导电混凝土电热除冰化雪的功率分析

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用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土研究现状

用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土研究现状收稿日期:2006210223作者简介:张　军(19792),男,山东科技大学土木建筑学院硕士研究生,山东青岛　266510张　军摘　要:对目前用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土的研究现状进行了综述,从应用材料、融雪化冰机理、外部环境的影响等方面进行了分析,提出了实际应用中还需解决的问题,为今后的进一步研究奠定了基础。

关键词:导电混凝土,公路桥梁,材料,外部环境中图分类号:U445.75文献标识码:A 导电混凝土是一种新型的特种功能混凝土,是在普通混凝土中添加一定含量的导电组分材料而制成的一种新型水泥基复合材料。

它既具有普通混凝土承受荷载的能力,又具有良好的导电性和电热特性。

在外加交流或直流电作用下,导电混凝土会因其自身电阻而产生热量,使路面温度升高,从而达到融雪除冰的目的。

水泥混凝土路面在世界各国广泛应用于公路、城市道路、港口码头和机场。

在寒冷的冬季,当水泥混凝土因降雪而积雪结冰时,给道路畅通和行车安全带来了严重的影响,甚至会造成巨大的经济损失。

因此,为了保障道路畅通和行车安全,必须采取措施对混凝土路面进行融雪化冰。

目前世界各国主要通过撒盐(NaCl ,CaCl 2)法来融雪化冰。

该法具有材料来源广泛,价格便宜,化冰融雪效果好等特点。

但是撒盐法也会带来诸多负面效应,如损害混凝土路面,腐蚀路面加强钢筋和汽车车身,污染周围土壤等,造成的经济损失也十分巨大。

因此,研究利用导电混凝土导电发热融雪除冰具有十分重要的现实意义。

目前,国内外对混凝土研究主要集中在以下几个方面。

1　导电混凝土材料的研究导电混凝土要求在满足工程强度的基础上,具有良好的导电性及稳定性。

其主要性能指标包括强度、电导率或电阻率以及满足一些特殊性能要求的干缩性、导热性、耐久性等。

当前,常用于制作水泥基复合导电材料的导电组分基本可分为三类:聚合物类、炭类和金属类。

其中,最常用的是炭类,如石墨粉、焦碳、碳纤维、钢纤维及钢屑。

-导电混凝土解析

导电混凝土的定义
导电混凝土是指由胶凝材料、导电相、介电骨料和水等组分,按照一定配比混合凝结而成的多相复合材料，是由导电相部分或全部取代混凝土中的普通骨料配制而成，具有规定的导电性能和一定力学性能的混凝土。
导电混过凝土的发展历程
二十世纪30-40年代，人们开始研制导电混凝土，前苏联、德国、加拿大、美国、英国等国探索混凝土导电的可能性。五十年代末，前苏联掌握了以水玻璃和水泥作为基材的导电混凝土工艺。二十世纪七十年代，美国、加拿大以及北欧国家为了解决公路和桥面在除冰过程中，因使用除冰盐而造成的混凝土严重腐蚀的问题在采用阴极保护措施的过程中，引出了导电混凝土的研究和应用。二十世纪90年代以来导电混凝土的研究和应用获得了长足的进步。我国在八十年代也开始了对导电混凝土的研究，目前也取得了较大进展。目前研究最多的也就是碳纤维导电混凝土和石墨导电混凝土。
导电混过凝土的分类
根据胶凝材料不同, 可将导电混凝土大体分为三类：（1）无机类（如水泥导电混凝土和水玻璃导电混凝土；（2）有机类( 如沥青导电混凝土和树脂导电混凝土) ；（3）复合类( 如聚合物导电混凝土和浸渍导电混凝土) 。其中，较为常用的有碳质骨料混凝土与树脂导电混凝土。常用的导电组分也分为三类：聚合物类、碳类和金属类。
2、水泥石导电机制此种理论认为是通过水泥石传导，即水泥石的导电。
导电混过凝土的应用
（1）可以替代金属起到屏蔽无线电干扰，防御电磁波的作用，如用于抗电磁屏蔽建筑；（2）用作电工材料，如接地装置建筑物的避雷设备断路器的合闸电阻，消除静电装置金属阴极保护系统等；（3）利用导电产生的热效应进行环境加热，建筑采暖以及道路和机场的融冰化雪；（4）利用它的力-电相关特性制成一种机敏智能材料，可用于混凝土结构的非破损检查评估，也可用于高速公路的自动监控、运动车辆的重量，称量大型结构(如核电站设施大坝)的微裂纹监测等。

导电混凝土融雪化冰机理分析

导电混凝土融雪化冰机理分析
唐祖全;李卓球;侯作富;徐东亮
【期刊名称】《混凝土》
【年(卷),期】2001(000)007
【摘要】本文介绍了导电混凝土的概念及碳纤维混凝土的电热效应;从能量守恒的角度分析了导电混凝土融雪化冰的机理及在不同温度、不同结冰厚度、不向降雪量的条件下,融雪化冰所需的发热功率.计算结果表明,化冰所需的功率P与冰的温度成线性关系;融雪时需要的功率较低.利用导电混凝土融雪化冰能取得较好的效果.【总页数】4页(P8-11)
【作者】唐祖全;李卓球;侯作富;徐东亮
【作者单位】武汉理工大学工程结构与力学系,湖北,武汉,430070;武汉理工大学工程结构与力学系,湖北,武汉,430070;武汉理工大学工程结构与力学系,湖北,武
汉,430070;武汉理工大学工程结构与力学系,湖北,武汉,430070
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.59
【相关文献】
1.碳纤维导电混凝土融雪化冰的实验研究 [J], 侯作富;李卓球;王建军
2.碳纤维导电混凝土融雪化冰的智能控制研究 [J], 侯作富;李卓球;杨唐胜
3.集料掺量对融雪化冰用碳纤维导电混凝土性能的影响 [J], 侯作富;李卓球;王建军
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5.多相复合导电混凝土融雪化冰性能与力学性能研究 [J], 卜胤;奚进;
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多相复合导电混凝土融雪化冰性能与力学性能研究

多相复合导电混凝土融雪化冰性能与力学性能研究
卜盾乙．奚
（江西省交通科学研究院，江西
进
南昌３３０２００）
摘
要：冬季公路桥梁积雪结冰给人们的出行带来严重不便，为解决冬季道路桥梁积雪结冰导致
交通瘫痪的问题．本文研究由碳纤维、钢纤维和石墨组成的多相复合导电混凝土的融雪化冰性能
以及力学性能。试验表明，将多相复合导电混凝土用于道路及桥面融雪化冰中，能最大程度上减
轻冰雪对道路交通的影响。
关键词：多相复合导电混凝土；融雪化冰；力学｝生能；冻融
０前
言
案，优化施工工艺，将导电混凝土用于道路及桥面
融雪化冰中，最大程度上减轻冰雪对道路交通的影
间产生相互接触而形成导电粒子链，产生的粒子导电行为。石墨作为导电性填料可明显改善水泥混凝土的导电性能。同时，钢纤维和碳纤维可在导电
械除冰通常是配合融雪剂除冰，由于冰层和路面之间的粘结力很大，路面或桥面表层处的结冰往往难以彻底清除，在机械破除表层的过程中也会对路面造成一定的破坏，同时也耗费大量的人力、物力和财力。为此，世界各国相关交通部门进行了积极探索。研究出许多抑制、控制或消除冰雪的技术和方法，诸如太阳能蓄热、地热管法、电缆加热、热流体、
表３所示。１．２配合比设计
加导电性材料的混凝土，使电能转化为热能，将道路表面加热到０ ℃以上，达到融化冰雪的目的。本文通过对导电混凝土研究，选择良好的导电性材料，确定最佳试验配比，制定切实可行的现场施工方

导电混凝土材料电阻系数的研究和分析

导电混凝土材料电阻系数的研究和分析论文第卷第期年月湘潭大学自司然科学学报溉司如娜助面一‘,哪伟,,邓寿昌,湘潭大学校长办湖南湘潭引惠州学院土木系广东惠州刃口湘潭大学建筑工程系湖南湘潭引随时间变化的客观规律可用广义吴应东方程精确描述和控制在冬季导电握凝土堵面地面及水泥棍凝土路面在通电加热或触雪化冰过程中的热工计算也可用广义吴震东方程精确地描述但需要考虑,℃的冰吸热后转化为。

℃的水所箱的溶解热基于这一原理建立导电握扭土触刃化冰新的热力学徽分方程及一植套梢确的理沦公式其中电功率的计算与导电混凝土材料的电阻系数户密切相关在卜述的块础卜对导电混凝土材料电阻系数关锐词广义吴震东方程导电滋凝土电阻系数电加热法跳冰化雪热工计算中圈分类号’,文橄标识码文幼号皿以一的刀一一伪创哭,廿一“人一阮咭,叭,,。

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浇注式导电沥青混凝土路用性能融雪效果评价

d o i :10.3963/j.i s s n .1674-6066.2022.01.011浇注式导电沥青混凝土路用性能融雪效果评价王祎宾1,董罗超1,刘峰2,曹新建3(1.华北水利水电大学土木与交通学院,郑州450045;2.黄河工程咨询监理有限责任公司,郑州450045;3.安徽省引江济淮集团有限公司,合肥230001)摘要: 为解决冬季严寒地区道路存在结冰积雪导致的交通事故问题,依据电流热效应(焦耳定律),采用A C -10级配设计浇注式导电沥青混凝土,在持续通电条件下使路面升温,从而达到消除积雪的目的㊂研究结果表明:碳纤维掺量为0.4%,石墨烯掺量为0.5%,油石比为10.5%时,制备出的车辙板试件动稳定度为1089次/mm ,小梁试件弯曲极限应变为8.56ˑ10-9;车辙板试件电阻为336Ω,输入功率为7.44W 时温度升高为5.3ħ,融冰雪效率为78.85%㊂最佳掺量为碳纤维0.4%+石墨烯0.5%的沥青混凝土发热及融冰雪效率最佳,高温稳定性及低温抗裂性能显著提高㊂关键词: 浇注式; 导电沥青混凝土; 路用性能; 融雪化冰E v a l u a t i o no f S n o w M e l t i n g Ef f e c t o nR o a dP e r f o r m a n c e o f P o u r i ng C o n d u c t i v eA s ph a l tC o n c r e t e WA N GY i -b i n 1,D O N GL u o -c h a o 1,L I UF e n g 2,C A OX i n -ji a n 3(1.S c h o o l o fC i v i l E n g i n e e r i n g a n dC o mm u n i c a t i o n ,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t y ofW a t e rR e s o u r c e s a n dE l e c t r i cP o w e r ,Z h e n g z h o u450045,C h i n a ;2.Y e l l o w R i v e rE n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o ,L t d ,Z h e n g z h o u450045,C h i n a ;3.A n h u i P r o v i n c i a lG r o u p L i m i t e d f o rY a n g t z e -t o -h u a i h eW a t e rD i v e r s i o n ,H e f e i 230001,C h i n a )A b s t r a c t : I no r d e r t o s o l v e t h e t r a f f i c a c c i d e n t s c a u s e db y i c e a n d s n o wo n r o a d s i n c o l d r e g i o n s i nw i n t e r ,a c c o r d i n gt o t h e c u r r e n t h e a t e f f e c t (J o u l e 's l a w ),c a s t a b l e c o n d u c t i v e a s p h a l t c o n c r e t ew i t hA C -10g r a d a t i o nw a s d e s i g n e d t oh e a t u p t h e r o a d s u r f a c eu n d e r t h e c o n d i t i o no f c o n t i n u o u s e l e c t r i c i t y ,s o a s t o a c h i e v e t h e p u r p o s e o f e l i m i n a t i n g sn o w.T h e r e s u l t s s h o wt h a tw h e n t h e c o n t e n t o f c a r b o nf i b e r i s0.4%,t h ec o n t e n t o f g r a ph e n e i s0.5%,a n dt h e r a t i oo f o i l t o s t o n e i s 10.5%,t h e d y n a m i c s t a b i l i t y o f t h e r u t p l a t e s p e c i m e nw a s 1089(t i m e s /mm ),a n d t h e b e n d i n gl i m i t s t r a i n o f t r a b e c u l a rs p e c i m e n w a s8.56ˑ10-9.T h er e s i s t a n c eo f t h er u tb o a r ds p e c i m e n w a s336Ω,t h e t e m p e r a t u r er o s e t o 5.3ħw h e n t h e i n p u t p o w e rw a s 7.44W ,a n d t h em e l t i n g e f f i c i e n c y w a s 78.85%.T h e r e f o r e ,t h e a s p h a l t c o n c r e t ew i t h t h eb e s t c o n t e n t o f 0.4%c a r b o n f i b e r +0.5%g r a p h e n eh a s t h eb e s t h e a t i n g a n dm e l t i n g e f f i c i e n c y ,a n d i t sh i g ht e m -p e r a t u r e s t a b i l i t y a n d l o wt e m p e r a t u r e c r a c k r e s i s t a n c e a r e i m pr o v e d .K e y wo r d s : p o u r i n g ; c o n d u c t i v e a s p h a l t c o n c r e t e ; r o a d p e r f o r m a n c e ; m e l t i n g s n o wa n d i c e 收稿日期:2021-12-22.作者简介:王祎宾(1996-),硕士生.E -m a i l :1051659321@q q.c o m 在冬季我国大多数地区处于零下的低温区且存在道路结冰积雪问题,严重危及行车安全㊂据相关数据显示,因道路结冰积雪而造成的交通事故数量占比为15%㊂传统的除冰雪技术包括撒布氯盐㊁机械铲雪㊁人工扫雪等方法[1],存在除雪效率低下且工作安全性低等问题,同时对环境和路面造成了不可逆的损害㊂相关研究发现,在沥青混合料中加入导电材料,能够增强高温稳定性和低温抗裂性,在电流持续输入条件下能够升温融化积雪,提高行车安全㊂葛琪[2]等发现碳纤维掺量超过0.5%时,成型试件的电阻率降低程度已不明显,过大掺量反而会影响路用性能㊂谭忆秋[3]等发现碳纤维掺量为0.4%时,试件伏安特性曲线已经具有比较好的线性关系㊂石墨烯作为优异的非金属导电材料,当掺量达到0.5%时就已具备优良的导电性能和路用性能㊂论文通过刘埃尔流动性试验㊁贯入度及贯入度增量试验㊁高温车辙试验及低温弯曲试验研究混合料建材世界 2022年第43卷第1期的路用性能,通过车辙板通电升温试验研究混合料的发热升温融冰雪性能㊂1 浇导沥青混凝土制备1.1 浇导沥青混凝土配合比设计浇导沥青混凝土设计级配为A C -10,根据‘公路钢箱梁桥面铺装设计与施工指南“规范规定:浇导沥青混凝土需要满足高温稳定性贯入度试验60ħ贯入度值1~4mm ;贯入度增量ɤ0.4mm ;施工和易性指标刘埃尔试验流动性ɤ20s ;弯曲极限应变ȡ7ˑ10-9;动稳定度ȡ300次/mm ㊂配制的浇注式导电沥青混凝土A C -10设计级配要求如表1所示㊂表1 A C -10级配要求筛孔/mm 13.29.454.752.361.180.60.30.150.075通过率/%10080~10063~8048~6338~5232~4627~4024~3620~30中值级配1009071.555.5453933.530251.2 浇导沥青混凝土试件成型工艺浇导沥青混凝土细骨料占比较大,最大公称粒径不超过10c m ,类似于自密实混凝土有较小的孔隙率,需要满足流动性㊁贯入度及贯入度增量技术指标要求㊂因此,浇注式导电沥青混凝土的油石比高达8.5%~11.5%,综合具体实际工程情况,油石比取中值10.5%,矿粉的含量占比为25%㊂将沥青混合料搅拌锅升温至240~260ħ搅拌45m i n,利用自身流动性,将搅拌完成的沥青混合料倒入模具,使用刮刀轻轻刮平表面㊂2 浇导沥青混凝土路用性能分析2.1 浇导沥青混凝土路用性能试验采用碳纤维掺量0.3%㊁0.4%㊁0.5%(矿料质量分数),石墨烯掺量0.4%㊁0.5%㊁0.6%(沥青质量分数),通过九组交叉试验成型车辙板和贯入度试件进行路用性能研究㊂通过刘埃尔流动性试验来评价沥青混合料的流动性;另外成型贯入度试件和车辙板试件,进行贯入度试验㊁贯入度增量试验㊁车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性;利用切割车辙板得到小梁试件,进行低温弯曲试验评价沥青混合料低温抗裂性[4]㊂试验结果如表2所示㊂表2 浇导沥青混凝土试验结果试验参数贯入度/mm 贯入度增量/mm流动性/s 弯曲极限应变/ˑ10-9动稳定度/(次㊃mm -1)碳纤维0.3%石墨烯0.4%3.130.4215.27.691006石墨烯0.5%3.200.3915.77.45988石墨烯0.6%3.280.3716.37.26965碳纤维0.4%石墨烯0.4%2.540.3111.18.771103石墨烯0.5%2.630.2812.68.561089石墨烯0.6%2.710.2613.28.231057碳纤维0.5%石墨烯0.4%1.980.208.79.911198石墨烯0.5%2.060.178.99.671187石墨烯0.6%2.130.159.49.3211522.2 路用性能试验结果分析由表2可知:1)当石墨烯掺量为0.4%,碳纤维掺量每增加0.1%时,贯入度分别降低18.8%和22.0%;贯入度增量分别降低26.2%和35.5%;流动性分别降低27.0%和21.6%;弯曲极限应变分别增大14.0%和13.0%;动稳定度分别增大9.6%和8.6%㊂2)当石墨烯掺量为0.5%,碳纤维掺量每增加0.1%时,贯入度分别降低17.8%和21.7%;贯入度增量建材世界 2022年第43卷第1期分别降低28.2%和39.2%;流动性分别降低19.7%和29.4%;弯曲极限应变分别增大14.9%和13.0%;动稳定度分别增大10.2%和9.0%㊂3)当石墨烯掺量为0.6%,碳纤维掺量每增加0.1%时,贯入度分别降低17.4%和21.4%;贯入度增量分别降低29.7%和42.3%;流动性分别降低19.0%和28.8%;弯曲极限应变分别增大13.3%和13.2%;动稳定度分别增大9.5%和9.0%㊂综上所述,碳纤维能够将沥青与矿料紧紧联系在一起,增强浇注式导电沥青混凝土的强度㊂由于碳纤维吸附大量沥青,随着碳纤维掺量的增加,混合料的贯入度㊁贯入度增量及流动性降低,弯曲极限应变和动稳定度增大㊂3浇导沥青混凝土升温融冰雪性能分析3.1浇导沥青混凝土融冰雪试验根据路用性能试验结果,选用碳纤维0.3%+石墨烯0.4%㊁碳纤维0.4%+石墨烯0.5%及碳纤维0.5%+石墨烯0.6%,三种组合成型车辙板试件,利用低温恒温试验箱进行车辙板升温[5]及融冰雪试验[6]㊂试验结果如表3㊁表4所示㊂表3车辙板升温发热效率碳纤维/ %石墨烯/%电阻/Ω输入功率/W总热量/k J试件比热容/(J(k g㊃K)-1)升高温度/ħ试件蓄热能量/k J发热效率/%碳纤维/%0.30.43397.3339.58818.903.722.1155.820.3 0.40.53367.4440.18871.135.331.5778.850.4 0.50.62599.1649.46849.906.033.2967.490.5表4车辙板升温融冰效率掺量/%碳纤维0.3+石墨烯0.4碳纤维0.4+石墨烯0.5碳纤维0.5+石墨烯0.6电阻339336259通电时间/s312002700023400输入功率/W7.337.449.16总热量/k J228.70200.88214.29耗电量/度0.0640.0560.060试件质量/k g7.296.977.05试件升高温度/ħ9.28.98.1冰升高温度/ħ5.05.05.0试件蓄热能量/k J54.9454.0548.54冰升温耗能/k J3.083.083.08冰化水耗能/k J100.564.364.3融冰效率/%43.9450.0346.90冰质量/k g0.300.300.303.2融冰雪试验结果分析由表3㊁表4可知:1)浇导沥青混凝土的发热效率与导电材料掺量㊁输入功率等有关,三组车辙板输入功率分别为7.33W㊁7.44W㊁9.16W,相同时间内升高温度分别为3.7ħ㊁5.3ħ㊁6.0ħ㊂2)碳纤维0.3%+石墨烯0.4%㊁碳纤维0.4%+石墨烯0.5%㊁碳纤维0.5%+石墨烯0.6%的发热效率分别为55.82%㊁78.85%㊁67.49%,其中碳纤维0.4%+石墨烯0.5%掺量下试件发热效果较好;碳纤维0.3%+石墨烯0.4%㊁碳纤维0.4%+石墨烯0.5%㊁碳纤维0.5%+石墨烯0.6%的融冰效率分别为建材世界2022年第43卷第1期建材世界2022年第43卷第1期43.94%㊁50.03%㊁46.90%,其中碳纤维0.4%+石墨烯0.5%掺量下试件融冰效果较好㊂综合考虑推荐选择碳纤维掺量为0.4%,石墨烯掺量为0.5%㊂4结论a.当石墨烯的掺量为0.5%,碳纤维掺量为0.4%时,车辙板试件动稳定度为1089次/mm,小梁试件弯曲极限应变为8.56ˑ10-9,浇导沥青混凝土高温稳定性和低温抗裂性显著提升㊂b.当输入功率为7.44W,石墨烯0.5%+碳纤维0.4%时,试件发热效率和融冰效率最高,分别为78.85%和50.03%㊂c.综合路用性能㊁发热效率及融冰雪效率,石墨烯和碳纤维最佳掺量分别为0.5%和0.4%㊂参考文献[1]蒋建国,张学磊,刘小明,等.导电沥青混凝土路用性能影响因素的灰关联分析[J].铁道科学与工程学报,2015,12(4):784-789.[2]葛琪,遇道欣.石墨纤维沥青混凝土融雪路面导电效率研究[J].交通科技与经济,2020,22(4):57-60.[3]谭忆秋,刘凯,王英园.碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土的非线性伏安特性[J].建筑材料学报,2019,22(2):278-283.[4]朱泽远,王卓然,段建平,等.钢纤维对导电沥青混凝土路面性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2018(3):54-57.[5]黄维蓉,杨玉柱,宋鹏,等.石墨烯-碳纤维导电沥青混凝土电热性能研究[J].化工新型材料,2021,49(8):269-273.[6]郑少鹏,程志豪,房锐,等.导电沥青混凝土在道路工程融雪化冰应用中的问题探讨[J].公路交通科技(应用技术版),2015,11(2):77-79.(上接第32页)[18]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.G 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电致热融雪除冰沥青混凝土

料中，石墨的体积将大于矿粉，因此为了保证填料的体积分数一
致而不影响其体积性能，须将石墨换算为当量矿粉的质量。
MA
MCL C
分析可知沥青混凝土发出的热Q=Q1+Q2+Q3-Q太阳辐射其中Q2包括使雪或冰升温至融点所需热量、从s l相转变所需热量、从l g相转变所需热量、散失的少部分热量（由于冰雪导热系数低）。
Q3包括水蒸发带走的热量、和环境对流散失的热量、对外辐射散失的热量。 Q太阳辐射：由于处于冬季阴天，所以比较小。故为了使沥青混凝土的融雪除冰效果达到最佳应当尽量减少向下传导的
热量和因水蒸发带走的热量。
采取对应的措施：在电致热型沥青混凝土下部铺设绝热层或者普通沥青混凝土层；及时将路面上的水排走。
谢谢！
粉末型主要包括石墨、炭黑以及各种金属粉末
石墨：石墨是碳质元素结晶矿物，为六边形层状结构，属于六方晶系，具有完整的层状解理。根据结晶形态不同，将天然的石墨分为三类：致密结晶状石墨、鳞片石墨以及隐晶质石墨。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键，每个碳原子仍保留1个自由电子来传输电荷，石墨的导电性比一般非金属矿物高100倍。导热性能超过铁、铝等金属材料，导热系数随着温度升高而降低。但是石墨掺入会削弱沥青混凝土的结构性能，原因是：石墨层间作用力小，层间容易发生滑动，过多的石墨存在将起到润滑剂的作用，不利于沥青混凝土抵抗剪应力。
背景思路导电导热相材料沥青混凝土融雪化冰的热平衡分析
人工清除法
国内
清除法
机械设备铲雪
外
存
机械清除法
在
的道
吹风机除雪
路融
氯化物融雪剂法
雪除
化学融化法环保型融雪剂法

导电混凝土导热系数分析的电热有限元法

第17卷　第4期2002年12月实　验　力　学JOU RN AL O F EX PERIM ENT A L M ECHA N ICSV ol.17　N o.4D ec.2002文章编号:1001-4888(2002)04-0464-06导电混凝土导热系数分析的电热有限元法侯作富1,李卓球2,胡胜良1(1.江汉石油学院机械系,荆州434023;2.武汉理工大学理学院,武汉430070)摘要:本文提出了利用导电混凝土的电热效应,通过有限元分析计算以及由此而设计的实验得到导电混凝土导热系数的方法,并通过实验证明了该方法的可行性.关键词:导电混凝土;导热系数;电热效应;有限元中图分类号:T U528.582 文献标识码:A1　引言混凝土的导热系数在预测混凝土内的温度分布以及由温度引起的应力分布等方面是一个非常重要的参数[1].它随混凝土的含水状态和温度不同而不同,因此它的精确值很难定量求出.通常要采用实验方法来进行测量.导热系数的测量方法主要可分为两类:稳态法和非稳态法.稳态法主要包括无限大平板层法、无限长圆筒层法以及球体层法,这些方法用在混凝土导热系数的测量上都不是很方便和合适.因此测量混凝土的导热系数一般都用非稳态法.对于水泥净浆或水泥砂浆,由于不含石子,可以很方便地做成通常的试样,它们的导热系数的测量和平常材料的测量差不多.目前较先进的方法是一种叫激光脉冲的方法,通过该方法可以求出导温系数[2,3],这样导热系数就可由导温系数、比热及密度的乘积求得.但是该方法必须将试样制成直径13mm,厚度仅为2mm的圆薄盘,这对混凝土材料是不可行的.此外还有另外一种测试混凝土导热系数的方法[4](通常叫热脉冲法):在两块磨光的混凝土板试样中间夹上一段扁平的金属导线,在金属导线上有热电偶,一旦金属导线通电,热电偶将能反映出金属导线的温升与时间的关系,通过该关系即可求出混凝土板的导热系数.该方法必须将混凝土的表面磨光且对混凝土板与导线之间的接合要求很高,因此测试的前期准备和测试的过程非常复杂(本文后面用到过该方法).我国的国家标准GB/T10297-1998规定了非金属材料导热系数的测定,但该方法明确说明不适用于导电的非金属材料.导电混凝土是一种新型的混凝土,其基本原理是在普通混凝土的基础上加上导电相如导收稿日期:2002-02-14;修订日期:2002-11-18基金项目:国家自然科学基金资助项目(No50078042)作者简介:侯作富(1968-),讲师,武汉理工大学工程结构与力学系博士生.电颗粒或导电纤维.加上导电相后,可以使其电阻系数大大降低.如加入15%～20%的钢屑和钢纤维,在养护28天后电阻系数下降到5～10 ・m [1].导电性能很好的混凝土将会变成良好的发热体,从而可使其用于桥梁路面除冰[1]及房间地面加热等诸多方面.在导电混凝土用于融雪化冰这一国家自然科学基金项目的研究中,导热系数的大小影响到融雪化冰的效果,因此必须知道导电混凝土的导热系数.本文根据导电混凝土的电热效应,提出了将导电混凝土直接加热,通过有限元分析计算及一个较简单的实验得到了导电性能很好的混凝土导热系数的方法.该方法虽然计算过程较烦琐(该过程可由专业人员完成),但如果我们能将结果制成表格,在实际过程中只需要进行一些简单的测试,就可以得到最终的导热系数.该方法的优点是实验过程简单,缺点是计算过程复杂且只适用于导电性能很好的混凝土.图1　混凝土板形状及尺寸2　基本原理以一块160×130×40m m 的长方体导电混凝土为例来进行说明,形状如图1所示.拟对该长方体进行电热有限元分析,以求出一定的输入功率和外围温度下混凝土块内的温度分布.将该长方体划分成10×8×12的网格(即在x 方向上划分10段,依此类推),单元为8结点六面体单元.假设电极在ABCD 和EFGH 面上,电阻为10 ,输入功率为30W,则输入电流为1.732A.在有限元分析中输入的为面电流,输入的电流大小则为1.732/(0.13×0.04)=333A /m 2.值得说明的是,根据实际情况,输入功率和电阻值可以人为设定,只要不使混凝土内的温度不至于太高即可.电热边界条件如下:在EFGH 面上所有各结点的固定电压为0,在ABCD 面上的所有单元面上输入面电流333A/m 2.除BCGF 外的其它五面都是绝热面,不需要输入任何数据,只有BCGF 面与外面冷空气接触.在本问题中取外围冷空气温度为-16℃(该值根据实际情况而定),即实验必须在大型冷冻箱中进行,之所以要在-16℃的环境中进行,主要是防止混凝土内的温度过高,且能很容易在Y 方向上形成热流.BCGF 面与外界空气之间有两种热交换:自然对流换热和辐射换热.试验时,BCGF 面水平朝上,作为一水平板与空气进行大自然空间自然对流和辐射换热.自然对流平均换热系数可采用以下无量纲式(1)求得[5]:N um =B +C (Gr m P r m )n(1)辐射换热系数可采用式(2)求出[5]:h ′= (T 3+T 2×T ∞+T ×T 2∞+T 3∞)(2)如果已知条件已经给定,上述参数都可计算出,作为有限元输入的边界条件.由于上述系数是465第4期侯作富等:导电混凝土导热系数分析的电热有限元法随温度变化的,因此上述边界条件只有通过用户子程序来输入.在材料常数中,必须输入导热系数、比热、密度及电阻系数,除导热系数外,其它几项可求出或方便地测出.在假设一个导热系数的前提下,通过有限元分析,可以计算出一定时间后某点温度的大小.本文中以通电半小时及E点为例.我们可以分析出导热系数的大小与E点温度大小之间的关系图.然后进行实验,通过对相同条件的混凝土块通电半小时后E点温度的测量,在关系图上即可查找出对应的导热系数值.这就是本文提出的导热系数分析的基本原理.3　材料常数分析材料常数的确定是有限元分析中的重要一环.本文中以碳纤维导电混凝土来进行理论分析及实验.要输入的材料常数中,电阻系数可根据 =R・A/L求出,材料的容重和比热可由碳纤维的体积含量V来大致确定,当然也可以由实验来精确测定.设碳纤维、普通混凝土及导电混凝土的容重、比热和导热系数分别为 ca,C ca, ca, co,C co, co及 e,C e, e.密度可由公式(3)求得:e= ca× + co×(1- )(3)比热的计算可由公式(4)求得:C e= cae× ×C ca+coe×(1- )×C co(4)而导热系数的计算目前没有一个很明确的公式.如考虑导热系数的下限时,可将两种材料看作并联,采用公式(5)来进行计算:l el=ca+(1- )co(5)考虑上限时,则将两种材料看作串联,采用公式(6)来进行计算:e2= ca× + co×(1- )(6) 在碳纤维和普通混凝土(含水率为0%的情况下)的容重、比热和导热系数分别为1750kg/ m3,0.72kJ/kg・k,20W/m・K[6]和2300kg/m3,0.88kJ/kg・K, 1.28W/m・K[7]的前提下,分析了碳纤维含量分别为1%,2%,3%,4%时导电混凝土的容重、比热和导热系数的变化范围见表1.上述计算严格来讲只是理论上的计算.由于在混凝土中加入了碳纤维,将会使混凝土的孔隙率增大很多,比热和密度将会和上述结果存在一定的差别,如果想要获得准确的值,可以通过实验来测定,而导热系数的变化范围主要是作为有限元分析的输入数据参考.表1　导电混凝土的容重比热和导热系数的变化范围与碳纤维含量的关系碳纤维含量(体积比)密度(kg/m3)比热(kJ/kg・K)导热系数的可能范围(W/m・K)1%22940.879 1.292～1.4672%22870.878 1.304～1.6543%22830.876 1.320～1.8424%22770.875 1.330～2.029466 实　验　力　学 (2002年)第17卷　4　有限元分析及结果本文中的分析采用MARC 有限元程序完成.实验时大型冷柜空气温度为-16℃,而混凝土内初始温度为20.6℃,在这样的前提下求出了自然对流平均换热系数,见图2.图2　平均对流换热系数混凝土表面温度之间的关系图3　E 点温度与混凝土导热系数之间的关系图4　温度沿着厚度方向即Y 方向的变化情况以上数据都知道了之后就可进行有限元分析了,在总共半小时的瞬态电热有限元分析中共采用了30个时间步,即每一个时间步为1分钟.导热系数从0.4W/m ・K 到2.5W/m ・K 之间由小到大输入一个值,对应每一个值,提取半小时后E 点的温度作为参考.图3为以普通混凝土的比热和密度为材料参数,导热系数从0.4W /m ・K变化到2.5W /m ・K 时的计算结果.从图中可以看出,当导热系数较小时,E 点温度较高,即热量由E 点所在平面向F 点所在平面传递得较慢,当导热系数较大时,E 点温度较低,热量由E 点所在平面向F 点所在平面传递得较快.图4为普通混凝土(容重、比热和导热系数分2300kg /m 3,0.88kJ/kg ・K, 1.28W/m ・K )时加热半小时后温度沿着厚度方向即Y 方向的变化情况.从图中可以清楚地看出温度沿厚度方向上的变化情况,沿厚度方向的温差为8.5℃左右,这样就可以在厚度方向上形成热流.5　实际试验我们在实验室制作了碳纤维含量约为1.87%的导电混凝土三块,尺寸为130×160×40mm .所用碳纤维的性能见表2.水泥、沙子、石子之比为1∶1∶1,水灰比为0.55,常温下固化28天后进行测试.经过测量,其密度为2023kg /m 3,比热为1.003kJ /kg ・K ,在除BCGF 面之外的五个面上(见图1)用胶带纸绑上厚约6cm 的绝热层,在E 点用胶带纸将数字式温度计的探头粘上,混凝土内初始温度为20.6℃,保持特大冷冻箱的温度为-16℃,将电路连接好后快速将试样放467第4期侯作富等:导电混凝土导热系数分析的电热有限元法 468 实　验　力　学 (2002年)第17卷　入到冷冻箱中,然后采用直流可编程电源加热,保持电流与电压的乘积为30,即输入功率为30W.每个试样在E点测试了两次温度,结果发现两次温度测量的误差基本上在10%以内,最终的温度取两次结果的平均值.为了验证本文中的结论,我们也采用热脉冲法测量了导热系数.所用仪器为天津建筑仪器厂生产的DRM-1型导热系数测定仪,由于测试过程要求极严,三个试样化费了近两周的测试时间.表2　PA N基碳纤维的基本性能碳纤维拉伸强度弹性模量密度电阻率单丝直径碳元素含量(M Pa)(GPa)(g/cm3)( ・m)( m)(%) PA N基2000～3000175～215 1.74～1.77307≥93 表3为在计算得到的图形上查找到的此种材料的导热系数与实测值的比较.从结果来看,本文得到的该种碳纤维导电混凝土的导热系数要比用热脉冲法得到的导热系数大22%左右,误差值较大.造成本文中方法误差的主要原因有以下几点:(1)实验设备较简陋,如果能将试验设备及过程近一步改进,相信能得到更好的结果;(2)计算中采用的对流和辐射的计算公式也有可能对结果造成影响;(3)有限元分析(如网格的划分、边界条件的模拟)也会对计算结果产生影响;(4)实际的绝热层不可能完全绝热,只不过导热系数较小而已.表3　本文分析出的导热系数与实测值的比较(单位:W/m・K)试样编号123平均值本文得到的导热系数 1.55 1.60 1.57 1.57热脉冲法得到的导热系数 1.20 1.31 1.35 1.2876　结论本文利用导电混凝土的电热有限元法,得到了导电混凝土的导热系数,通过由此方法而设计的实验证明了该方法的可行性.由于各种原因,本文并未就如何改进设备、减小误差等方向进行进一步的研究.参考文献:[1]　Sher if Y 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机场用导电混凝土除冰雪热功率优化研究

机场用导电混凝土除冰雪热功率优化研究
李龙海;仝晔
【期刊名称】《中国民航大学学报》
【年(卷),期】2016(034)003
【摘要】碳纤维混凝土电热性能用于机场除冰雪是当前机场热融除冰雪的方式之一,通过融冰化雪试验并建立冰雪热融仿真模型,以能耗最低为边界条件研究除冰雪最佳输入功率,并提供最为合理的除冰雪模式.研究表明,依据外界条件不同,导电混凝土除冰雪可以通过调整最佳输入功率和选择最佳除冰雪模式达到节能目的,为其实际应用和运行管理提供数据支持.
【总页数】6页(P22-27)
【作者】李龙海;仝晔
【作者单位】中国民航大学机场学院,天津300300;中国民航大学机场学院,天津300300
【正文语种】中文
【中图分类】V351.11;U8
【相关文献】
1.机场用导电混凝土热融除冰雪能耗优化研究 [J], 李龙海;仝晔
2.碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究 [J], 唐祖全;李卓球;钱觉时
3.钢纤维石墨导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究 [J], 李丹;董发勤;沈刚
4.碳纤维导电混凝土道面机场除冰雪的应用研究 [J], 马世宁;刘晓军;张元龙
5.三相复合导电混凝土除冰雪性能研究 [J], 卜胤;丁伟锐
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桥面嵌入式导电沥青混凝土铺装热效应分析

桥面嵌入式导电沥青混凝土铺装热效应分析高秋生【摘要】分析导电沥青混凝土融雪化冰原理,利用导电沥青混凝土传导热量能力强且具有良好粘结性能的特点,将多相耦合作用下的导电沥青混凝土嵌入槽形普通混凝土中,形成一种新型桥面结构.通过实验研究,与单层导电沥青混凝土桥面对比,其热效率大幅提高,而散热损失显著降低,能即时融雪化冰,保证行车安全畅通,为桥梁冰冻灾害防治提供借鉴.【期刊名称】《交通科技与经济》【年(卷),期】2018(020)002【总页数】4页(P45-48)【关键词】导电沥青混凝土;嵌入式;融雪化冰【作者】高秋生【作者单位】黑龙江建筑职业技术学院市政工程技术学院,黑龙江哈尔滨 150025【正文语种】中文【中图分类】U443.31桥梁作为交通基础设施的咽喉工程，发挥着至关重要的作用，而在季节性冰冻地区，桥梁大部分是完全裸露在空气中，冬季最容易被冻结，桥面积雪结冰对桥梁通行能力和交通安全提出了严峻的考验，尤其是在桥梁的引桥与匝道处，轻则降低桥梁的运输能力，重则导致恶性交通事故的发生，造成惨重的人身伤害、巨大的经济财产损失和不利的社会舆论影响，正因为积雪结冰的危害严重，要确保车辆行驶安全畅通，世界各国都开展了大量融雪化冰技术的研究。

目前，道路与桥梁采用主要的融雪化冰方法是化学融化法和机械清除法。

化学融化法是利用融雪剂降低冰点，从而使冰雪融化，但是融雪剂对桥梁结构腐蚀性大，导致钢筋诱蚀、桥面剥蚀破坏，致使桥梁运营时养护维修经费增多，大幅减少桥梁的生命周期，同时也带来了周边环境和水资源的污染，而环保融雪剂的价格昂贵难以推广；机械清除法除雪不彻底，机械设备使用效益低。

为了达到技术先进、绿色环保、节能高效，又不会对桥梁结构造成影响，选择哪种融雪化冰方案至关重要，也成为我国交通管理部门急需解决的问题之一。

通过对具有电学性能的混凝土电阻加热，使导电混凝土快速升温到0℃以上，从而达到及时有效地融雪化冰的目的，在道路安全和畅通方面有十分重要的意义。

基于混凝土导电性的冰雪融化监测技术研究

基于混凝土导电性的冰雪融化监测技术研究一、研究背景冰雪融化是全球气候变化的一个重要指标，也对人类社会产生了重要影响，例如海平面上升、水资源减少、自然灾害增加等。

因此，研究冰雪融化监测技术对于认识气候变化、制定应对措施具有重要意义。

目前，常用的冰雪融化监测技术包括遥感、地面观测、数值模拟等。

其中，地面观测是一种较为常用的方法，但传统的地面观测方法需要耗费大量时间和人力，且监测结果受到环境影响较大，存在一定的局限性。

因此，研究一种基于混凝土导电性的冰雪融化监测技术，能够实现自动化监测、快速监测和准确监测，具有较大的实用价值。

二、研究方法本研究采用实验室试验和现场观测相结合的方法，通过混凝土导电性变化来监测冰雪融化情况。

具体步骤如下：1. 实验室试验（1）准备实验材料：混凝土、电阻计、温度计、加热器等。

（2）制备混凝土试块，并将电极插入混凝土中。

（3）测量混凝土导电性，并记录初始数值。

（4）将加热器放置在混凝土试块上，加热试块并记录温度变化。

（5）测量混凝土导电性，记录数值，并与初始数值进行对比分析。

2. 现场观测（1）选择适当的观测点，并将电极插入混凝土中。

（2）测量混凝土导电性，并记录初始数值。

（3）监测当地气温变化，并记录气温变化情况。

（4）通过混凝土导电性变化情况，判断冰雪融化情况。

三、研究结果1. 实验室试验结果（1）通过实验室试验，发现混凝土导电性随着温度的升高而增加。

（2）在加热器的加热下，混凝土导电性变化较为明显，变化曲线呈现出明显的上升趋势。

2. 现场观测结果（1）通过现场观测，发现混凝土导电性随着气温升高而增加。

（2）在气温升高的情况下，混凝土导电性变化明显，且变化趋势与实验室试验结果一致。

（3）通过混凝土导电性变化情况，能够较为准确地判断当地冰雪融化情况。

四、研究结论本研究通过实验室试验和现场观测，研究了基于混凝土导电性的冰雪融化监测技术。

通过实验室试验和现场观测结果，发现混凝土导电性随着温度或气温的升高而增加，且变化趋势明显。

碳纤维导电混凝土道面机场除冰雪的应用研究

普通混凝土无论是处于潮湿或干燥状态，都不具有良好的导电性能（普通混凝土在干燥状态下的电阻
率在１～ｌ・ｍ；潮湿状态下达到ｌ～１００ｎ００
Ｑ・。有研究表明：导电水泥混凝土及导电高分子ｍ）
雪机械受季节影响较强，使用频率低，一年中大部分
摘要：从目前机场道面融雪化冰的基本方法以及所存在的问题入手，介绍了导电混凝土电热除
冰雪的工作原理和制备导电混凝土的基本原理，分析了碳纤维导电混凝土道面材料应满足的基本性能要求；结合机场飞行区道面的特殊性，提出了碳纤维导电混凝土在机场道面中应用所具备的条件。
度差的作用下会对道面产生温度应力开裂等缺点。
２导电混凝土制备基本原理
２０个航班返航或备降其他机场，３００００余名旅客行
程受到影响。我国东北、西北高原的许多机场，如果
不能及时清除道面上的积雪，将会威胁飞行安全和正
常训练。
法是利用盐降低冰的融点，使冰融化。它具有材料来源广泛、价格便宜、化冰雪效果好等特点，因而得到了普遍应用。但撒盐也给混凝土道面结构和环境带来了许多负面效应一道面剥蚀破坏、环境污染、纤维材料的腐蚀等问题。热融雪法是采用能产生高温热流的设备使冰雪融化。该法效率低、操作费用高，且在温
（）融雪法又包括化学物法和热融雪法。化学２物法主要是对机械法除完雪后的道面上所残留的结晶冰，通过喷撤盐（ａ１ａ１）来进一步除冰。此ＮＣ，ＣＣ，

导电砼在高速公路清冰除雪技术应用的探究

６设计的附加优点．
除雪剂的黏度小，喷洒于路面后不便粘结在路面上，易挥发，易被风和车辆带走；也降雪后除雪剂不能马上开始工作，反
应时间慢；要量大，需成本高；要撒砂子或炉灰等抗滑材料，需不但使除雪成本增加，而且增加路面不平整度，大环境污染。加但随着温室效益的不但加剧，全球天气的可预测性越来越差。怎样针对突降形成的路面冰雪的清除是我们必然考虑的问
在实际运用中什么地面温度改用多大的电流可使路面温度保持０ ℃以上则需要通过实际测量，实验室可用热敏电阻在混凝土试验块表面测量电流与温度的曲线。或是将模型预埋在冬季室外，降雪后通电，隔一段时间，录表面融雪情况并记录待每记相关数据，为实际应用提供一定的依据。
由于路面在行车的影响下会有剪切破坏，铁丝网还可以提
供反力，护路面。即强度测验时抗剪强度单方面提高的原因。保五、结束语导电混凝土这种新型的特种功能混凝土，其电阻率取决于导电材料的种类、性能与掺量，具备热和电的感知和转换能力，是一种“ 能” 材料。智型它材料来源广泛、备简单、济。制经高速公

导电混凝土电热除冰化雪的功率分析

路、和机场大量修建了水泥混凝土路面。这些基础设施的建设和正常运营，对整个国民经济的发展起着不可估量的作用。大量的调查和研究表明，面状况的好坏是影响道路交通的重要因素。一路年四季的更替，气条件的变化，响着路面状况、天影道路通行能力和行车安全。特别是在寒冷的冬
从能量守恒的角度分析了导电混凝土电热除冰雪的最低功率需求；验测试了碳纤维混实
凝土电热功率与电压的关系，明碳纤维混凝土通电后产生的热量能够满足冬季路面除表
冰化雪的需要。
季，当水泥混凝土路面因降雪而积雪结冰时，给道路畅通和行车安全带来了严重的影响，至造成甚道路和机场关闭．客货运输带来不便，给建设单位造成巨大的经济损失。因此，了保障道路给也为
除法和化学融化法。
１１人工清除法．即通过人工的方法清除积
图１路面除冰雪方法
雪。该法对积雪清除较彻底，效率低、但费用高、响交通通行及行车安全、不能长时间作业。主影且
要适用于小雪及重难点路段的积雪清除。
维普资讯
第２４卷
第３期
重庆建筑大学学报
ＪｕａｆＣｏ＃ｉｇＪａｚｕＵｉｅｓｔｏｒｌｏｈｎ｜ｎｉｎｈｎｖｒｉｎｑｙ

混凝土电气除冰技术及应用

混凝土电气除冰技术及应用混凝土电气除冰技术及应用一、前言混凝土电气除冰技术是指利用电力将混凝土结构表面的冰雪融解，以保证混凝土结构在冬季正常运行。

随着气候的变化和城市化进程的不断推进，混凝土电气除冰技术在城市交通、建筑物、桥梁等领域得到了广泛的应用。

本文将从混凝土电气除冰技术的原理、应用场景、设计与施工等方面进行详细的介绍。

二、原理混凝土电气除冰技术的原理是通过电流的作用，将混凝土表面的冰雪融化，从而达到除冰的目的。

具体的原理如下：1、电流对混凝土的影响电流在混凝土中的传递会引起混凝土内部的温度升高，从而导致混凝土的膨胀，这种膨胀现象被称为“热膨胀”。

同时，电流在混凝土中的传递还会引起混凝土的局部加热，从而使冰雪融化。

2、电流对混凝土表面的影响当电流流过混凝土表面时，由于混凝土表面的粗糙度不同，电流的密度也不同。

这会导致电流在混凝土表面局部集中，从而引起混凝土局部加热，使冰雪融化。

3、电流的作用机制电流通过混凝土表面时，会与混凝土表面的水分子发生作用，从而产生热量。

这种作用机制被称为“电解质效应”。

同时，电流的作用还会引起混凝土局部温度升高，从而使冰雪融化。

三、应用场景混凝土电气除冰技术主要应用于以下场景：1、城市交通城市交通中，道路、桥梁、隧道等混凝土结构容易积雪结冰，给交通运输带来很大的安全隐患。

采用混凝土电气除冰技术，可以在短时间内将积雪结冰的混凝土结构表面融化，保证道路交通的畅通。

2、建筑物建筑物中，屋顶、外墙、雨棚等混凝土结构也容易积雪结冰，给建筑物的使用带来不便。

采用混凝土电气除冰技术，可以在短时间内将积雪结冰的混凝土结构表面融化，保证建筑物正常的使用。

3、桥梁桥梁是重要的交通设施，桥梁表面的积雪结冰会给行车带来很大的安全隐患。

采用混凝土电气除冰技术，可以在短时间内将积雪结冰的桥梁表面融化，保证桥梁的安全通行。

四、设计与施工混凝土电气除冰技术的设计与施工需要考虑以下几个方面：1、混凝土表面的处理混凝土表面的处理对混凝土电气除冰技术的效果有很大的影响。

三相复合导电混凝土除冰雪性能研究

总第285期 2017年第6期交通科技Transportation Science &TechnologySerial No.285No.6 Dec. 2017DOI 10.3963/j.issn.1671-7570. 2017. 06. 004三相复合导电混凝土除冰雪性能研究卜胤丁伟锐(江西省天驰高速科技发展有限公司南昌330000)摘要为解决冬季道路桥梁积雪结冰导致交通瘫痪的问题，研究了由碳纤维、钢纤维和石墨组成的三相复合导电混凝土的融雪化冰性能，采用正交试验设计复合导电混凝土的最优配合比，确定碳纤维、钢纤维和石墨的最佳掺量。

采用温升试验研究三相复合导电混凝土的融雪化冰性能。

结果表明，三相复合导电混凝土具有较好的融雪化冰性能，石墨、钢纤维和碳纤维能够显著增强水泥混凝土的导电性能。

关键词三相复合导电混凝土融雪化冰配合比冬季路面的结冰积雪对道路行车安全和通行能力均有不利的影响。

路面表层的结冰会使路面与轮胎的摩擦系数减小，导致路面的抗滑性能严重降低，从而不能有效地保障行车的安全。

我国每年因公路结冰积雪而引发交通事故，迫使公路交通瘫痪和封闭的现象很多，给社会造成了不可估量的直接经济损失和间接经济损失[12]。

目前用于道路及桥面融雪化冰的传统方式主要有撒布融雪剂和人工机械清除[34]。

道路撒布除冰盐（氯化钠、氯化镁等)会造成土地盐碱化、钢筋锈蚀、环境污染等问题。

机械除冰通常配合撒布融雪剂进行，由于路面或桥面与冰层之间具有很大的粘结力，路面或桥面表层处的结冰往往难以彻底清除。

为此，近年来各国相关道路交通管理部门对路面除冰雪进行了积极探索，研究出许多抑制或消除冰雪的方法和技术，如地热管法、太阳能蓄热、电缆加热、新型融雪剂等，其中就包括近年来广泛开展的导电混凝土路面融雪化冰技术[5—6]。

导电混凝土是在道路表面铺筑一定厚度的添加导电性材料的混凝土，通电之后，使电能转化为热能，通过路面结构内部热传导，在损失一部分热能之后，将剩余热能传至路表面，使冰层或雪层吸收这部分热能逐渐融化。

混凝土电气除冰技术及应用

混凝土电气除冰技术及应用一、引言混凝土电气除冰技术是一种利用混凝土的导电性，在混凝土内部布置导电线路，并通过电流产生的热量来融化冰雪的一种技术。

该技术具有环保、节能、安全等优点，已经在道路、桥梁、机场、停车场等场所得到了广泛应用。

本文将就混凝土电气除冰技术的原理、设计、施工、检测和应用等方面进行全面的介绍。

二、原理混凝土电气除冰技术是利用混凝土的导电性，在混凝土内部布置导电线路，并通过电流产生的热量来融化冰雪。

具体而言，通过在混凝土内部布置导电线路，将电源连接到导电线路两端，形成一个电路。

当通电时，电流就会通过导电线路产生热量，这种热量可以传递到混凝土中，使混凝土温度升高，从而融化冰雪。

三、设计1.选材混凝土电气除冰技术中的导电线路需要用到导电材料。

常用的导电材料有铜、铝、钢等。

其中，铜的导电性能最好，但是成本较高。

钢的导电性能较差，但是成本较低。

因此，在选择导电材料时需要综合考虑导电性能和成本两个方面。

2.布置混凝土电气除冰技术中，导电线路的布置是非常重要的。

布置不当，会导致电气除冰效果不佳，甚至无法使用。

因此，在布置导电线路时需要考虑以下几个方面：（1）导电线路的布置应该尽可能地均匀，避免出现局部温度过高的情况。

（2）导电线路的间距应该适当，一般来说，间距越小，电气除冰效果越好，但是成本也会相应地增加。

（3）导电线路的长度需要考虑到电源的电压和电流，以及混凝土的导电性能等因素。

3.接线混凝土电气除冰技术中，导电线路的接线也是非常重要的。

接线不当，会导致电气除冰效果不佳，甚至出现安全事故。

因此，在接线时需要注意以下几个方面：（1）导电线路的接线应该牢固可靠，避免松动或脱落。

（2）接线处应该防止潮湿或者积雪，避免导致短路或绝缘失效。

（3）接线处需要做好绝缘处理，避免漏电或触电。

四、施工混凝土电气除冰技术的施工需要经过以下几个步骤：1.混凝土准备首先需要准备好混凝土，按照设计要求进行配比和搅拌。

在混凝土中添加导电材料，使混凝土具有一定的导电性能。

导电混凝土融雪化冰机理分析

可得到不同的发热功率, 以满足不同情况下融雪化冰的需要。图 2 所示为不同发热功率时板的升温曲线。
表 1 碳纤维性能
项目单丝直径拉伸强度拉伸模量 2k 一束线电阻密度
/m
/ GPa
/ G Pa
/ m- 1
/ g cm- 3
指标 7 0 2
1 95
175
310
1 75
图 3 R/ R0- 温度曲线
10
4 结论
碳纤维混凝土具有良好的导电性, 通电后其发热功率十分稳定, 可用来对混凝土路面、桥面和机场跑道等结构进行融雪化冰。化冰所需的功率 P 与冰的温度成线性关系, 冰的温度越低, 需要的功率越大; 结冰厚度越大, 需要的功率越大; 融雪时需要的功率比化冰时小。利用导电混凝土融雪化冰能取得较好的效果。
目前, 世界各国主要通过撒盐( NaCl, CaCl2) 来融雪化冰。这一方法是利用盐降低水的冰点, 使积雪自动融化。该法具有材料来源广泛、价格便宜、化冰雪效
果好等特点, 因而得到了普遍应用。但是, 撤盐法也给混凝土路面结构和环境带来了许多负面效应, 主要表现为钢筋钢纤维锈蚀、路面剥蚀破坏和环境污染等问题[ 1] 。世界上不少国家因使用除冰盐, 已造成道路、桥梁的严重破坏, 目前正在花费巨额费用进行修复, 其经济损失十分巨大。例如, 1998 年, 美国 60 万座钢筋混凝土桥中, 被列入修复计划的费用是 2000 亿美元, 是当初建桥费用的 4 倍[ 2] ; 英国于 1972 年在 20 公里长的高速公路段上建了 11 座桥, 因撒盐使混凝土顺钢筋开裂, 15 年的修复费已是建桥费的 1 6 倍[ 3] 。我国东北沈大路也因撒除冰盐造成路缘石严重破坏[ 4] 。因此, 研究新型功能混凝土及其在机场跑道等路面除冰方面的应用, 具有十分重要的意义。近年来, 美、英、加拿大等发达国家开展了关于导电混凝土及在桥梁路面除冰应用方面的实验研究[ 1, 5] 。

导电混凝在机场飞行区道面融冰化雪的应用

导电混凝在机场飞行区道面融冰化雪的应用机场飞行区道面如果出现结冰积雪现象，必然会对飞机运行质量产生一定影响，甚至飞机起飞和降落过程中均会加大危险，而采用导电混凝土融化冰雪是非常有效的。

本论文针对导电混凝在机场飞行区道面融冰化雪的应用展开研究。

标签：机场飞行区道面；导电混凝土；融冰化雪引言：2013年的首场大雪持续了大约两个小时，机场运行面临严峻考验。

受大雪天气影响，南昌昌北国际机场关闭3个小时，50余航班受不同程度影响。

但在保障期间，机场除冰雪工作有序开展，所有旅客得到妥善安置，机场运行平稳有序，未收到一起旅客投诉。

众所周至，机场飞行区道面覆有冰雪必然会影响飞机滑行质量，为了使得飞行区道面畅通，维护飞行安全，实践证明采用导电混凝技术可以将道面冰雪融化，其工作基本原理是，将适量的导电组分材料加入到普通混凝土中，就可以使得混凝土成为导电体，从而具有良好的导电性能，继而自发热融雪。

1、导电混凝土所具备的基本性能导电混凝土并不只是解决飞机航班延误的问题。

早在2002年，Chris Tuan 和内布拉斯加州公路局就将Roca Spur大桥变成了世界上第一座使用导电混凝土的大桥。

这座大桥上一共使用了52块导电混凝土，整个路面的冰雪都能清理。

直到今天，工程仍然是将导电混凝土用于基础设施建设的完美范例。

盐和除冰化学品可能会导致混凝土腐蚀或者污染地下水，Chris Tuan表示，导电混凝土不会对环境构成任何的危害，其成本也要更低一些。

在为期三天的风暴期间，Roca Spur大桥用于除冰的电力使用量仅花费250美元，如果换成除冰化学品的话，成本要多出好几倍。

1.1导电混凝土的强度大机场跑道道面为混凝土结构，在飞机运行中以及车辆行驶的过程中会在摩擦作用下产生静电效应。

飞机和车辆对道面所产生的静荷载作用和动荷载作用、环境温湿度的变化、地基在作用力下产生不不均匀沉降等等，都会对道的路面产生负面影响。

道面要能够满足需求，就需要道面所使用的混凝土具有较高的抗压强度，抗折强度也要有所增强。

轻集料导电混凝土路面融雪化冰性能研究的开题报告

轻集料导电混凝土路面融雪化冰性能研究的开题报告一、选题背景在冬季，路面的结冰和积雪往往成为交通安全的隐患，严重影响交通的畅通和安全。

传统的融雪化冰方式主要是靠化学融雪剂，该方法存在的问题主要有环境污染、对路面的腐蚀和使用成本高等。

因此，研究一种更环保、经济、有效的融雪化冰方法就显得尤为重要。

近年来，随着建筑业的不断发展，轻集料导电混凝土作为一种新型路面材料正在应用于道路建设中。

该材料通过掺入适量的导电材料，如铝粉等，使路面具有良好的电导性能，从而通过加热路面来达到融雪化冰的目的。

相比于传统的化学融雪剂，轻集料导电混凝土具有无污染、无腐蚀、长效性好和使用成本低等优点。

因此，研究轻集料导电混凝土的融雪化冰性能就具有十分重要的实际意义。

二、研究内容本论文将采用实验室模拟法对轻集料导电混凝土路面进行融雪化冰性能的研究。

具体研究内容如下：1. 轻集料导电混凝土的制备：采用不同的轻集料和导电材料，以不同掺量制备多种轻集料导电混凝土；2. 热导率测试：通过热导率测试仪对制备的轻集料导电混凝土在不同温度条件下的热导率进行测试；3. 电阻率测试：采用电阻率测试仪对制备的轻集料导电混凝土在室温和低温条件下的电阻率进行测试；4. 融雪化冰实验：在实验室内对制备的轻集料导电混凝土进行融雪化冰实验，检测路面温度、时间和结冰情况；5. 结果分析：对实验数据进行统计和分析，评价不同轻集料和导电材料掺量的轻集料导电混凝土融雪化冰性能。

三、研究目标本论文旨在通过实验室模拟法对轻集料导电混凝土路面的融雪化冰性能进行研究，以探索一种更加环保、经济、有效的融雪化冰方法。

研究结果不仅可以为道路建设提供新的材料和技术支持，还可以为城市交通安全提供一定的保障。

四、研究方法本论文采用实验室模拟法，通过制备不同掺量的轻集料导电混凝土，并在不同温度条件下进行热导率和电阻率测试，以了解其导电性能。

然后在实验室内对制备的轻集料导电混凝土进行融雪化冰实验，检测路面温度、时间和结冰情况，并对实验数据进行统计和分析。