碳纤维加热丝在沥青路面中的发热特性研究

碳纤维加热丝在沥青路面中的发热特性研究

张洋

拉萨市政府投资项目评审中心、拉萨市、 850000

摘要

碳纤维加热丝作为路面融冰加热元件具有较好的应用前景，研究分析了碳纤维加热丝间距，环境温度和风速三个因素对碳纤维加热丝的加热效果影响。研究结果表明：随着加热丝间距减小，路表升温速度增加，减小加热丝间距有利于提高路面加热效率，进而增加融冰效率。但是较小的加热丝间距会降低路面结构强度和耐久性,间距对路面性能的影响还需进一步研究。评价环境温度分别为-3℃、-6℃和-9℃时的碳纤维加热效果，发现不同的外部环境对碳纤维加热丝的加热效果影响不显著。风速越大，路表热量散失越快，碳纤维加热丝加热效果越差。因而，在融冰路面设计时，应充分考虑风速的影响。

关键词：融冰路面；碳纤维；环境影响

1.背景

冬季道路上的冰雪严重影响着道路的畅通和行车的安全，相关领域学者对此做了大量的研究，目前的除冰方法主要可以分为主动融冰和被动融冰技术，其中主动融冰技术主要有微波加热法、缓释融冰剂法和电热法^[1]。樊振阳认为随含水量升高路表吸波升温速率有所降低，路面表层结构较分层式薄层结构具有更加高效的融冰效率，微波加热法的应用受环境影响较大^[2]。邓爽发现NaCl-火山灰缓释材料掺量为菱镁水泥质量的10%时,菱镁水泥蓄盐集料的浸水电导率随时间变化缓慢,具有较好的缓释性能，但是沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度随其掺量的增加而降低^[3]。陈华斌研究了导电沥青混凝土结构层的均匀性导电措施,提出了适合的保证导电沥青混凝土结构层均匀性导电的现场处置方法，但是存在沥青混凝土结构层摊铺过程中导电线易发生破坏的问题^[4].碳纤维作为路面加热元件具有施工方便、加热效率高等优点。华学翰设计了应用石墨烯薄膜的自生热沥青路面，并分析了自生热沥青路面融冰过程中的温度影响状态分析^[5]。杨畅针对路面内置式碳纤维发热丝融雪化冰的具体情况,建立路基结构的热力学模型和有限元分析模型,采用瞬态热分析方法,计算出路基内部温度场分布情况^[6]。此外，风速、温度等环境因素也会影响碳纤维加热效果^[7]。因此，对碳纤维丝在沥青路面中的发热特性的研究是非常有必要的。

2.原材料

（1）碳纤维加热丝

碳纤维发热丝来自于山东淄博，每根发热丝长1m，线功率为 35W/m。

（2）路面结构层

用于测试的路面结构为上面层4cmSMA沥青混凝土+下面层6cmAC-20沥青混凝土+基层18cm水泥稳定碎石，碳纤维加热丝位于上面层与下面层之间，如图1所示。

图1 路面结构层示意图

3.结果分析

3.1碳纤维加热丝间距影响

图2 不同间距下路面表层温度

由图2可加，随着路面通电加热时间的增加，路面表层温度不断升高。加热160分钟后，加热丝间距为5cm时，路表温度由-5℃升至-1.4℃。加热160分钟后，加热丝间距为10cm时，在路表温度由-5℃升至-2.1℃。加热160分钟后，加热丝间距为15cm时，路表温度由-5℃升至-2.5℃。表明随着加热丝间距减小，路表升温速度增加，减小加热丝间距有利于提高路面加热效率，进而增加融冰效率。但是较小的加热丝间距会降低路面结构强度和耐久性,间距对路面性能的影响还需进一步研究。

3.2环境温度影响

研究测试环境温度分别为-3℃、-6℃和-9℃时的碳纤维加热效果，电源电压60V，加热时间45分钟，碳纤维间距10cm，每5分钟测试路面表层温度。不同环境温度下的路表温度如图3所示。

图3 不同环境温度下的路表温度

由图3可见，路表温度随着加热时间的增加而升高，不同环境温度下路表温度变化趋势一致。测试初始阶段的温差为3℃，加热45分钟后不同环境温度测试的温差仍约为3℃，加热速率约为0.125℃/min。因而，不同的外部环境对碳纤维加热丝的加热效果影响不显著。

3.3风速影响试验研究

风速会影响路表热量的散失，研究中分析了风速3m/s、4m/s和5m/s对碳纤维加热效果的影响。实验在高低温箱中进行，控制环境温度为-5℃。测试结果如图4所示。

图4 不同风速下的路表温度

由图4可见，在第0分钟，不同风速下路表温度均为-5℃。在第100分钟，风速在3m/s、4m/s和5m/s下的路表温度分别为4.1℃、3.8℃和3.5℃。表明风速越大，路表热量散失越快，碳纤维加热丝加热效果越差。因而，在融冰路面设计时，应充分考虑风速的影响。

4.结论

（1）随着加热丝间距减小，路表升温速度增加，减小加热丝间距有利于提高路面加热效率，进而增加融冰效率。但是较小的加热丝间距会降低路面结构强度和耐久性,间距对路面性能的影响还需进一步研究。

（2）评价环境温度分别为-3℃、-6℃和-9℃时的碳纤维加热效果，发现不同的外部环境对碳纤维加热丝的加热效果影响不显著。

（3）风速越大，路表热量散失越快，碳纤维加热丝加热效果越差。因而，在融冰路面设计时，应充分考虑风速的影响。

参考文献

[1]乔世哲,秦浩,黄晚清.高寒地区沥青混凝土路面抗结冰研究综述[J].公路,2021,66(08):337-341.

[2]樊振阳,陈兵,王选仓,李美鑫,原驰.吸波融冰混凝土路面升温特性变化规律及影响因素[J].华南理工大学学报(自然科学版),2021,49(02):68-78.

[3]邓爽.蓄盐集料对融冰化雪沥青路面性能的影响研究[J].新型建筑材料,2020,47(02):64-67.

[4]陈华斌,郑少鹏,程志豪,徐默楠,周沛延,田毕江.导电沥青混凝土融冰化雪路面施工问题探讨[J].公路交通科技(应用技术版),2017,13(05):124-125.

[5]华学翰.石墨烯薄膜自生热沥青路面融冰过程温度影响状态实验探究[J].公路交通科技(应用技术版),2020,16(03):29-31+46.

[6]杨畅,魏春梅,朱清波,宋庭新.内置式发热丝路面除雪融冰能效分析[J].湖北工业大学学报,2018,33(02):17-20.

[7]马占海,王子鹏,曹志龙,余剑英.环境因素对低冰点沥青路面融冰性能的影响[J].公路,2022,67(03):71-75.