引言

冬季,冰雪災(zāi)害給道路運(yùn)輸與行車安全帶來了極大的負(fù)面影響,每年的道路積雪都會(huì)造成嚴(yán)重的交通擁堵,甚至誘發(fā)一系列交通事故。

目前,國(guó)內(nèi)外在高速公路上廣泛應(yīng)用的除雪技術(shù)主要是化學(xué)融化和機(jī)械除雪,這兩種技術(shù)雖然已比較成熟,但是都屬于被動(dòng)式的除雪技術(shù),高速公路養(yǎng)護(hù)人員都必須去積雪路面現(xiàn)場(chǎng)除雪。碳纖維電熱絲主動(dòng)融雪技術(shù)從根本上顛覆了傳統(tǒng)的除雪技術(shù),變被動(dòng)除雪為主動(dòng)融雪,工作人員在控制中心就可以避免高速公路出現(xiàn)積雪災(zāi)害的局面。

1碳纖維電熱絲主動(dòng)融雪系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示,瀝青路面碳纖維電熱絲主動(dòng)融雪系統(tǒng)包括上層監(jiān)控系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、碳纖維電熱絲融雪系統(tǒng)控制主電路、碳纖維電熱絲融雪單元、中面層溫度傳感器、氣象狀況傳感器等,其中碳纖維電熱絲融雪單元由碳纖維電熱絲、K字接頭、碳纖維電熱絲冷線接頭構(gòu)成。

碳纖維電熱絲融雪單元之間用三角形接法接入到碳纖維電熱絲融雪系統(tǒng)控制主電路中,碳纖維電熱絲融雪單元和中面層溫度傳感器布置于瀝青路面中面層所刻的槽內(nèi)。當(dāng)出現(xiàn)降雪情況時(shí),氣象狀況傳感器獲取碳纖維電熱絲主動(dòng)融雪系統(tǒng)所在區(qū)域的氣象狀況信息,中面層溫度傳感器和氣象狀況傳感器采集信息并通過通信鏈路把信息傳送到PLC系統(tǒng);PLC系統(tǒng)將所述信息通過通信鏈路傳送給上層監(jiān)控系統(tǒng),上層監(jiān)控系統(tǒng)接收所述信息并下達(dá)融雪指令,然后將融雪指令通過通信鏈路逐層反饋控制碳纖維電熱絲融雪單元主動(dòng)進(jìn)行電熱轉(zhuǎn)換;當(dāng)預(yù)埋在中面層的中面層溫度傳感器達(dá)到限定值后,碳纖維電熱絲融雪單元主動(dòng)停止電熱轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)碳纖維電熱絲主動(dòng)融雪系統(tǒng)的智能化控制。

2碳纖維電熱絲布設(shè)方式研究

如圖2所示,我們將5根碳纖維電熱絲通過K字接頭并聯(lián)在一根冷線接頭上作為一組碳纖維電熱絲,碳纖維電熱絲將以組的方式安裝在中面層上,以實(shí)現(xiàn)碳纖維路面的精細(xì)化、模塊化控制。

圖2單組碳纖維電熱絲

碳纖維電熱絲的布設(shè)方式一般為蛇形布設(shè)。按與行車方向一致與否可將碳纖維電熱絲的布設(shè)方式分為垂直式布設(shè)和平行式布設(shè)兩種,其中垂直式布設(shè)就是碳纖維電熱絲的布設(shè)方式與行車方向垂直,平行式布設(shè)就是碳纖維電熱絲的布設(shè)方式與行車方向平行。平行式布設(shè)無法兼顧碳纖維電熱絲與冷線接頭的布設(shè),將使部分K字接頭與部分冷線接頭布設(shè)在行車道上,從而讓相比于碳纖維電熱絲強(qiáng)度較低的K字接頭與冷線接頭在布設(shè)完成后不得不承受通行車輛的反復(fù)碾壓,造成一定的安全隱患;而采用垂直式布設(shè)可使K字接頭與冷線接頭鋪裝在行車道之外,免受通行車輛的碾壓。因此,我們采用垂直式布設(shè)方式。

3碳纖維電熱絲安裝方式研究

電熱絲安裝在中面層有三種方式:錨固、膠結(jié)、嵌入。

錨固就是將碳纖維電熱絲用卡子卡在瀝青混凝土路面的中面層上,確定好安裝位置后,用鐵釘緊固。錨固安裝工藝簡(jiǎn)單,技術(shù)要求低,但是碳纖維電熱絲具有一定剛度,這就使得碳纖維電熱絲在人工拉直后,并不會(huì)保持在設(shè)計(jì)所需的位置,在工程實(shí)際中安裝單組碳纖維電熱絲將需要8個(gè)人左右,大大增加了人工成本。另外,即使通過錨固方式完成了碳纖維電熱絲的安裝,在進(jìn)行上面層的瀝青混凝土攤鋪時(shí),粘有瀝青混凝土的履帶具有一定的黏性,將使履帶式攤鋪機(jī)在駛過碳纖維電熱絲鋪裝區(qū)域時(shí)夾起或者粘起部分或者更多的碳纖維電熱絲,甚至?xí)斐砂l(fā)熱電纜外包覆層損壞,有時(shí)攤鋪機(jī)還會(huì)在碳纖維電熱絲鋪裝區(qū)域轉(zhuǎn)向,這對(duì)暴露在履帶下的發(fā)熱電纜是致命的。所以,錨固工藝不適用于瀝青路面的碳纖維電熱絲安裝。

如若采用膠結(jié)的安裝方式,會(huì)使碳纖維電熱絲裸露在中面層上,使得攤鋪機(jī)在進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)造成碳纖維電熱絲不同程度上的損壞。

嵌入式安裝就是用切縫機(jī)在路面刻槽,再將碳纖維電熱絲直接嵌入安裝在中面層所刻的槽里。將碳纖維電熱絲嵌入到中面層中不會(huì)影響路面后續(xù)施工,使用這種安裝方式,需保障路面刻槽的間距不過小,以免降低路面強(qiáng)度。上面層攤鋪大多是在氣候炎熱的夏天進(jìn)行的,此時(shí)路面剛度與強(qiáng)度有所降低,加之碳纖維電熱絲本身在彎曲時(shí)具有一定的彎曲半徑,以致碳纖維電熱絲拐角處的瀝青混凝土路面在發(fā)熱電纜應(yīng)力的作用下容易掉塊,使得發(fā)熱電纜安裝不可靠。所以,電熱絲拐角處需做加固,即在拐角處敲入鐵釘以增加拐角處瀝青混凝土的強(qiáng)度與剛度。鑒于此,決定采用嵌入式與錨固相結(jié)合的安裝方式安裝碳纖維電熱絲。

4施工工藝流程設(shè)計(jì)

4.1畫線

根據(jù)施工圖紙確定施工區(qū)域隧道、路面、橋面分界線,將分界線作為基準(zhǔn)線,用白色防水涂料在中面層畫出分界線:在分界線的基礎(chǔ)上依照施工圖紙依次畫出行車道邊緣線與各個(gè)模塊的邊緣線:以模塊邊緣線與行車道邊緣線為基準(zhǔn),分別在各個(gè)模塊區(qū)域內(nèi)畫出Ⅱ類槽(安裝K字接頭)邊緣標(biāo)志線。

4.2刻槽

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,用切縫機(jī)在各個(gè)模塊區(qū)域內(nèi)刻出I類槽(安裝碳纖維電熱絲):依據(jù)已經(jīng)畫好的Ⅱ類槽邊緣標(biāo)志線刻出Ⅱ類槽的邊緣槽,邊緣槽刻好后用電鎬刻出完整的Ⅱ類槽和Ⅲ類槽(安裝冷線接頭),如圖3所示。

圖3I類槽、Ⅱ類槽施工作業(yè)

4.3橋梁防撞墻及隧道內(nèi)電纜溝開孔

確定防撞墻與電纜溝打孔位置,打孔位置應(yīng)為兩組電纜的交接處且兩組電纜共用一個(gè)孔,開孔高度應(yīng)低于路面中面層。

4.4布線

分別將單組碳纖維電熱絲放置在鋪裝區(qū)域:通電確保碳纖維電纜無損壞、無漏電情況后,再將碳纖維電熱絲加熱直至變軟:分別將單組碳纖維電熱絲安裝在1類槽、1類槽、Ⅲ類槽中,且不得露出中面層。在進(jìn)行碳纖維電熱絲布線過程中應(yīng)做到謹(jǐn)慎小心,不得將PvC層或冷線接頭處損壞,如圖4所示。

圖4電熱絲安裝作業(yè)

4.5路面清掃

碳纖維電熱絲安裝完成后,先用笤帚將路面上的雜物清除,再用灑水車將路面沖洗干凈。

4.6路面鋪油

路面清掃結(jié)束后,在上面層攤鋪?zhàn)鳂I(yè)前進(jìn)行鋪油作業(yè)。

4.7冷線槽混合料回填、上面層攤鋪及壓實(shí)

(1)攤鋪機(jī)、料車、雙鋼輪震動(dòng)壓路機(jī)、輪胎壓路機(jī)等機(jī)械設(shè)備就位:

(2)在上面層攤鋪過程中用鐵鍬對(duì)Ⅱ類槽、Ⅲ類槽進(jìn)行瀝青混合料的回填:

(3)雙鋼輪震動(dòng)壓路機(jī)在Ⅱ類槽、Ⅲ類槽瀝青混合料回填結(jié)束后應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)處理:

(4)上面層攤鋪:壓路機(jī)應(yīng)以慢而均勻的速度碾壓,初壓速度2~3km/h,復(fù)壓速度3~5km/h,終壓速度3~6km/h。

5結(jié)語

本文從工程實(shí)際出發(fā),創(chuàng)新性地將5根碳纖維電熱絲通過新型K字接頭并聯(lián)在一根冷線接頭上作為一組碳纖維電熱絲,提高了施工效率,大幅降低了工程成本,實(shí)現(xiàn)了碳纖維電熱絲主動(dòng)融雪系統(tǒng)模塊化控制:創(chuàng)新性地提出碳纖維電熱絲垂直式布設(shè)方式以及嵌入式與錨固相結(jié)合的安裝方式,對(duì)碳纖維電熱絲主動(dòng)融雪系統(tǒng)施工工藝流程進(jìn)行了探索性的研究,使碳纖維電熱絲的施工工藝與路面、橋面、隧道路面施工工藝完美匹配,為碳纖維電熱絲主動(dòng)融雪系統(tǒng)推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。