一种混凝土预制构件养护-维护一体化电热系统和方法

1.一种混凝土预制构件养护-维护一体化电热系统，应用于混凝土构件的快速制造阶段和寒区维护阶段，所述快速制造阶段为混凝土浇筑振实后进行养护得到所述混凝土构件的阶段，所述寒区维护阶段为所述混凝土构件表面的供暖或冰雪融化的阶段，其特征在于，所述混凝土预制构件养护-维护一体化电热系统包括混凝土模型、碳纤维发热组和温度控制设备；所述混凝土模型，内部放置碳纤维发热组，外部安装保温模具，用于在所述快速制造阶段，对浇筑的混凝土进行固定支撑和保温，以使浇筑的混凝土快速养护成型后得到所述混凝土构件；所述碳纤维发热组，设置于所述混凝土模型的内部，既作为快速制造阶段地快速养护的电加热元件，用于通电后产生热量对预制的混凝土构件进行快速养护，又在混凝土构件的寒区维护阶段通电后提供供暖或融雪化冰功能；所述温度控制设备，与所述碳纤维发热组连接，用于实时采集环境温度和控制功率，并根据所述环境温度调节所述碳纤维发热组电加热时的温度，以使在所述快速制造阶段，所述混凝土构件的温度处于第一温度区间；以及在所述寒区维护阶段，所述混凝土构件的温度处于第二温度区间；所述第一温度区间为满足所述混凝土构件的快速养护需求对应的温度区间，所述第二温度区间为满足所述混凝土构件表面的供暖或融雪化冰需求对应的温度区间；所述碳纤维发热组包括若干并联的条状碳纤维束，所述条状碳纤维束的两端分别通过电极与一根供电电缆的一端连接，所述供电电缆的另一端与所述温度控制设备连接；对混凝土构件内部的条状碳纤维束通电，由于焦耳热效应和热传导，并使混凝土构件达到所需温度，遵循以下公式计算：P＝[h·A·(T-t)+m·c(T-T 始 )/△t]·a；其中，P是功率，单位为w，h是碳纤维束热传递系数，单位为w/m 2 ·℃，A是碳纤维束布置表面积，单位为m 2 ，T是混凝土构件所需温度，单位为℃，t是环境温度，单位为℃，m是混凝土构件的质量，单位为kg，c是混凝土的比热容，单位为J/(kg·℃)，T 始 是混凝土构件的初始温度，单位为℃，Δt是升温所需时间，单位为s，a是修正系数；在快速制造阶段，采取3-4倍的维持功率快速升温；在寒区维护阶段，采取1-2倍的维持功率快速升温；所述温度控制设备包括温度采集模块和电压电流控制模块；所述温度采集模块与所述电压电流控制模块连接，所述电压电流控制模块还与所述供电电缆连接；所述温度采集模块用于实时采集所述环境温度，所述电压电流控制模块用于根据所述环境温度，通过调节所述碳纤维发热组输入的电压和电流的大小，来控制所述碳纤维发热组电加热时的温度；所述温度采集模块包括测温线，测温线包括金属头，金属头靠近所述混凝土模型的表面，金属头用于实时采集所述环境温度；电极采用高导电石墨胶的方式与条状碳纤维束、供电电缆相连接；条状碳纤维束的材质为环氧树脂-碳纤维束复合材料；所述条状碳纤维束和所述供电电缆的连接处包裹有一层环氧树脂层，所述环氧树脂层的表面还包裹有一层热缩管；所述碳纤维发热组绑扎在钢筋网上，在混凝土模型中均匀分布四个混凝土垫块，绑好碳纤维发热组的钢筋网放置在混凝土垫块上，确保碳纤维发热组距离混凝土模型下表面20mm处；所述测温线固定在钢筋网上，确保测温线的金属头在距离混凝土模型表面20mm距离以内；还包括高反射性板，高反射性板设置于混凝土构件的上表面，且与所述碳纤维发热组相对设置，高反射性板用于反射所述碳纤维发热组产生的热量；高反射性板的材质为聚氨酯-碳纤维复合材料；在寒区维护阶段，混凝土构件反向放置，高反射性板位于混凝土构件的下表面。 2.根据权利要求1所述的混凝土预制构件养护-维护一体化电热系统，其特征在于，所述混凝土构件在快速养护并且脱模形成单一成品，其靠近碳纤维发热组的表面设置0.5mm-2mm厚的石墨基导热涂层或石墨烯导热涂层。 3.根据权利要求1所述的混凝土预制构件养护-维护一体化电热系统，其特征在于，所述第一温度区间为45-55℃，所述第二温度区间为40-50℃。 4.一种混凝土预制构件养护-维护一体化电热方法，应用于混凝土构件的快速制造阶段和寒区维护阶段，所述快速制造阶段为混凝土浇筑振实后进行养护得到所述混凝土构件的阶段，所述寒区维护阶段为所述混凝土构件表面的供暖或冰雪融化的阶段，其特征在于，所述混凝土预制构件养护-维护一体化方法包括以下步骤：所述快速制造阶段：利用混凝土模型对浇筑的混凝土进行固定支撑和保温，形成混凝土构件；利用碳纤维发热组，通电后产生热量，对所述混凝土构件进行电加热；利用温度控制设备实时采集环境温度，并根据所述环境温度调节所述碳纤维发热组电加热时的温度，以使所述混凝土构件的温度处于第一温度区间，所述第一温度区间为满足所述混凝土构件的快速养护需求对应的温度区间；所述寒区维护阶段：利用所述碳纤维发热组，通电后产生热量，对所述混凝土构件进行电加热；利用所述温度控制设备实时采集环境温度，并根据所述环境温度调节所述碳纤维发热组电加热时的温度，以使所述混凝土构件的温度处于第二温度区间，所述第二温度区间为满足所述混凝土构件表面的供暖或融雪化冰需求对应的温度区间；其中，所述碳纤维发热组包括若干并联的条状碳纤维束，所述条状碳纤维束的两端分别通过电极与一根供电电缆的一端连接，所述供电电缆的另一端与所述温度控制设备连接；对混凝土构件内部的条状碳纤维束通电，由于焦耳热效应和热传导，并使混凝土构件达到所需温度，遵循以下公式计算：P＝[h·A·(T-t)+m·c(T-T 始 )/△t]·a；其中，P是功率，单位为w，h是碳纤维束热传递系数，单位为w/m 2 ·℃，A是碳纤维束布置表面积，单位为m 2 ，T是混凝土构件所需温度，单位为℃，t是环境温度，单位为℃，m是混凝土构件的质量，单位为kg，c是混凝土的比热容，单位为J/(kg·℃)，T 始 是混凝土构件的初始温度，单位为℃，Δt是升温所需时间，单位为s，a是修正系数；在快速制造阶段，采取3-4倍的维持功率快速升温；在寒区维护阶段，采取1-2倍的维持功率快速升温；所述温度控制设备包括温度采集模块和电压电流控制模块；所述温度采集模块与所述电压电流控制模块连接，所述电压电流控制模块还与所述供电电缆连接；所述温度采集模块用于实时采集所述环境温度，所述电压电流控制模块用于根据所述环境温度，通过调节所述碳纤维发热组输入的电压和电流的大小，来控制所述碳纤维发热组电加热时的温度；所述温度采集模块包括测温线，测温线包括金属头，金属头靠近所述混凝土模型的表面，金属头用于实时采集所述环境温度；电极采用高导电石墨胶的方式与条状碳纤维束、供电电缆相连接；条状碳纤维束的材质为环氧树脂-碳纤维束复合材料；所述条状碳纤维束和所述供电电缆的连接处包裹有一层环氧树脂层，所述环氧树脂层的表面还包裹有一层热缩管；所述碳纤维发热组绑扎在钢筋网上，在混凝土模型中均匀分布四个混凝土垫块，绑好碳纤维发热组的钢筋网放置在混凝土垫块上，确保碳纤维发热组距离混凝土模型下表面20mm处；所述测温线固定在钢筋网上，确保测温线的金属头在距离混凝土模型表面20mm距离以内；还包括高反射性板，高反射性板设置于混凝土构件的上表面，且与所述碳纤维发热组相对设置，高反射性板用于反射所述碳纤维发热组产生的热量；高反射性板的材质为聚氨酯-碳纤维复合材料；在寒区维护阶段，混凝土构件反向放置，高反射性板位于混凝土构件的下表面。 5.一种多模块组合电热系统，其特征在于，基于权利要求1所述的混凝土构件，采用板状的所述混凝土构件形成混凝土板，多个内置碳纤维束的混凝土板按照特定的电路组合方式连接，形成用于寒区维护网络系统；每若干块混凝土板串联组成一个组，多个组并联连接，通过优化电路设计，降低总功率消耗，实现能源利用的最大化；每相邻的两块混凝土板之间的间距控制在10mm～20mm之间，间隙采用改性沥青密封胶填充；所述多模块组合电热系统包括嵌入于每个混凝土板内的温度传感器，用于实时监测板内温度；分区控制单元连接若干块串联的混凝土板，负责本分区的加热控制和数据采集；中央控制单元与各分区控制单元通信，接收温度数据，动态调节供电电压和电流，实现对各混凝土板的加热功率控制；功率控制装置连接在中央控制单元与碳纤维加热带之间，调节电压和电流；所述多模块组合电热系统采用智能控制和分区控制策略，根据实时环境和路面状况，动态调整加热策略，优化能源利用。