這些工作檢查完成之后鋪設(shè)混凝土層，要保護(hù)好發(fā)熱碳纖維，然后使用萬用表檢測發(fā)熱線的絕緣性。

3.2 安裝配電系統(tǒng)和配電箱

要保證發(fā)熱碳纖維的安全，正確安裝配電系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的過程中，要求各個(gè)發(fā)熱面都要安裝一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，各個(gè)發(fā)熱面都有一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)從配電箱中引出來。將漏電保護(hù)開關(guān)安裝在系統(tǒng)中，可以避免電纜產(chǎn)生漏電的問題，維護(hù)系統(tǒng)使用安全。

在傳輸信號方面，設(shè)置信號傳輸線的時(shí)候，一個(gè)回路的多個(gè)發(fā)熱面為一個(gè)整體，信號傳輸線連接到動力柜。從現(xiàn)場實(shí)際情況出發(fā)安裝配電箱，在橋梁的一側(cè)安裝好，主要安裝的器件包括漏電保護(hù)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(fā)揮溫度傳感器的作用對溫度信號進(jìn)行檢測，將檢測的結(jié)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(xiàn)象和超限運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象，這對于橋面碳纖維發(fā)熱線的鋪設(shè)施工是一種挑戰(zhàn)。高速公路所在區(qū)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(dá)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(shè)計(jì)橋面融冰化雪系統(tǒng)，并采用科學(xué)有效地施工技術(shù)。

4.1 橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將當(dāng)?shù)亟鼛啄陙淼亩練庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行選取，采用數(shù)值模擬的方法分析橋面各點(diǎn)溫度，尋求其中的規(guī)律，對項(xiàng)目設(shè)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(yīng)力進(jìn)行分析。應(yīng)用ABAQUS有限元軟件將溫度場模型和溫度應(yīng)力模型建立起來，確定預(yù)熱時(shí)間為5個(gè)小時(shí)，即在下雪之前的5個(gè)小時(shí)打開電源，橋面溫度升高到3℃左右，當(dāng)前，不同的橋面結(jié)構(gòu)，預(yù)熱時(shí)間也可以根據(jù)具體需要予以調(diào)整，保證橋面溫度應(yīng)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(shè)碳纖維發(fā)熱線的方案確定下來。在橋面結(jié)構(gòu)上的鋪裝施工中，應(yīng)用厚度為9.5cm的水泥混凝土調(diào)平層，結(jié)合使用厚度為4.5cm厚度的高勁SMA瀝青路面薄層。在鋼筋網(wǎng)上用橫向布線方式綁扎碳纖維發(fā)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(shè)碳纖維發(fā)熱線

其一，原來9cm厚的瀝青混凝土面層使用銑刨機(jī)銑刨，然后使用機(jī)械設(shè)備鑿除原有的5cm厚水泥混凝土調(diào)平層。原來的超車道鋼筋網(wǎng)有30cm的鋼筋預(yù)留，連接在新建的調(diào)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(shí)候可以使用空壓機(jī)和高壓水槍，保證新混凝土和老混凝土牢固黏結(jié)。

其三，鋼筋網(wǎng)片的孔徑規(guī)格是10cm×10cm，焊接處理，用短節(jié)鋼筋網(wǎng)片支墊，對鋼筋網(wǎng)片的頂面高程采用測定標(biāo)高的方法控制，確保發(fā)熱線在鋼筋網(wǎng)上綁扎好之后，發(fā)熱線的高度符合規(guī)定。

其四，碳纖維發(fā)熱線是整體鋪設(shè)的，在鋼筋網(wǎng)上將發(fā)熱線固定好。在中央分隔帶安置好發(fā)熱線的冷線，實(shí)施穿管保護(hù)，通過橋架連接到配電箱中。

其五，安裝地溫傳感器的時(shí)候，在進(jìn)行水泥混凝土施工的過程中在鋼筋網(wǎng)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(hù)好。

其六，在進(jìn)行水泥混凝土調(diào)平層施工的過程中要嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行。在施工的過程中要保護(hù)好發(fā)熱線，使用絕緣電阻表和萬用對發(fā)熱線檢測。

其七，調(diào)平層養(yǎng)生之后，就進(jìn)入到水性環(huán)氧防水黏結(jié)層施工和高粘SMA瀝青面層施工環(huán)節(jié)（圖1：鋼筋網(wǎng)片的鋪設(shè)；圖2：綁扎碳纖維發(fā)熱線；圖3：發(fā)熱線冷線出線方式）。

圖1 鋼筋網(wǎng)片的鋪設(shè)

圖2 綁扎碳纖維發(fā)熱線

圖3 發(fā)熱線冷線出線方式

4.2.2 安裝配線系統(tǒng)和配電箱

各個(gè)發(fā)熱面在配電箱中都要將一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)引出來，所安裝的漏電保護(hù)開關(guān)為300mAh～500mAh，能夠有效預(yù)防電纜漏電。在橋梁的一側(cè)安裝配電箱，對碳纖維發(fā)熱面使用電源導(dǎo)線連接到配電箱中固定位置。溫度傳感器采集橋面內(nèi)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(dāng)系統(tǒng)安全完成之后，通電測試，對控制箱調(diào)試，對系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查。

5 效果評價(jià)

本工程完成后，經(jīng)過一段時(shí)間的投入使用，橋面路用性能良好。當(dāng)年的冬季幾場雪之后，融冰化雪系統(tǒng)啟動，橋面上沒有積雪，沒有出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，這就可以證明，碳纖維發(fā)熱線有良好的橋面融冰化雪效果。

6 結(jié)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(jié)冰，不利于行車安全，而且不及時(shí)清除還會對橋面造成一定的損壞。如果采用傳統(tǒng)的清除方式，效率不高且質(zhì)量不好。應(yīng)用碳纖維發(fā)熱線，連接電源之后，溫度傳感器感受到溫度之后發(fā)出信號，配電系統(tǒng)將電源分配給碳纖維發(fā)熱線，可編程邏輯控制器對溫濕度控制系統(tǒng)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。