具有电热功能的碳纤维复合土工格栅.pdf

具有电热功能的碳纤维复合土工格栅及路面铺设方法，涉及一种土工合成材料，解决路面积雪结冰不易融化的问题。包括经线和纬线，所述经线为玻璃纤维或玄武岩纤维，所述纬线含有电热元件，该电热元件为碳纤维，沿格栅边缘长度方向上间隔均匀的留有接线端，接线端的纬线与导线通过铜片接头固定连接，所述接线端均位于格栅同侧。本发明不仅具有电热效应的功能特性，而且其本身具有较高的抗拉强度及较低的延伸率，用于路面层可降低弯沉，减少车辙，推迟裂纹出现时间，可减少结构厚度。在混凝土中可以增强抗弯折能力，延长路面抗疲劳寿命。

1.  具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，其特征是，土工格栅包括经线和 纬线，所述经线为玻璃纤维或玄武岩纤维，所述纬线含有电热元件，该电热元 件为碳纤维，沿格栅边缘长度方向上间隔均匀的留有接线端，接线端的纬线与 导线通过铜片接头固定连接，所述接线端均位于格栅同侧。

2.  根据权利要求1所述的具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，其特征是， 所述纬线为纯碳纤维。

3.  根据权利要求2所述的具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，其特征是， 所述纬线还包含玻璃纤维或玄武岩纤维，碳纤维与玻璃纤维或玄武岩纤维混合 编织，玻璃纤维或玄武岩纤维位于碳纤维下层。

4.  根据权利要求3所述的具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，其特征是， 所述纬线上浸渍有改性沥青或丙烯酸乳液或热固性树脂。

5.  根据权利要求1所述的具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，其特征是， 所述纬线为玻璃纤维或玄武岩纤维，纬线上表面固定有碳纤维束。

6.  根据权利要求5所述的具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，其特征是， 所述碳纤维束通过改性沥青或丙烯酸乳液或热固性树脂粘贴在定型的纬线上。

7.  根据权利要求5所述的具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，其特征是， 所述碳纤维束外表还有绝缘层和保护钢丝网，碳纤维束通过耐高温胶带固定在 纬线上。

8.  根据权利要求1-7任一权项所述的具有电热功能的碳纤维复合土工格 栅，其特征是，所述导线为铜丝，导线缠绕在纬线的接线端，铜片接头包裹在 导线与接线端的接口处，铜片接头外表面还涂有一层绝缘胶。

9.  根据权利要求1-7任一权项所述的具有电热功能的碳纤维复合土工格 栅，其特征是，所述碳纤维规格可以为12K、24K、36K、48K或60K，格栅宽幅 可为0.6～7.5m，将格栅划分为若干电热单位，各电热单位采用并联连接，接 入电压为220V或36V。

10.  一种具有电热功能的碳纤维复合土工格栅的发热路面铺设方法，其特征 是，包含以下步骤：
第一步：按照水泥∶水∶砂∶碎石＝1∶0.4∶1.23∶3(重量比)的比例配置混 凝土，将配好的水泥、砂、碎石和水在搅拌机中搅拌约3～5min，待搅拌均匀后 用振动棒振捣密实，形成待用混凝土；
第二步：将待用混凝土铺设在路面最下层，厚度为16cm，抹平后在混凝土 上铺设一层玻璃纤维布，玻璃纤维布上下均抹有厚度为1cm的水泥砂浆；
第三步：将如权利要求1所述的可发热复合土工格栅铺设在玻璃纤维布上， 在该土工栅格上铺设5cm厚的待用混凝土，完成路面铺设。

具有电热功能的碳纤维复合土工格栅
技术领域
本发明涉及一种土工合成材料，具体地说是具有电热功能的碳纤维复合土 工格栅。
背景技术
冬季气候条件恶劣的地区，常常由于道路的结冰或积雪过厚而造成交通拥 堵，甚至出现交通瘫痪的状况。机械除雪、人工除雪、撒融雪盐、喷水除冰等 目前主要采用的道路除冰融雪方法具有事后性，很难保证路面冰雪的及时清除， 恶劣天气时冰雪越积越厚，以致机场、高速公路、铁路道叉、桥梁等被迫关闭， 严重时导致交通大动脉的瘫痪。融雪盐还会造成水源污染、钢筋锈蚀和混凝土 盐冻破坏等。因此，为提高我国桥梁、高速公路、机场跑道等重要交通基础设 施抗冰冻灾害能力，迫切需要采用自动热控道路融冰雪新方法。
自动热控融雪方式主要有循环热流体方法、电热电缆加热、导电混凝土和 导电沥青混凝土加热等。美国、日本、瑞士、冰岛、挪威、波兰等国建立了若 干循环热流体融雪化冰示范工程，实现了季节性蓄能再利用，即将夏季的太阳 能蓄热在地下，冬季时用于融雪。如瑞士A8高速公路Darligen桥的Serso 热融雪实验工程、挪威首都奥斯陆Gardermoen机场停机坪热循环流体融雪化冰 系统、日本二户市的Gaia工程等。美国内布拉斯加州的77号公路上的Roca Spur 桥是世界上第一座在部分桥面上铺设导电混凝土融雪的桥梁，铺设面积为306 m2，导电混凝土层厚度为102mm。通电时路面平均温度比周围空气温度要高10℃ 左右，能成功将冰雪融化。美国Superior Graphite公司开发了导电沥青混凝 土融雪系统，应用于芝加哥O’Hare机场的出租车车道等场所。2007年1月， 国内首座电热融雪桥——哈尔滨文昌高架桥投入使用。该桥设计坡度大，冬季 下雪后汽车爬坡困难。为此耗资200余万元从丹麦引进了电加热温控融雪技术， 在上桥处匝道铺设电热电缆线，总铺设面积为1760m2，用于融化引桥匝道处的 积雪。
尽管各种自动热控融雪方式已在工程上都有应用实例，但也存在许多缺 点：采用循环热流体加热路面需要在路面内埋设密集的管线，将会削弱路面的 强度，埋地管线出现的腐蚀、渗漏等故障也不便维护。有些电热电缆采用有机 导电复合材料制成，这类材料在复杂现场使用条件下的长期稳定性还待考证。 导电混凝土和导电沥青混凝土发热层本身质量较大，发热速度较慢，蓄热较大。 由于沥青本身不导电，制备导电沥青混凝土需要添加较多导电填料，将导电填 料分散在沥青中的难度大，导电填料也削弱了沥青混凝土的力学性能。。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以将电能转化为热能具有电热功能的土工格 栅，解决路面积雪结冰不易融化的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：具有电热功能的碳纤维复合 土工格栅，其特征是，土工格栅包括经线和纬线，所述经线为玻璃纤维或玄武 岩纤维，所述纬线含有电热元件，该电热元件为碳纤维，沿格栅边缘长度方向 上间隔均匀的留有接线端，接线端的纬线与导线通过铜片接头固定连接，所述 接线端均位于格栅同侧。
所述纬线为纯碳纤维。
所述纬线还包含玻璃纤维或玄武岩纤维，碳纤维与玻璃纤维或玄武岩纤维 混合编织，玻璃纤维或玄武岩纤维位于碳纤维下层。
所述纬线上浸渍有改性沥青或丙烯酸乳液或热固性树脂。
所述纬线为玻璃纤维或玄武岩纤维，纬线上表面固定有碳纤维束。
所述碳纤维束通过改性沥青或丙烯酸乳液或热固性树脂粘贴在定型的纬线 上。
所述碳纤维束外表还有绝缘层和保护钢丝网，碳纤维束通过耐高温胶带固 定在纬线上。
所述导线为铜丝，导线缠绕在纬线的接线端，铜片接头包裹在导线与接线 端的接口处，铜片接头外表面还涂有一层绝缘胶。
所述碳纤维规格可以为12K、24K、36K、48K或60K，格栅宽幅可为0.6～ 7.5m，将格栅划分为若干电热单位，各电热单位采用并联连接，接入电压为220 V或36V。
本发明的有益效果是：1.不仅具有电热效应的功能特性，而且其本身具有 较高的抗拉强度及较低的延伸率，用于路面层可降低弯沉，减少车辙，推迟裂 纹出现时间，可减少结构厚度。在混凝土中可以增强抗弯折能力，延长路面抗 疲劳寿命。
2.与循环热流体方法、普通电热电缆加热、导电混凝土和导电沥青加热方 式相比，本发明构造简单、制造成本低、容易接线、在混凝土中容易施工，安 全可靠，耐久性好，灵活性强。
附图说明
图1是本发明实施一结构示意图，
图2是本发明实施例二纬线截面示意图，
图3是本发明实施例三纬线截面示意图，
图4是本发明实施例四纬线截面示意图。
图中：1经线，2纬线，21碳纤维，22玻璃纤维或玄武岩纤维，23改性沥 青或丙烯酸乳液或热固性树脂，24耐高温胶带，25绝缘层和保护钢丝网，3铜片 接头，4导线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明做进一步说明。
实施例一，如图1所示，具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，土工格栅 包括经线和纬线，所述经线为玻璃纤维或玄武岩纤维，所述纬线含有电热元件， 该电热元件为碳纤维，沿格栅边缘长度方向上间隔均匀的留有接线端，接线端 的纬线与导线通过铜片接头固定连接，所述接线端均位于格栅同侧。
所述纬线为单层纯碳纤维，土工格栅为碳纤维与玻璃纤维或玄武岩纤维交 错编织而成，形成一种编织土工格栅，在格栅的同侧，碳纤维间隔均匀的还留 有接线端，方便与导线固定连接，通电后便于将电能转化为热能。
实施例二，如图2所示，具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，土工格栅 包括经线和纬线，所述经线为玻璃纤维或玄武岩纤维，所述纬线含有电热元件， 该电热元件为碳纤维，沿格栅边缘长度方向上间隔均匀的留有接线端，接线端 的纬线与导线通过铜片接头固定连接，所述接线端均位于格栅同侧。
所述纬线为双层，还包含玻璃纤维或玄武岩纤维，碳纤维与玻璃纤维或玄 武岩纤维混合编织，玻璃纤维或玄武岩纤维位于碳纤维下层，起隔热和保护碳 纤维作用，所述纬线上浸渍有改性沥青或丙烯酸乳液或热固性树脂，起固定纤 维、保护纤维和绝缘等作用。
实施例三，如图3所示，具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，土工格栅 包括经线和纬线，所述经线为玻璃纤维或玄武岩纤维，所述纬线含有电热元件， 该电热元件为碳纤维，沿格栅边缘长度方向上间隔均匀的留有接线端，接线端 的纬线与导线通过铜片接头固定连接，所述接线端均位于格栅同侧。
所述纬线为玻璃纤维或玄武岩纤维，纬线上表面通过改性沥青或丙烯酸乳 液或热固性树脂粘贴有碳纤维束，形成粘贴式土工格栅，改性沥青或丙烯酸乳 液或热固性树脂同时起绝缘作用。
实施例四，如图4所示，具有电热功能的碳纤维复合土工格栅，土工格栅 包括经线和纬线，所述经线为玻璃纤维或玄武岩纤维，所述纬线含有电热元件， 该电热元件为碳纤维，沿格栅边缘长度方向上间隔均匀的留有接线端，接线端 的纬线与导线通过铜片接头固定连接，所述接线端均位于格栅同侧，所述纬线 为玻璃纤维或玄武岩纤维，纬线上粘贴有碳纤维束，碳纤维束外表还有绝缘层 和保护钢丝网，碳纤维束通过耐高温胶带固定在纬线上，形成电缆式土工格栅。
上述实施例中的所有铜片接头布置在格栅同侧，以使格栅埋入路面后全部 引出的导线能够布置在道路的同侧，便于接入电源和检修，避免格栅左右两侧 均有导线，导致接线不方便和凌乱的问题。碳纤维与导线的连接方式是：将铜 丝导线缠绕在碳纤维束上，然后采用铜片接头将缠绕处和玻璃纤维或玄武岩纤 维包在一起，最后在铜片接头表面涂绝缘胶。可采用12K、24K、36K、48K或60K 碳纤维编织，格栅宽幅可为0.6～7.5m。宽幅为0.6m的格栅可用于铺设人行道， 或在路面上局部铺设，其它宽幅的格栅可以根据路面宽度需要选取。将格栅划 分为若干电热单位，各电热单位采用并联连接，接入220V或36V电路，电功 率可达100～1200W/m²。
将上述实施例中的两铜片接头之间的区间定义为一个发热单元碳纤维的配 置按下面的公式：
L b n P＝U²/R    (公式1)
(L+b)R′n＝R    (公式2)
其中，L——格栅幅宽(单位m)
n——格栅一个发热单位中的碳纤维纬纱总数(或碳纤维电缆经过的纬纱 数)，为偶数。
b——相邻碳纤维间距(单位m)，为格栅网孔尺寸的整数倍。
P——发热电功率(单位W/m²)
U——通电额定电压(单位为V)
R——格栅一个发热单位中的碳纤维总电阻(单位为Ω)
R′——碳纤维束单位长度的电阻(Ω/m)
将公式2代入公式1得：
P = U 2 L ( L + b ) bn 2 R ′ ]]>    (公式3)
由公式3，可以根据格栅幅宽要求、使用电压、功率需求选择碳纤维和划分电热 单位(即接线位置或碳纤维电热电缆的长度)。
表1和表2列出了若干种典型的电热格栅有关参数。幅宽为0.6m、2.0m、3.75m 和7.5m等，使用额定电压分别为220V和36V，以12K碳纤维的电阻定为35欧 姆/m计算。其它宽幅的格栅均可以按公式3设计。
表1 碳纤维格栅中碳纤维的选型、电热单位划分和功率(额定电压220V)


表2 碳纤维格栅中碳纤维的选型、电热单位划分和功率(额定电压36V)

将本发明所述的土工格栅用于制造的电热路面构造如下：按C30混凝土配制 路面最下层，配合比为：水泥∶水∶砂∶碎石＝1∶0.4∶1.23∶3。水泥为华新水泥 股份公司生产的42.5普通硅酸盐水泥；砂为本地普通河砂；粗集料为本地产碎 石(粒径为20～40mm)。将配好的水泥、砂、碎石和水在搅拌机中搅拌约3～5min， 待搅拌均匀后用振动棒振捣密实，复合路面下层厚度为16cm。捣实抹平后在上 面铺一层玻璃纤维布用作隔热层，玻璃纤维布上下抹水泥砂浆，总厚度1cm。玻 璃纤维布导热系数较混凝土低，减缓了向下的传热速率，一定程度上减少向下 传递的热量。然后再铺设碳纤维复合土工格栅，最后在格栅上铺C30混凝土， 厚度约5cm。
在环境温度为-13℃～-16℃的条件下，在600W/m²、500W/m²、400W/m²电功率作 用下路面温度达到2℃所需时间分别为198min、243min、280min。在300W/m² 功率作用时，需持续通电660min后路面温度才达到1.8℃。在环境温度为-15℃ 的条件时，在500W/m²电功率下，通电480min左右后，3mm厚的冰层基本化完。