CN110611966A - 一种适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线及其布设方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线及其布设方法，包括碳纤维发热体、包覆在碳纤维发热体外的绝缘层，套设在绝缘层外的绝缘阻燃层，套设在绝缘阻燃层的PVC护套，碳纤维发热体由金属导线组成，该金属导线与电源线连接，所述绝缘层包括内绝缘层，外绝缘层，所述内绝缘层分为两层，第一层为玻璃纤维编织层、第二层为云母带编织层；碳纤维发热线在桥面铺装层中的布设高度分别设为13cm、15cm，布设间距为5cm、10cm，环境温度为‑2℃，风速为2级，平均速度为2.5m/s，冰层厚度为5cm。
Description
技术领域
本发明涉及桥面防治冰雪的技术领域，特别是涉及一种适合桥面防治冰雪 的碳纤维发热线及其布设方法。
背景技术
交通运输是人类文明的生命线，是支持经济增长基础结构的一个重要组成 部分，是我国国民经济的命脉。公路是交通运输设施的重要组成部分之一，公 路及城市桥梁的建设和正常运营，对整个国民经济的发展起着举足轻重的作用。 随着我国经济的快速发展，公路及城市道路建设发展迅猛。2015年全国公路通 车总里程为457.7万公里，其中高速公路建设成就令世人瞩目，中国高速公路 发展从1988年首条高速公路的建成通车实现中国大陆高速公路零的突破，到 2015年底，高速公路通车总里程达到12.5万公里，已超过美国跃居世界第一。
冰雪会使行车的危害系数增加，主要原因是冰雪改变的路况，路面上冰雪 的集聚会导致车轮与路面间的摩擦力减小。路面积雪还会影响车辆的行驶速度， 甚至造成交通阻塞严重影响运输效率。同时，汽车的制动距离也会变长，如果 车速过快、转弯太急，都可能发生交通事故。美国有研究表明，同一时期内有 雪的天气每百万车辆每公里就会发生5.86起的车辆碰撞、刮擦事故；而在没有 雪的天气，每百万车辆每公里，车辆发生碰撞、刮擦事故仅为0.41起，二者之 间有高达13倍多的差异。桥梁和隧道是道路的咽喉，当降雪时更容易发生交通 事故并且任何事故都可能引发重大恶性事故。有资料显示我国南北方隧道交通 事故季节分布中，发生在冬季的比例约占45％左右。因此道路，桥梁和隧道除冰 雪要给予足够的重视。
碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，具有高强度、高模量、耐高温、 耐磨、抗疲劳、耐腐蚀、抗蠕变、导电和导热等诸多优异性能。用碳纤维作为 电热体有着金属、PTC等电热体所不可比拟的诸多的优异性能。碳纤维发热体是 一种纯黑体材料，因此具有升温迅速、热滞后小、发热均匀、热辐射传递距离 远、热交换速度快等特点；工作过程中光通量远远小于金属发热体的电热管， 电热转换效率高达98％以上，比金属发热提高30％；抗拉强度高，在相同的允许 的电流负荷面积下，碳纤维的强度比金属丝高一倍，在使用过程中不会发生折 断，因此，在电热过程中抗拉强度没有什么改变，断线不起弧,有效杜绝火灾的发生；体积小，重量轻，有效减轻构件重量，从而提高了构件技术性能化学性 能；稳定耐腐蚀，不易被氧化，在无氧状态下加热到3000度，其机械性能不发 生任何变化，在电热状态下克服了金属丝、碳化硅电热体强度低，易氧化烧断 的缺点；使用寿命长，碳纤维发热体与建筑同寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适合桥面防治冰雪的碳纤维发 热线及其布设方法。
本发明采用如下技术方案：一种适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线，所述 碳纤维发热线包括碳纤维发热体、包覆在碳纤维发热体外的绝缘层，套设在绝 缘层外的绝缘阻燃层，套设在绝缘阻燃层的PVC护套，碳纤维发热体由金属导 线组成，该金属导线与电源线连接，所述绝缘层包括内绝缘层，外绝缘层，所 述内绝缘层分为两层，第一层为玻璃纤维编织层、第二层为云母带编织层。
进一步的，所述绝缘层采用以下材料之一，玻璃纤维编织层、云母带编织 层、聚四氯乙烯、聚全氟乙丙烯、氟橡胶，碳纤维发热丝按截面上碳纤维单丝 的数量分为3000根单丝、6000根单丝、12000根单丝、24000根单丝四个型号， 其电阻分别为140Ω/m，70Ω/m，31Ω/m，17Ω/m。
进一步的，所述绝缘保护层，其原料按重量份包括：所述绝缘阻燃层，其 原料按重量份包括：聚乙烯45～85份，氯化三元乙丙胶10～15份，阻燃剂5～ 10份，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚0.3～0.6份，双十二碳醇酯0.1～0.3份，硬 脂酸丁酯0.1～0.5份，油酰胺0.2～0.4份，乙撑双硬脂酰胺0.1～0.5份， 紫外线吸收剂0.4～1.5份，滑石粉2～6份，二硫化钼0.1～1.2份。
进一步的，碳纤维发热线冷热导线接头处理方法采用冷接方式、将冷线与 冷线融为一体中的一种。
一种适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线及其布设方法，碳纤维发热线在桥 面铺装层中的布设高度分别设为13cm、15cm，布设间距为5cm、10cm，环境温 度为-2℃，风速为2级，平均速度为2.5m/s，冰层厚度为5cm，采用扎丝将碳 纤维发热丝按照U型走向绑缚在钢筋网上，碳纤维发热丝宜布设在钢筋侧面或 底部，绑扎间距不超过20cm，最小弯曲半径为5倍发热线直径，其方法步骤如 下：
1)室内试验的试件采用边长50cm、高19cm的混凝土板，其结构与桥面铺 装层相同，在混凝土板的内部埋设多个电阻式温度传感器，混凝土板除上表面 外，其余各面均包有聚苯乙烯泡沫塑料板；
2)在加热之前，首先将试件在冷库中-2℃条件下冷冻15小时以上，使试 件的内部温度全部达到-2℃，并采用多档风速可调电风扇，通过调整电风扇与 试件的距离使试件表面的风级达到2级；
3)在冰层成型后即开始通电加热，在加热过程中，外部环境条件一直保持 不变；
4)采用单因素方差分析法分析碳纤维发热线的布设高度与混凝土温升的关 系，在方差分析前通过社会科学统计软件(SPSS)进行方差齐性检验一确定实 验数据满足方差分析条件。
进一步的，步骤1)中所述的电阻式温度传感器分别位于水泥混凝土铺装层 顶部中心处和沥青混凝土下面层顶部中心处，所述混凝土板结构形式为10cm C50水泥混凝土+6cm AC-20沥青混凝土下面层+4cm SMA-13沥青混凝土上面 层。
进一步的，所述步骤2)中每隔30分钟采用电子万用表测量埋设于试件内 部的电阻式温度传感器的电阻值，其电阻值可以通过2K热敏电阻阻值温度对照 表进行换算为对应的温度值。
与现有技术相比，本发明具有的优点：1)优选了适用于桥面融雪化冰的碳 纤维发热材料；2)桥面采用内置碳纤维发热线加热方法能够在冬季寒冷条件下 起到较好的融雪化冰作用。
附图说明
图1是本发明的碳纤维发热线结构示意图。
图2是本发明试件成型结构示意图。
图3是本发明不同布设高度试件内部温升曲线示意图。
图4是本发明布设13cm、15cm高度的ANIVA方差分析示意图。
图5是本发明布置间距10cm试件内部温升曲线。
图6是本发明布置间距10cm的ANIVA方差分析示意图。
图7是本发明-6℃环境下试件内部温升曲线示意图。
图8是图7的ANIVA方差分析示意图。
图9是无风环境下试件温升曲线示意图。
图10是图9的ANIVA方差分析示意图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域 技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线，所述碳纤维发热线包括碳纤维发 热体、包覆在碳纤维发热体外的绝缘层，套设在绝缘层外的绝缘阻燃层，套设 在绝缘阻燃层的PVC护套，碳纤维发热体由金属导线组成，该金属导线与电源 线连接，所述绝缘层包括内绝缘层，外绝缘层，所述内绝缘层分为两层，第一 层为玻璃纤维编织层、第二层为云母带编织层。
进一步的，所述绝缘层采用以下材料之一，玻璃纤维编织层、云母带编织 层、聚四氯乙烯、聚全氟乙丙烯、氟橡胶，碳纤维发热丝按截面上碳纤维单丝 的数量分为3000根单丝、6000根单丝、12000根单丝、24000根单丝四个型号， 其电阻分别为140Ω/m，70Ω/m，31Ω/m，17Ω/m。
进一步的，所述绝缘保护层，其原料按重量份包括：所述绝缘阻燃层，其 原料按重量份包括：聚乙烯45～85份，氯化三元乙丙胶10～15份，阻燃剂5～ 10份，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚0.3～0.6份，双十二碳醇酯0.1～0.3份，硬 脂酸丁酯0.1～0.5份，油酰胺0.2～0.4份，乙撑双硬脂酰胺0.1～0.5份， 紫外线吸收剂0.4～1.5份，滑石粉2～6份，二硫化钼0.1～1.2份。
进一步的，碳纤维发热线冷热导线接头处理方法采用冷接方式、将冷线与 冷线融为一体中的一种。
一种适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线及其布设方法，碳纤维发热线在桥 面铺装层中的布设高度分别设为13cm、15cm，布设间距为5cm、10cm，环境温 度为-2℃，风速为2级，平均速度为2.5m/s，冰层厚度为5cm，采用扎丝将碳 纤维发热丝按照U型走向绑缚在钢筋网上，碳纤维发热丝宜布设在钢筋侧面或 底部，绑扎间距不超过20cm，最小弯曲半径为5倍发热线直径，其方法步骤如 下：
1)室内试验的试件采用边长50cm、高19cm的混凝土板，其结构与桥面铺 装层相同，在混凝土板的内部埋设多个电阻式温度传感器，混凝土板除上表面 外，其余各面均包有聚苯乙烯泡沫塑料板；
2)在加热之前，首先将试件在冷库中-2℃条件下冷冻15小时以上，使试 件的内部温度全部达到-2℃，并采用多档风速可调电风扇，通过调整电风扇与 试件的距离使试件表面的风级达到2级；
3)在冰层成型后即开始通电加热，在加热过程中，外部环境条件一直保持 不变；
4)采用单因素方差分析法分析碳纤维发热线的布设高度与混凝土温升的关 系，在方差分析前通过社会科学统计软件(SPSS)进行方差齐性检验一确定实 验数据满足方差分析条件。
进一步的，步骤1)中所述的电阻式温度传感器分别位于水泥混凝土铺装层 顶部中心处和沥青混凝土下面层顶部中心处，所述混凝土板结构形式为10cm C50水泥混凝土+6cm AC-20沥青混凝土下面层+4cm SMA-13沥青混凝土上面 层。
进一步的，所述步骤2)中每隔30分钟采用电子万用表测量埋设于试件内 部的电阻式温度传感器的电阻值，其电阻值可以通过2K热敏电阻阻值温度对照 表进行换算为对应的温度值。
为保证试验结果的准确性，试验所用的仪器均应在使用前进行校准测试， 试验中用到的仪器和设备主要包括JMZX-300X综合测试仪、JMT-36B温度传感器、 数字万用表、风速测试仪和冷库等。JMZX-300X综合测试仪是一种便携式智能型 多功能检测仪，可连续自动测量温度传感器的温度，并能够存储每次测量结果， 通过串口上传至计算机建立测量数据库，温度测量范围为-40℃～125℃，温度 精度为±0.5℃。JMT-36B温度传感器是一种半导体类电阻型温度传感器，适用 于各种场合的温度监测，适应长期监测和自动化测量，具有高精度、高稳定性， 高可靠性等优良性能，温度测量范围为-20℃～120℃，灵敏度为0.1℃。冷库环 境温度范围为-25℃～0℃。所有设备都是已经过标定的。
试件尺寸为50cm×50cm×20cm，整个成型过程在特制的标准模具中完成。 在成型水泥混凝土结构时，将预先按一定布设方法绑缚碳纤维发热线的钢筋网 安置在其中。经过标准养生7天，在水泥混凝土板上撒布适量的粘层油，并在 其中心位置附设用于监测试件内部温度的电阻式温度传感器后成型AC-20沥青 混凝土下面层，然后同样在沥青混凝土下面层上撒布适量的粘层油并附设温度 传感器，最后成型SMA-13沥青混凝土上面层。按照碳纤维发热线的不同布置方 式分别成型3组试件。
不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发 明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护 范围为准。
Claims (7)
1.一种适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线，其特征在于，所述碳纤维发热线包括碳纤维发热体、包覆在碳纤维发热体外的绝缘层，套设在绝缘层外的绝缘阻燃层，套设在绝缘阻燃层的PVC护套，碳纤维发热体由金属导线组成，该金属导线与电源线连接，所述绝缘层包括内绝缘层，外绝缘层，所述内绝缘层分为两层，第一层为玻璃纤维编织层、第二层为云母带编织层。
2.根据权利要求1所述的适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线，其特征在于，所述绝缘层采用以下材料之一，玻璃纤维编织层、云母带编织层、聚四氯乙烯、聚全氟乙丙烯、氟橡胶，碳纤维发热丝按截面上碳纤维单丝的数量分为3000根单丝、6000根单丝、12000根单丝、24000根单丝四个型号，其电阻分别为140Ω/m，70Ω/m，31Ω/m，17Ω/m。
3.根据权利要求1所述的适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线，其特征在于，所述绝缘阻燃层，其原料按重量份包括：聚乙烯45～85份，氯化三元乙丙胶10～15份，阻燃剂5～10份，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚0.3～0.6份，双十二碳醇酯0.1～0.3份，硬脂酸丁酯0.1～0.5份，油酰胺0.2～0.4份，乙撑双硬脂酰胺0.1～0.5份，紫外线吸收剂0.4～1.5份，滑石粉2～6份，二硫化钼0.1～1.2份。
4.根据权利要求1所述的适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线，其特征在于，碳纤维发热线冷热导线接头处理方法采用冷接方式、将冷线与冷线融为一体中的一种。
5.一种适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线及其布设方法，其特征在于，碳纤维发热线在桥面铺装层中的布设高度分别设为13～15cm，布设间距为5cm～10cm，环境温度为-2℃，风速为2级，平均速度为2.5m/s，冰层厚度为5cm，采用扎丝将碳纤维发热丝按照U型走向绑缚在钢筋网上，碳纤维发热丝宜布设在钢筋侧面或底部，绑扎间距不超过20cm，最小弯曲半径为5倍发热线直径，其方法步骤如下：
1)室内试验的试件采用边长50cm、高19cm的混凝土板，其结构与桥面铺装层相同，在混凝土板的内部埋设多个电阻式温度传感器，混凝土板除上表面外，其余各面均包有聚苯乙烯泡沫塑料板；
2)在加热之前，首先将试件在冷库中-2℃条件下冷冻15小时以上，使试件的内部温度全部达到-2℃，并采用多档风速可调电风扇，通过调整电风扇与试件的距离使试件表面的风级达到2级；
3)在冰层成型后即开始通电加热，在加热过程中，外部环境条件一直保持不变；
4)采用单因素方差分析法分析碳纤维发热线的布设高度与混凝土温升的关系，在方差分析前通过社会科学统计软件(SPSS)进行方差齐性检验一确定实验数据满足方差分析条件。
6.根据权利要求5所述的适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线及其布设方法，其特征在于，步骤1)中所述的电阻式温度传感器分别位于水泥混凝土铺装层顶部中心处和沥青混凝土下面层顶部中心处，所述混凝土板结构形式为10cm C50水泥混凝土+6cmAC-20沥青混凝土下面层+4cm SMA-13沥青混凝土上面层。
7.根据权利要求5所述的适合桥面防治冰雪的碳纤维发热线及其布设方法，其特征在于，所述步骤2)中每隔30分钟采用电子万用表测量埋设于试件内部的电阻式温度传感器的电阻值，其电阻值可以通过2K热敏电阻阻值温度对照表进行换算为对应的温度值。
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