一种路用融冰雪发热地席及其路面施工方法与流程

文档序号：11508212阅读：363来源：国知局

本发明属于城市道路和灾害防治领域，更具体地说是一种路用发热地席及其路面施工方法，用于对积雪或者结冰的路面通过加热使冰雪快速消融，并通过各种施工措施增强道路结构的层间接触力，发挥融冰雪路面功能的同时，尽可能减少对原道路的破坏和使用。

背景技术：

冬天路面的积雪和结冰对人们出行造成诸多不便，同时给道路畅通和行车安全带来了严重影响。在冰雪天气中，路面附着能力大大降低，对车辆行驶的动力性及安全性极为不利。现有常用的路面融雪除冰方法主要包括人工或机械清除法、撒融雪剂等，融雪效果都不理想，且只能在出现冰雪路面的情况下再进行融雪，不能在冰雪积在路面之前进行预防。

20世纪90年代初期，国外电热技术引入国内，将发热电缆埋设在路面下，通电后产生热量可以消除路面的积雪和化冰。但对工程应用的一些主要问题，包括如何进行实际工程设计，如何避免电缆本身对路面结构的分层破坏等均未能给出良好的解决办法。

目前较为成熟的发热电缆的铺设方式主要有以下两种：一种是刻槽，通过刻槽方式将碳纤维线镶嵌于中面层内部，不影响上面层摊铺碾压施工，且对层间粘结的影响较小，但是刻槽的深度与宽度需要根据所选取的碳纤维发热线规格确定,且破坏了中面层本身的结构，增加了施工的工作流程，无法适用于多种电缆类型；另一种是制成发热电缆格栅进行铺设，但是发热电缆和格栅的存在直接影响了层间粘结，容易造成沥青面层的推移、拥包，缩短了道路使用寿命，市场上大多数的预制格栅是由高强非隔热材料制成，为方便施工绑扎，发热电缆多置于格栅的空格处，进行蛇形排布，其热量传递相当分散，耗时长、耗能大。这些已有的方法电缆不易铺设，施工过程中会提前发生电缆移位等破坏；同时，路面结构分层过多，影响路面的整体稳定性和层间力学强度，尤其是在重型车急刹车的状况下可能会使路面层间发生位移，极大地影响路面使用寿命。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提出一种路用融冰雪发热地席及其路面施工方法，以期提高热效率并增强层间稳定性，延长融冰雪路面的使用寿命。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明路用融冰雪发热地席的结构特点是：所述发热地席是铺装在道路中面层上，所述道路中面层之下为道路基层，所述道路基层之下为道路地基，所述发热地席之上为道路上面层，所述发热地席是将发热电缆铺设在按路面平面形状设置的隔热格栅上，并利用卡带与隔热格栅固定连接，构成预制成型的整体构件；所述隔热格栅由隔热材料制成，利用隔热格栅设定形状将发热地席预制为用于铺装在直线路面中的呈直线的直道地席，以及铺装在弯道路面中的呈扇环的弯道地席；

所述直道地席是将隔热格栅设置为矩形隔热格栅，发热电缆在矩形隔热格栅上按等间距蛇形排布为直道蛇形发热电缆；所述弯道地席是将隔热格栅按弯道路面的弧度设置为扇环隔热格栅，发热电缆在扇环隔热格栅上按蛇形排布，并且，相邻两道发热电缆之间的距离自弯道路面的弯道内侧朝向弯道外侧渐大，形成按扇环排布的扇环蛇形发热电缆；

所述矩形隔热格栅是由隔热栅条构成，包括矩形边框栅条、等距间隔设置的横向栅条，以及连接在相邻横向栅条之间的纵向栅条；所述横向栅条垂直于行车方向，所述纵向栅条平行于行车方向；发热电缆在所述矩形边框栅条以及相邻的两道横向栅条上铺装形成口部和底部等宽的“u”形区域；处在相邻的“u”形区域中的纵向栅条在横向位置上交错排列，以纵向表征平行于行车方向，以横向表征垂直于行车方向；

所述扇环隔热格栅是由隔热栅条构成，包括扇环边框栅条、呈射状均匀分布的径向栅条，以及连接在相邻径向栅条之间的弦向栅条，发热电缆在扇环边框栅条以及相邻的两道径向栅条上铺装形成口部和底部不等宽的“u”形区域；所述弦向栅条沿扇环的弦线方向设置，处在相邻的“u”形区域中的弦向栅条在沿扇环的径向上位置交错。

本发明路用融冰雪发热地席的结构特点也在于：

设置相邻横向栅条之间的间距a1为：

px为发热电缆的线功率，单位为w/m，

p为设定的直道地席的单位面积铺装功率，单位为w/m²；

同时，按如下要求限定间距a1的最大值：依据当地气候和环境温度，将p取为300～500w/m²，将px取为25～30w/m，按式(1)获得a1的最大值为0.05～0.1m；并按如下要求限定间距a1的最小值：取a1为电缆弯折处半圆的直径d，d为发热电缆直径的2～8倍，发热电缆的直径取为0.005～0.01m，则a1的最小值为0.01～0.08m；

据此，设定a1的取值为0.05～0.08m。

本发明路用融冰雪发热地席的结构特点也在于：

直道地席的层间整体面积占用率sm1由式(2)表征：

式(2)中，a为矩形隔热格栅的纵向长度，b为矩形隔热格栅的横向长度，d1为矩形隔热格栅中隔热栅条的宽度，取n1为每个“u”形区域中的纵向栅条的根数；

将d1取为0.006～0.01m，若n1取0，则根据式(2)计算获得sm1为9.3％～23％；依据实验获得，当层间整体面积占用率sm1为20％时，层间稳定性最佳；故而取n1的值使式(2)中的层间整体面积占用率sm1的值为18～23％。

弯道地席，弯道地席的层间整体面积占用率sm2由式(3)表征：

式(3)中，a2为处在外弧一端相邻两道径向栅条之间的间距，c为扇环隔热格栅的外弧弧长，d为扇环隔热格栅的内弧弧长，r1为外弧半径，r2为内弧半径，θ为扇环隔热格栅的圆心角，r＝r1-r2，d2为扇环隔热格栅中隔热栅条的宽度，n2为每个“u”形区域中的弦向栅条的根数；取n2的值使式(3)中的占用率sm2的值为18～23％。

本发明路用融冰雪发热地席的施工方法的特点是：将直道地席和弯道地席按半幅路面宽度进行设置，在已完成铺设的道路中面层上，对于任意一侧半幅路面按如下步骤进行施工：

步骤1：清扫道路中面层浮尘，并且使顶面集料颗粒表面外露，然后采用乳化沥青喷洒车按照0.2～0.4l/m²的用量在道路中面层上均匀喷洒乳化沥青，形成第一道乳化沥青面；

步骤2：在所述第一道乳化沥青面上，沿着一个方向逐片铺装发热地席，并连接电缆，完成目标段半幅路面发热地席的铺装；

步骤3：人工在纵向栅条和弦向栅条上打入卡钉，将发热地席固定在道路中面层上；

步骤4：在发热地席上，采用沥青混合料人工摊铺两条平行于行车方向的轨道，所述沥青混合料与上面层的物料相同；所述轨道是按照胶轮摊铺机的轮间距和轮胎宽度进行铺设，作业中的胶轮摊铺机是在轨道上运行，轨道的厚度不小于发热电缆的直径，以避免胶轮摊铺机损伤发热电缆；

步骤5：采用乳化沥青喷洒车在轨道上运行，并按照0.2～0.4l/m²的用量针对铺装有发热地席的道路中面层二次喷洒乳化沥青，形成第二道乳化沥青面；

步骤6：采用胶轮摊铺机推动运料车，且胶轮摊铺机和运料车均保持在轨道上运行，利用胶轮摊铺机和运料车同步输料并摊铺沥青混合料，再对摊铺的沥青混合料进行压实形成道路上面层；所述压实包括依次进行的初压、复压和终压。

本发明路用融冰雪发热地席的施工方法的特点也在于：在纵向坡道上，对于道路上面层的沥青混合料的摊铺和压实，是按由高处往低处的方向进行输料、摊铺和压实。

本发明路用融冰雪发热地席的施工方法的特点也在于：对于所述纵向坡道：

若纵向坡道的坡度小于3％，在完成轨道的摊铺之后，乳化沥青撒布车、胶轮摊铺机和运输车直接投入摊铺作业，并控制胶轮摊铺机的速度为1～3m/min；

若纵向坡道的坡度在3％-6％，在完成轨道的摊铺之后，首先采用手持式压路机将轨道压实，随后，乳化沥青撒布车、胶轮摊铺机和运输车投入摊铺作业，并控制胶轮摊铺机的速度为3～5m/min。

本发明路用融冰雪发热地席的施工方法的特点也在于：在复压时，

首先使用25t～30t的胶轮压路机按不大于2km/h的行驶速度静压碾压1-2遍，然后采用振动压路机按不大于2km/h的行驶速度振动碾压x次；

按如下方式设置振动压路机的碾压次数x：

通过室内实体实验建立表达式如式(4)：y＝k-a×exp(-bx)(4)

y为实时检测获得的上面层沥青混合料压实度，k为上面层沥青混合料压实度设定值，k取值为96，kmin为上面层完成摊铺时的初始压实度，kmax是经振动压路机碾压18次后上面层的压实度，a和b为系数，并有：a＝k-kmin，b＝(k-kmin)/k

经实验获得：

当sm1或sm2小于10％时，a＝21.78，b＝0.17，则根据设定达到的压实度y1，利用式(5)计算获得振动压路机的碾压次数x1：

y1＝96-21.78×exp(-0.17x1)(5)

当sm1或sm2为10％～14％时，a＝20.75，b＝0.15，则根据设定达到的压实度y2，利用式(6)计算获得振动压路机的碾压次数x2：

y2＝96-20.75×exp(-0.15x2)(6)

当sm1或sm2为15％～20％时，a＝20，b＝0.13，则根据设定达到的压实度y3，利用式(7)计算获得振动压路机的碾压次数x3：

y3＝96-20×exp(-0.13x3)(7)。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明发热地席为预制结构，可以大大提高施工现场的摊铺效率；采用隔热材料制成的隔热格栅可以有效阻隔发热电缆的热量向下传递，提高热量利用率。

2、根据现场单位面积铺装功率以及电缆的弯折半径，调整隔热格栅横向格栅的间距，对环境和材料更加有针对性；根据隔热格栅层间占用面积率的控制要求，调整纵向栅条或弦向栅条的根数，既能满足工程要求，又能对路面起到加筋的效果。

3、本发明施工方法通过铺设轨道，乳化沥青撒布车、运料车以及胶轮摊铺机均沿着轨道行驶，严禁使用履带式摊铺机；在纵向坡道上按照由高处往低处的方向进行输料摊铺，沿车辆行驶方向进行碾压；可以有效防止发热地席在施工过程中出现被压坏、被拉扯卷起、推移滑动等危害，有效提高施工的质量和进度。

4、本发明施工方法中分两次喷洒乳化沥青、卡钉固定发热地席、根据发热地席层间面积占用率sm1或sm2设定碾压次数等措施，使发热地席与上、下面层的接触更加稳定，有效增加路用发热地席的层间稳定性，减少道路破坏，延长融冰雪路面的使用寿命。

附图说明

图1为本发明中所涉及的道路结构横断面示意图；

图2为本发明中直道地席结构示意图；

图3为本发明中弯道地席结构示意图；

图4为本发明中直道地席的隔热格栅结构示意图；

图5为本发明中弯道地席的隔热格栅结构示意图；

图6为本发明中施工方法示意图；

图中标号：1道路上面层，2发热地席，3道路中面层，4道路基层，5道路地基，6a直道蛇形发热电缆，6b扇环蛇形发热电缆，7a矩形隔热格栅，7b扇环隔热格栅，8a矩形边框栅条，9a横向栅条，10a纵向栅条，8b扇环边框栅条，9b径向栅条，10b弦向栅条，11卡带，12卡钉，13轨道，14运料车，15胶轮摊铺机，16压路机，17中间带。

具体实施方式

参见图1，本实施例中路用发热地席2是铺装在道路中面层3上，道路中面层3之下为道路基层4，道路基层4之下为道路地基5，发热地席2之上为道路上面层1。

参见图2和图3，发热地席2是将发热电缆6铺设在按路面平面形状设置的隔热格栅7上，并利用卡带11与隔热格栅7固定连接，构成预制成型的整体构件；隔热格栅7由隔热材料制成，利用隔热格栅7设定形状将发热地席2预制为用于铺装在直线路面中的呈直线的直道地席，以及铺装在弯道路面中的呈扇环的弯道地席。

参见图2，直道地席是将隔热格栅设置为矩形隔热格栅7a，发热电缆在矩形隔热格栅7a上按等间距蛇形排布为直道蛇形发热电缆6a；弯道地席是将隔热格栅按弯道路面的弧度设置为扇环隔热格栅7b，发热电缆在扇环隔热格栅7b上按蛇形排布，并且，相邻两道发热电缆之间的距离自弯道路面的弯道内侧朝向弯道外侧渐大，形成按扇环排布的扇环蛇形发热电缆6b。

参见图4，矩形隔热格栅7a是由隔热栅条构成，包括矩形边框栅条8a、等距间隔设置的横向栅条9a，以及连接在相邻横向栅条之间的纵向栅条10a；横向栅条9a垂直于行车方向，纵向栅条10a平行于行车方向；发热电缆在矩形边框栅条8a以及相邻的两道横向栅条9a上铺装形成口部和底部等宽的“u”形区域；处在相邻的“u”形区域中的纵向栅条10a在横向位置上交错排列，以纵向表征平行于行车方向，以横向表征垂直于行车方向。本实施例中发热地席的结构形式大大减少了地席结构的自身面积，有效增加了道路上面层和道路中面层的接触面积，增强层间稳定性。

本实施例中发热地席的结构形式可以有效动态地控制地席结构本身的面积，一方面可以避免地席结构本身的面积过大，影响层间稳定性，另一方面，可以实时调整纵向栅条和弦向栅条的根数以达到实验所得的层间整体面积占用率的最优值。

针对路用发热地席，设置相邻横向栅条之间的间距a1为：

px为发热电缆的线功率，单位为w/m,

p为设定的直道地席的单位面积铺装功率，单位为w/m²；

据此，设定a1的取值为0.05～0.08m。

直道地席2a的层间整体面积占用率sm1由式(2)表征：

式(2)中，a为矩形隔热格栅7a的纵向长度，b为矩形隔热格栅7a的横向长度，d1为矩形隔热格栅7a中隔热栅条的宽度，取n1为每个“u”形区域中的纵向栅条的根数；

将d1取0.006～0.01m，若n1取0，则根据式(2)计算获得sm1为9.3％～23％；依据实验获得，当层间整体面积占用率sm1为20％时，层间稳定性最佳；故而取n1的值使式(2)中的占用率sm1的值为18～23％。

层间整体面积占用率sm1或sm2直接影响路面层间接触强度，根据实验可知，当层间整体面积占用率sm1或sm2处于18～23％时，层间接触强度最大。直道地席中隔热格栅的横状格栅的间隔a1、纵向格栅的个数n1以及层间整体面积占用率sm1或弯道地席中隔热格栅的处在外弧一端相邻两道径向栅条之间的间距a2、弦向栅条的根数n2以及层间整体面积占用率sm2相互制约。

若由横状格栅的间隔a1和矩形隔热格栅中隔热栅条的宽度d1所求出的层间整体面积占用率sm1或由处在外弧一端相邻两道径向栅条之间的间距a2和扇环隔热格栅中隔热栅条的宽度d2所求出的层间整体面积占用率sm2满足小于20％，则取此横向格栅的间隔a1和处在外弧一端相邻两道径向栅条之间的间距a2为设计间距，n1和n2为取令层间整体面积占用率sm1和sm2最接近20％的值作为纵向栅条和弦向栅条的设计根数。

若由横状格栅的间隔a1和矩形隔热格栅中隔热栅条的宽度d1所求出的层间整体面积占用率sm1或由处在外弧一端相邻两道径向栅条之间的间距a2和扇环隔热格栅中隔热栅条的宽度d2所求出的层间整体面积占用率sm2大于20％，则取此横向格栅的间隔a1和处在外弧一端相邻两道径向栅条之间的间距a2为设计间距，n1和n2均取1作为纵向栅条和弦向栅条的设计根数。

参见图5，扇环隔热格栅7b是由隔热栅条构成，包括扇环边框栅条8b、呈射状均匀分布的径向栅条9b，以及连接在相邻径向栅条之间的弦向栅条10b，发热电缆在扇环边框栅条8b以及相邻的两道径向栅条9b上铺装形成口部和底部不等宽的“u”形区域；弦向栅条10b沿扇环的弦线方向设置，处在相邻的“u”形区域中的弦向栅条在沿扇环的径向上位置交错。

弯道地席2b的层间整体面积占用率sm2由式(3)表征：

式(3)中，a2为处在外弧一端相邻两道径向栅条之间的间距，c为扇环隔热格栅7b的外弧弧长，d为扇环隔热格栅7b的内弧弧长，r1为外弧半径，r2为内弧半径，θ为扇环隔热格栅7b的圆心角，r＝r1-r2，d2为扇环隔热格栅7b中隔热栅条的宽度，n2为每个“u”形区域中的弦向栅条的根数；取n2的值，使式(2)中的占用率sm2的值为18～23％。

参照图6，本实施例中路用发热地席的施工方法是：将直道地席和弯道地席按半幅路面宽度进行设置，在路面上以中间带17形成半幅路面，在已完成铺设的道路中面层上，对于任意一侧半幅路面按如下步骤进行施工：

步骤1：清扫道路中面层3浮尘，并且使顶面集料颗粒表面外露，然后采用乳化沥青喷洒车按照0.2～0.4l/m²的用量在道路中面层3上均匀喷洒乳化沥青，形成第一道乳化沥青面；乳化沥青为pc-3或pa-3乳化沥青，若有遗漏处，进行人工补撒；若有积聚，刮除多出的部分，使乳化沥青不在表面形成油膜或流淌。

步骤2：在第一道乳化沥青面上，沿着一个方向逐片铺装发热地席，并连接电缆，完成目标段半幅路面发热地席2的铺装。

步骤3：人工在纵向栅条和弦向栅条上打入卡钉12，将发热地席2固定在道路中面层3上；由于地席的纵向栅条和弦向栅条呈交错设置，所以卡钉12也呈交错设置，卡钉的覆盖范围大大提高，可以有效增强地席结构与道路中面层的接触强度。

步骤4：在发热地席2上，采用沥青混合料人工摊铺两条平行于行车方向的轨道13，沥青混合料与上面层1的物料相同；轨道13是按照胶轮摊铺机的轮间距和轮胎宽度进行铺设，作业中的胶轮摊铺机是在轨道上运行；轨道13的厚度不小于发热电缆的直径，以避免胶轮摊铺机损伤发热电缆。

步骤5：采用乳化沥青喷洒车在轨道13上运行，并按照0.2～0.4l/m²的用量针对铺装有发热地席2的道路中面层3二次喷洒乳化沥青，形成第二道乳化沥青面。此次喷洒的主要目的是对格栅以及电缆周围区域进行喷洒，由于地席结构将初次喷洒的乳化沥青覆盖，所以需要进行二次喷洒，以达到增强地席结构与上面层接触强度的目的。由于地席结构覆盖住了初次喷洒的乳化沥青，所以地席上表面以及电缆表面需要二次喷洒乳化沥青，以达到增强地席结构与上面层接触强度的目的。

步骤6：采用胶轮摊铺机15推动运料车14，且胶轮摊铺机15和运料车14均保持在轨道13上运行，利用胶轮摊铺机15和运料车14同步输料并摊铺沥青混合料，再对摊铺的沥青混合料进行压实形成上面层1；压实包括依次进行的初压、复压和终压。

在既没有坡度的变化，也没有角度的变化的平直段上沿车辆行驶方向进行碾压，自外侧向道路中心线逐步交替进行，每次交替重叠碾压宽度不少于50cm；在超高路段，沿车辆行驶方向进行碾压，自靠超高内侧向道路超高外侧逐步交替进行，每次交替重叠碾压宽度不少于50cm；在纵向坡道上应将摊铺机的驱动轮从高处向低处行驶碾压。这一碾压方式可有效防止发热电缆在施工中发生位移，防止地席结构以及发热电缆在施工过程中被拉扯、卷起，产生错位等危害，影响施工质量。

对于纵向坡道：

若纵向坡道的坡度小于3％，在完成轨道的摊铺之后，乳化沥青撒布车、胶轮摊铺机和运输车直接投入摊铺作业，并控制胶轮摊铺机的速度为1～3m/min；

初压是，首先预热钢轮压路机16，然后采用钢轮压路机16跟随胶轮摊铺机实施静压碾压1～2遍。

复压是，首先使用25t～30t的胶轮压路机按不大于2km/h的行驶速度静压碾压1-2遍，然后采用振动压路机按不大于2km/h的行驶速度振动碾压x次。

按如下方式设置振动压路机的碾压次数x：

通过室内实体实验建立表达式如式(4)：y＝k-a×exp(-bx)(4)

y为实时检测获得的上面层沥青混合料压实度，k为上面层沥青混合料压实度设定值，k取值为96，kmin为上面层完成摊铺时的初始压实度，kmax是经振动压路机碾压18次后上面层的压实度，a和b为系数，并有：a＝k-kmin，b＝(k-kmin)/k；