楊 楊 郎東瑩

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碳纖維混凝土在機(jī)場跑道中的應(yīng)用

楊 楊 郎東瑩

（濱州學(xué)院 建筑工程學(xué)院 山東濱州）

目前，碳纖維混凝土作為一種高性能的應(yīng)用材料，在各方面都有所應(yīng)用。碳纖維混凝土具有良好的電熱效應(yīng)且較普通混凝土在實(shí)際在應(yīng)用中有很大的穩(wěn)定性及可行性。通過外加電場作用使其具有良好的到電熱性能，可以解決冬季機(jī)場跑道的融雪除冰所遇到的難題。

碳纖維混凝土；電熱效應(yīng)；融雪除冰

1.理論分析

當(dāng)混凝土摻入碳纖維材料后，混凝土的導(dǎo)電性有很大的改善，這種功能材料稱為碳纖維導(dǎo)電混凝土。這種效應(yīng)成為碳纖維混凝土的電熱效應(yīng)又被稱為焦耳效。普通混凝土在干燥的狀態(tài)其電阻率大約為106-108Ω·m，而在潮濕的狀況下其電阻值約為101-103Ω·m。由此帶來了普通混凝土在利用其電熱效應(yīng)方面的問題。而碳纖維混凝土在這兩種狀態(tài)下都具有穩(wěn)定的電阻率，從而可以利用其此方面的優(yōu)勢解決寒冷季節(jié)機(jī)場跑道的融雪除冰問題。

2.試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)材料及試件制備

材料：42.5級普通硅酸鹽水泥、濱州地區(qū)河沙、硅微粉（消泡劑）、聚丙烯腈(PNA)纖維。

甲基纖維素CMC（分散劑）、6mm×6mm銅網(wǎng)（電極）、銅質(zhì)導(dǎo)線若干。

實(shí)驗(yàn)儀器：15V交流電、苯板、熱電偶、智能手持式數(shù)字多用表。

試件制備：碳纖維混凝土試塊的尺寸為70mm×70mm×70mm，碳纖維的摻和量分別為水泥質(zhì)量的0.3%,0.6%,0.8,1.0%,1.2%每組試件為3個，配合比為水泥：砂：水=1:1:0.5，CMC溶液的濃度為0.8%,消泡劑（水泥+微硅粉），標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天。

2.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

碳纖維的摻和量及通電時間對碳纖維混凝土電熱效應(yīng)的影響，根據(jù)碳纖維混凝土通電后可以發(fā)熱的性能，解決機(jī)場跑道等方面的融雪除冰問題。

2.3實(shí)驗(yàn)方案

本試驗(yàn)研究不同碳纖維摻和量對碳纖維混凝土試塊的電熱效應(yīng)，試塊初始溫度為0℃，研究給初始試塊兩端通15V交流電壓，試塊的發(fā)熱情況。用于試驗(yàn)的試塊在冷凍箱中冷凍，使其溫度降低到19℃將熱電偶的探頭固定于試塊的表面，來測量試塊表面的溫度，用苯板將試塊包裹起來，從而防止試塊熱量散失影響試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中用熱電偶來測量試塊的溫度，每30分鐘測量并記錄一次溫度，連續(xù)記錄時間為6個小時。

圖2.1電熱效應(yīng)試驗(yàn)布置圖

2.4試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2.1 試塊溫度與通電時間關(guān)系表

圖2.2摻和量為0.8%時試塊溫度和通電時間關(guān)系圖

從圖2.2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著通電時間的延長，碳纖維混凝土試塊表面的溫度也隨之增加，通電時間在336min左右時，試塊溫度在36.5℃上下浮動，若繼續(xù)通電則溫度不在繼續(xù)增加。

碳纖維的摻和量對碳纖維混凝土試塊電熱效應(yīng)的影響如下圖所示：

圖2.3碳纖維摻和量對電熱效應(yīng)的影響

從試驗(yàn)得出的圖形中可以觀察到，在通電時間336min試件表面溫度均達(dá)到某一個穩(wěn)定值，達(dá)到這個數(shù)值后繼續(xù)通電時間溫度不再有很大的上升，而是出現(xiàn)一個穩(wěn)定的波動。另一個方面，在碳纖維摻和量在0.8%-1.0%時所測得試塊所達(dá)到的最高溫度隨著碳纖維摻和量的增加而增高，當(dāng)摻和量在1.0%-1.2%時所測得的試塊所達(dá)到的最高溫度隨著碳纖維摻和量的增加而減小。通過觀察分析這種現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)試塊的電熱效應(yīng)與試塊的電阻值的變化是相關(guān)的。結(jié)論為：試塊電阻越大，其導(dǎo)電性能就越差，從而導(dǎo)致試塊的電熱性能也越差，所達(dá)到的最高溫度也相應(yīng)的變低。碳纖維的摻合量對試塊電阻的影響導(dǎo)致了對試塊電熱效應(yīng)的影響繼而可以影響到溫度的提高。

2.5試驗(yàn)結(jié)論：

試驗(yàn)研究了碳纖維混凝土的電熱效應(yīng)，通過試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

給碳纖維混凝土試塊兩端通電后，試塊明顯發(fā)熱，在通電336分鐘后會達(dá)到一個穩(wěn)定的值，在通電試塊溫度不再升高。而且由于碳纖維的摻和量會對電阻產(chǎn)生影響，所以碳纖維的摻合量會對碳纖維混凝土的電熱效應(yīng)產(chǎn)生影響，當(dāng)碳纖維摻和量在1%時試塊溫度能達(dá)到最高值。

3.碳纖維混凝土用于北方寒冷冬季機(jī)場跑道除雪化冰工作的意義及其可行性

在北方各地每年都有因?yàn)闄C(jī)場跑道被冰雪覆蓋而造成的航班大面積晚點(diǎn)或者航班的取消，給乘客和機(jī)場都帶來很大的損失。

通過試驗(yàn)證實(shí)了碳纖維混凝土具有良好的電熱性能，在對其進(jìn)行通電后溫度有明顯的上升?？梢栽賹C(jī)場跑道施工時加入碳纖維材料（摻合量為1%最為合適），這樣可以利用碳纖維混凝土的電熱效應(yīng)在最短的時間內(nèi)除去機(jī)場跑道的冰雪。而且利用計算機(jī)技術(shù)控制通電時間可以實(shí)現(xiàn)機(jī)場除冰化雪工作的智能化，不僅可以在短時間內(nèi)除去冰雪，而且可以做到隨時清理，另外利用這項(xiàng)技術(shù)還可以大大減少機(jī)場除冰化學(xué)工作對人力、機(jī)械的需求，做到利用機(jī)場跑道自身清雪化冰，在此同時依然能夠保證飛機(jī)的正常起降，大大改善由于跑道冰雪造成的飛機(jī)延誤及安全隱患。

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楊楊（1992-），男，山東濟(jì)寧人，濱州學(xué)院建筑工程學(xué)院，學(xué)生。

指導(dǎo)教師：郎東瑩（1986-），女，山東濱州人，濱州學(xué)院建筑工程學(xué)院，助教。

項(xiàng)目來源：濱州學(xué)院國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目 項(xiàng)目編號201510449010

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