碳纖維是一種新型的高性能纖維增強(qiáng)材料，具有高強(qiáng)度，高模量，耐高溫，耐磨，抗疲勞，耐腐蝕，抗蠕變，導(dǎo)電和導(dǎo)熱等諸多優(yōu)異性能。它可減輕構(gòu)件重量，從而提高了構(gòu)件技術(shù)性能。因此用碳纖維作為電熱體有著金屬、PTC等電熱體所不可比擬的諸多的優(yōu)異性能。

1.升溫迅速；

2.能產(chǎn)生人體需要的生命之光遠(yuǎn)紅外線8μm－15μm；

3.電熱轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)省電能。

碳纖維電熱體是一種全黑體材料，電熱轉(zhuǎn)化效率比金屬發(fā)熱提高30%，電熱效率約。

抗拉強(qiáng)度高，在相同的允許的電流負(fù)荷面積下，碳纖維的強(qiáng)度比金屬絲高6—10倍，在使用過程中不會發(fā)生折斷，因此在電熱過程中抗拉強(qiáng)度沒有什么改變。

斷線不起弧，有效杜絕火災(zāi)的發(fā)生。

重量輕，有效減輕構(gòu)件重量，從而提高了構(gòu)件技術(shù)性能。

化學(xué)性能穩(wěn)定，耐腐蝕，不易被氧化。在無氧狀態(tài)下加熱到3000度，其機(jī)械性能不發(fā)生任何變化，在電熱狀態(tài)下克服了金屬絲、PTC、碳化硅電熱體強(qiáng)度低，易氧化燒斷的缺點(diǎn)。

使用壽命長

碳纖維發(fā)熱體與建筑同壽命。

路面狀況的好壞是影響道路交通的重要因素,在冬季,當(dāng)水泥混凝土路面因降雪而積雪結(jié)冰時,給行車安全和人民生活帶來了嚴(yán)重的影響,甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損 失。目前世界各國廣泛采用撒鹽(NaCl,CaCl_2)來融雪化冰的方法,嚴(yán)重影響道路路面混凝土的耐久性,對路面設(shè)施造成損害,破壞周圍生態(tài)環(huán)境,因 此尋求新型的融雪化冰方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 

本文將碳纖維發(fā)熱線作為電熱材料鋪設(shè)于混凝土路面中,以路面冬季融雪化冰為研究背景,重點(diǎn)對碳纖維發(fā)熱線混凝土的電熱效應(yīng)融雪化冰的可行性進(jìn)行了研究,同 時應(yīng)用傳熱學(xué)知識,對影響融雪化冰效果的因素進(jìn)行了試驗分析,所做的研究對碳纖維發(fā)熱線用于混凝土路面融雪化冰的工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和參考價值。主要 工作如下: 

(1)根據(jù)能量守恒定律,建立并求解碳纖維發(fā)熱線混凝土電熱升溫和降溫微分方程,得到碳纖維發(fā)熱線混凝土在升溫和降溫階段溫度隨時間的變化曲線,該曲線綜 合反映了混凝土的截面尺寸、散熱面積、電熱功率以及對流輻射換熱系數(shù)對混凝土升降溫過程的影響。通過試驗測試布置碳纖維混凝土的電熱升溫和降溫曲線,試驗 結(jié)果與理論計算值吻合較好。

(2)利用碳纖維發(fā)熱線的電熱效應(yīng)進(jìn)行路面融雪化冰時,對流輻射換熱損失是影響路面融雪化冰效果的主要因素,而風(fēng)力等級、環(huán)境溫度、有無隔熱層等對熱量損 失有很大影響。通過分析混凝土大板在不同的輸入功率下板表面溫升與風(fēng)力等級、環(huán)境溫度的關(guān)系,得到風(fēng)力等級、環(huán)境溫度對板表面溫升效果的影響;通過對混凝 土小板有、無隔熱層的溫升試驗研究,得到有、無隔熱層時板表面溫升效果的差別。 

(3)建立碳纖維發(fā)熱線混凝土板融雪化冰的試驗裝置,對碳纖維發(fā)熱線混凝土板的發(fā)熱均勻性進(jìn)行試驗測試,研究結(jié)果表明,當(dāng)間距為10 cm時,碳纖維發(fā)熱線混凝土通電后,混凝土板表面能產(chǎn)生均勻分布的熱量,以滿足均勻融化冰雪的需要。

(4)對碳纖維發(fā)熱線混凝土小板進(jìn)行室內(nèi)(冰柜)融化冰雪的試驗研究,得到輸入功率、環(huán)境溫度和冰雪層的厚度對融化時間的影響,在此基礎(chǔ)上,對混凝土大板 在野外進(jìn)行了融雪化冰應(yīng)用試驗研究。研究結(jié)果表明,當(dāng)鋪裝功率為500 W/m~2～1000 W/m~2時,利用碳纖維發(fā)熱線混凝土板通電后產(chǎn)生的熱量能夠有效地清除路面上的冰雪,滿足冬季道路融雪化冰的需要。

(5)發(fā)熱線混凝土板融雪化冰的溫度場有限元分析采用結(jié)冰的路面作為研究對象。由試錯法根據(jù)溫升試驗的溫度監(jiān)測結(jié)果確定溫度場有限元分析中的重要參數(shù)：混凝土導(dǎo)熱系數(shù),再將該導(dǎo)熱系數(shù)運(yùn)用于混凝土板的融雪化冰有限元分析計算中。與試驗結(jié)果相比,數(shù)值結(jié)果較準(zhǔn)確模擬了布置發(fā)熱線的混凝土板融雪化冰的過程,證明了該計算方法的可行性。混凝土路面融雪化冰的有限元預(yù)測分析給出了不同天氣條件下3-4小時內(nèi)融雪化冰的輸入功率和發(fā)熱線布置間距。該預(yù)測分析為實(shí)際工程中混凝土板內(nèi)發(fā)熱線設(shè)計及輸入功率的選取提供了參考和借鑒。