碳纤维电热丝主动融雪系统施工工艺研究

引言

冬季,冰雪灾害给道路运输与行车安全带来了极大的负面影响,每年的道路积雪都会造成严重的交通拥堵,甚至诱发一系列交通事故。

目前,国内外在高速公路上广泛应用的除雪技术主要是化学融化和机械除雪,这两种技术虽然已比较成熟,但是都属于被动式的除雪技术,高速公路养护人员都必须去积雪路面现场除雪。碳纤维电热丝主动融雪技术从根本上颠覆了传统的除雪技术,变被动除雪为主动融雪,工作人员在控制中心就可以避免高速公路出现积雪灾害的局面。

1碳纤维电热丝主动融雪系统构成

如图1所示,沥青路面碳纤维电热丝主动融雪系统包括上层监控系统、PLC系统、碳纤维电热丝融雪系统控制主电路、碳纤维电热丝融雪单元、中面层温度传感器、气象状况传感器等,其中碳纤维电热丝融雪单元由碳纤维电热丝、K字接头、碳纤维电热丝冷线接头构成。

碳纤维电热丝融雪单元之间用三角形接法接入到碳纤维电热丝融雪系统控制主电路中,碳纤维电热丝融雪单元和中面层温度传感器布置于沥青路面中面层所刻的槽内。当出现降雪情况时,气象状况传感器获取碳纤维电热丝主动融雪系统所在区域的气象状况信息,中面层温度传感器和气象状况传感器采集信息并通过通信链路把信息传送到PLC系统;PLC系统将所述信息通过通信链路传送给上层监控系统,上层监控系统接收所述信息并下达融雪指令,然后将融雪指令通过通信链路逐层反馈控制碳纤维电热丝融雪单元主动进行电热转换;当预埋在中面层的中面层温度传感器达到限定值后,碳纤维电热丝融雪单元主动停止电热转换,实现碳纤维电热丝主动融雪系统的智能化控制。

2碳纤维电热丝布设方式研究

如图2所示,我们将5根碳纤维电热丝通过K字接头并联在一根冷线接头上作为一组碳纤维电热丝,碳纤维电热丝将以组的方式安装在中面层上,以实现碳纤维路面的精细化、模块化控制。

图2单组碳纤维电热丝

碳纤维电热丝的布设方式一般为蛇形布设。按与行车方向一致与否可将碳纤维电热丝的布设方式分为垂直式布设和平行式布设两种,其中垂直式布设就是碳纤维电热丝的布设方式与行车方向垂直,平行式布设就是碳纤维电热丝的布设方式与行车方向平行。平行式布设无法兼顾碳纤维电热丝与冷线接头的布设,将使部分K字接头与部分冷线接头布设在行车道上,从而让相比于碳纤维电热丝强度较低的K字接头与冷线接头在布设完成后不得不承受通行车辆的反复碾压,造成一定的安全隐患;而采用垂直式布设可使K字接头与冷线接头铺装在行车道之外,免受通行车辆的碾压。因此,我们采用垂直式布设方式。

3碳纤维电热丝安装方式研究

电热丝安装在中面层有三种方式:锚固、胶结、嵌入。

锚固就是将碳纤维电热丝用卡子卡在沥青混凝土路面的中面层上,确定好安装位置后,用铁钉紧固。锚固安装工艺简单,技术要求低,但是碳纤维电热丝具有一定刚度,这就使得碳纤维电热丝在人工拉直后,并不会保持在设计所需的位置,在工程实际中安装单组碳纤维电热丝将需要8个人左右,大大增加了人工成本。另外,即使通过锚固方式完成了碳纤维电热丝的安装,在进行上面层的沥青混凝土摊铺时,粘有沥青混凝土的履带具有一定的黏性,将使履带式摊铺机在驶过碳纤维电热丝铺装区域时夹起或者粘起部分或者更多的碳纤维电热丝,甚至会造成发热电缆外包覆层损坏,有时摊铺机还会在碳纤维电热丝铺装区域转向,这对暴露在履带下的发热电缆是致命的。所以,锚固工艺不适用于沥青路面的碳纤维电热丝安装。

如若采用胶结的安装方式,会使碳纤维电热丝裸露在中面层上,使得摊铺机在进行摊铺作业时造成碳纤维电热丝不同程度上的损坏。

嵌入式安装就是用切缝机在路面刻槽,再将碳纤维电热丝直接嵌入安装在中面层所刻的槽里。将碳纤维电热丝嵌入到中面层中不会影响路面后续施工,使用这种安装方式,需保障路面刻槽的间距不过小,以免降低路面强度。上面层摊铺大多是在气候炎热的夏天进行的,此时路面刚度与强度有所降低,加之碳纤维电热丝本身在弯曲时具有一定的弯曲半径,以致碳纤维电热丝拐角处的沥青混凝土路面在发热电缆应力的作用下容易掉块,使得发热电缆安装不可靠。所以,电热丝拐角处需做加固,即在拐角处敲入铁钉以增加拐角处沥青混凝土的强度与刚度。鉴于此,决定采用嵌入式与锚固相结合的安装方式安装碳纤维电热丝。

4施工工艺流程设计

4.1画线

根据施工图纸确定施工区域隧道、路面、桥面分界线,将分界线作为基准线,用白色防水涂料在中面层画出分界线:在分界线的基础上依照施工图纸依次画出行车道边缘线与各个模块的边缘线:以模块边缘线与行车道边缘线为基准,分别在各个模块区域内画出Ⅱ类槽(安装K字接头)边缘标志线。

4.2刻槽

根据设计图纸,用切缝机在各个模块区域内刻出I类槽(安装碳纤维电热丝):依据已经画好的Ⅱ类槽边缘标志线刻出Ⅱ类槽的边缘槽,边缘槽刻好后用电镐刻出完整的Ⅱ类槽和Ⅲ类槽(安装冷线接头),如图3所示。

图3I类槽、Ⅱ类槽施工作业

4.3桥梁防撞墙及隧道内电缆沟开孔

确定防撞墙与电缆沟打孔位置,打孔位置应为两组电缆的交接处且两组电缆共用一个孔,开孔高度应低于路面中面层。

4.4布线

分别将单组碳纤维电热丝放置在铺装区域:通电确保碳纤维电缆无损坏、无漏电情况后,再将碳纤维电热丝加热直至变软:分别将单组碳纤维电热丝安装在1类槽、1类槽、Ⅲ类槽中,且不得露出中面层。在进行碳纤维电热丝布线过程中应做到谨慎小心,不得将PvC层或冷线接头处损坏,如图4所示。

图4电热丝安装作业

4.5路面清扫

碳纤维电热丝安装完成后,先用笤帚将路面上的杂物清除,再用洒水车将路面冲洗干净。

4.6路面铺油

路面清扫结束后,在上面层摊铺作业前进行铺油作业。

4.7冷线槽混合料回填、上面层摊铺及压实

(1)摊铺机、料车、双钢轮震动压路机、轮胎压路机等机械设备就位:

(2)在上面层摊铺过程中用铁锹对Ⅱ类槽、Ⅲ类槽进行沥青混合料的回填:

(3)双钢轮震动压路机在Ⅱ类槽、Ⅲ类槽沥青混合料回填结束后应及时对其进行压实处理:

(4)上面层摊铺:压路机应以慢而均匀的速度碾压,初压速度2~3km/h,复压速度3~5km/h,终压速度3~6km/h。

5结语

本文从工程实际出发,创新性地将5根碳纤维电热丝通过新型K字接头并联在一根冷线接头上作为一组碳纤维电热丝,提高了施工效率,大幅降低了工程成本,实现了碳纤维电热丝主动融雪系统模块化控制:创新性地提出碳纤维电热丝垂直式布设方式以及嵌入式与锚固相结合的安装方式,对碳纤维电热丝主动融雪系统施工工艺流程进行了探索性的研究,使碳纤维电热丝的施工工艺与路面、桥面、隧道路面施工工艺完美匹配,为碳纤维电热丝主动融雪系统推广应用奠定了良好的基础。