胡天文， 張佩浩， 黃貴濤， 王加寶

(1.中鐵北京工程局集團有限公司 機場工程分公司， 北京市 102308； 2.中國民航大學(xué) 機場學(xué)院)

機場跑道常因積雪結(jié)冰等因素而影響其運行，導(dǎo)致航班晚點。在混凝土中添加一定量具有導(dǎo)電特性的碳纖維，通過導(dǎo)電升溫可制備具有融雪化冰特性的智能混凝土。國內(nèi)外學(xué)者對碳纖維混凝土做了大量研究工作，分析了其導(dǎo)電機理、壓敏、溫敏、電阻率、焦耳效應(yīng)、力電效應(yīng)、屏蔽效應(yīng)等系列功能特性。

1993年，美國D.D.L.Chung對碳纖維混凝土進行了多年的研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維混凝土電阻率與其內(nèi)部裂紋的閉合與擴展等有關(guān)；李卓球等發(fā)現(xiàn)了碳纖維混凝土的Sebeck效應(yīng)，并研究了影響Sebeck效應(yīng)的3種因素：碳纖維含量、水泥基體以及齡期；唐祖全通過對400 mm ×400 mm ×20 mm的碳纖維混凝土試樣進行室外融雪試驗，得到雪停之后以較大發(fā)熱功率融雪效果更佳；侯作富對碳纖維導(dǎo)電混凝土進行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境下導(dǎo)電混凝土板融雪功率可降至300W/m2，碳纖維最佳體積含量為0.73%；孫明清研究了碳纖維混凝土和素混凝土的力電機敏性，揭示了碳纖維導(dǎo)電混凝土在受載荷作用時和由此產(chǎn)生的電流強度之間呈一一對應(yīng)的關(guān)系；孫建虎等的試驗結(jié)果表明：碳纖維導(dǎo)電混凝土的抗壓強度隨碳纖維含量的增加有所降低，但劈裂抗拉強度有所增加；王闖等試驗分析了碳纖維在3種不同分散劑溶液下的分散性，結(jié)果表明：羥乙基纖維素的分散作用最佳；徐高偉研究了碳纖維對混凝土抗壓強度的影響，指出當(dāng)碳纖維長度為5～6 cm時抗壓強度有明顯升高，而當(dāng)碳纖維長度繼續(xù)增長時其抗壓強度逐漸降低，在長度為11 cm時降至與素混凝土同等的抗壓強度；丁汀等通過啞鈴結(jié)合刀口法的試驗分析了裂縫寬度對碳纖維導(dǎo)電混凝土特性的影響，得到其電阻變化率在初期與裂縫大小線性相關(guān)，當(dāng)達到臨界裂縫大小后電阻變化率迅速變大；同時指出機場道面碳纖維混凝土裂縫的有效臨界寬度為0.65 mm。

該文主要對厚尺寸碳纖維混凝土和雙層混凝土板導(dǎo)電升溫特性進行探討。

1 試驗材料

該文所選用的碳纖維為河北產(chǎn)6 mmPAN基短切碳纖維，其基本性能指標如表1所示；硅灰的加入能有效改善碳纖維混凝土的導(dǎo)電特性，同時適當(dāng)提高其抗壓強度和彎拉強度，該文選用硅灰的基本性能參數(shù)如表2所示；水泥、石子、砂子均來自天津本地，其中水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥。為保證良好的導(dǎo)電性以及制備方便，石子粒徑為4.75～16 mm，砂子粒徑為

表1 碳纖維性能參數(shù)

表2 硅灰基本性能參數(shù)

0～2.36 mm。電極采用0.3 mm厚不銹鋼板連接導(dǎo)線制成，并在鋼板中間沖孔，以保證導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電性以及電極兩側(cè)混凝土的連接。

2 厚尺寸板試驗研究

前人對導(dǎo)電混凝土的研究大多局限在小尺寸板，對厚尺寸導(dǎo)電混凝土的研究較少，該文通過制作厚尺寸碳纖維混凝土試樣，研究道面板不同厚度處的溫度變化規(guī)律，探究厚尺寸導(dǎo)電混凝土板應(yīng)用的可行性。

2.1 厚尺寸板制作

傳統(tǒng)配合比中石子骨架用量較多，在碳纖維混凝土中，石子阻礙導(dǎo)電回路的形成，即石子比例越大碳纖維混凝土電阻越大。因此，若采用傳統(tǒng)配合比制備碳纖維混凝土，其阻值很大，不能滿足融雪化冰的要求。綜合試驗試配及相關(guān)文獻，該文碳纖維混凝土的配合比?。核唷檬印蒙白?1∶1∶1，水灰比為0.5，并采用硅灰含量10%等質(zhì)量代替水泥，碳纖維體積含量均為0.6%。厚尺寸板試樣尺寸為60 cm×30 cm ×30 cm，電極板尺寸為28 cm×28 cm。

制備厚尺寸碳纖維混凝土板時，為使碳纖維均勻分布，將水泥、砂、硅灰以及短切碳纖維水泥砂漿在攪拌機內(nèi)分層鋪好，徐徐加入總用水量的1/3左右；待碳纖維水泥砂漿攪拌均勻后，將剩余用水量以及石子加入混合料中攪拌均勻；在制作好的模具四周涂油，同時固定電極板并在兩邊設(shè)置4 cm保護層。由于板較厚分兩次澆筑并在試樣內(nèi)部不同厚度位置預(yù)埋7根溫度傳感器，表面設(shè)置5個測點。試樣成型后澆水養(yǎng)護28 d。

2.2 厚尺寸混凝土導(dǎo)電升溫試驗

對試樣施加40 V交流電壓，測定其不同位置溫度變化情況，同時在電路中接入電流表、電壓表測定其電阻隨升溫時間的變化。為保證四周絕熱，整個試驗過程均未拆模具，圖1為試驗裝置以及各測點位置圖。

圖2為在室溫環(huán)境下施加40 V交流電壓， 120 min時間內(nèi)各測點溫度變化曲線。由圖2可知：在升溫前30 min內(nèi)，各測點升溫速率大致相同。隨著升溫時間的增加，碳纖維混凝土在不同厚度上的升溫差異逐漸明顯：表面升溫速率逐漸減慢，并具有穩(wěn)定趨勢(8、9點)；7點較2、3點溫度高，2、3點較6點溫度高。表明溫度自上而下逐漸增加，這是由于混凝土在升溫過程中僅表面與外界存在熱交換，而下部熱量往上傳遞速率較慢，從而導(dǎo)致表面溫度最低。圖3為升溫過程中電阻變化規(guī)律，可知：在整個過程中混凝土試樣的電阻均保持在4.5 Ω左右，說明厚尺寸碳纖維混凝土對溫度敏感性小。

圖1 試驗裝置及測點布置圖(單位：cm)

圖2 40 V電壓下厚尺寸試樣各測點升溫曲線

圖3 升溫過程中電阻變化圖

為進一步研究厚尺寸導(dǎo)電混凝土在升溫過程中其內(nèi)外溫度差異，施加30 V交流電壓，測定其540 min時間內(nèi)溫度的變化(圖4)。

圖4 30 V電壓下厚尺寸試樣各測點升溫曲線

由圖4可知：在長時間升溫過程中，混凝土內(nèi)部溫度持續(xù)升高，尤其底部7點和中部3點溫度上升速率較快；而表面溫度在300 min左右時，逐漸趨于穩(wěn)定。同時可知在相同厚度方向不同測點溫度存在差異，這是因碳纖維混凝土制備過程中不均勻所致。

3 雙層混凝土板試驗研究

3.1 碳纖維混凝土雙層板尺寸分析

導(dǎo)電混凝土在通電升溫過程中，其發(fā)熱功率可由以下公式計算得到：

(1)

(2)

(3)

S=bh

(4)

式中：P為發(fā)熱功率(W)；U為電壓(V)；I為電流(A)；ρ為電阻率；L為電極間距(m)；S為電極面積(m2)；b為電極長度(m)；h為電極高度(m)。

根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)知識可得，t時間內(nèi)產(chǎn)生的能量可表示為：

Q=Pt

(5)

若不考慮導(dǎo)電混凝土產(chǎn)生的能量與外界環(huán)境的熱傳遞、熱傳導(dǎo)以及熱輻射等，則產(chǎn)生的能量將全部轉(zhuǎn)化為熱量，用于提高混凝土的溫度。

即Q=cmΔT

(6)

Pt=cρcSLΔT

(7)

(8)

可得混凝土升高溫度：

(9)

式中：ΔT為溫度漲幅；c為混凝土比熱容；ρc為混凝土密度；t為升溫時間。

由式(9)可得：在不考慮熱量損失情況下，導(dǎo)電混凝土升溫規(guī)律與碳纖維混凝土的比熱容、密度、電阻率、施加電壓的平方、施加電壓時間以及電極間距平方有關(guān)。對于特定的碳纖維體積含量的混凝土而言，由于其密度、電阻率、比熱容為其固有性質(zhì)可通過簡單試驗或者查閱相關(guān)文獻獲取，可認為是已知量，則單位時間其升溫效果僅與電壓和電極間距有關(guān)。因此，若單位時間內(nèi)升溫效果相同，則其電壓與電極間距比值為定值。

因機場道面板采用分倉澆筑，每塊的尺寸以及道面板的厚度根據(jù)設(shè)計的不同均存在一定差異，該文假設(shè)一塊道面板尺寸為5 m×5 m，厚度取30 cm進行分析。碳纖維價格昂貴，若道面板厚度方向均澆筑碳纖維混凝土造價將大大增加。同時，由前文可知，厚尺寸混凝土在升溫過程中其內(nèi)部溫度較高，內(nèi)外溫差大，會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土板的變形破壞。

基于厚尺寸導(dǎo)電混凝土存在的缺陷，可在道面板上層5～10 cm設(shè)置導(dǎo)電混凝土，下層設(shè)置素混凝土，使機場道面板由較薄的導(dǎo)電混凝土層和較厚素混凝土層組成。因道面板面積較大，若僅在其兩端設(shè)置電極板，無法達到其升溫效果。因此，綜合考慮升溫效果及施工等多種因素，該文取電極間距為1.2 m。

3.2 大尺寸導(dǎo)電混凝土制作

該文制作尺寸為1.3 m×1.3 m、碳纖維層厚度為5 cm、素混凝土層厚25 cm大尺寸試樣，制備過程中各組分用量如表3所示。雙層混凝土試樣在澆筑前，下部鋪放碎石墊層，并將制作的木質(zhì)模具定位?；炷猎嚇拥闹苽渑c厚尺寸板制備方法相同，分3次澆筑完成：下層素混凝土厚度較厚分2次澆筑，上層碳纖維混凝土層1次澆筑完成。為測定混凝土升溫過程中各位置溫度變化情況，在澆筑過程中預(yù)埋多個溫度傳感器，用于后期檢測溫度。

3.3 雙層混凝土板導(dǎo)電升溫試驗

為研究雙層混凝土板導(dǎo)電升溫變化規(guī)律，在混凝土內(nèi)部不同厚度位置設(shè)置10個溫度測點，表面設(shè)置5個測點(圖5)并施加60、80、100、120、160 V的電壓值，分別對其進行導(dǎo)電升溫試驗，探究其溫度變化以及電阻變化規(guī)律。

表3 各組分用量

圖5 雙層混凝土板測點布置(單位：cm)

圖6為不同電壓下各測點溫度變化曲線。

圖6 不同電壓下不同測點升溫曲線

由圖6可知：碳纖維混凝土層表面測點溫度上升速率較快，且隨著升溫時間的增加，其溫度上升速率降低，并有穩(wěn)定趨勢。下層素混凝土測點(3、6、7、8)溫度沿厚度方向呈遞減趨勢，且隨著升溫時間的增加，溫度增加速率較快。這是由于導(dǎo)電混凝土層的熱量沿厚度方向往下傳遞，在升溫過程中傳至素混凝土層的熱量逐漸增加。

圖7為施加電壓過程中大尺寸板的電阻變化規(guī)律。

圖7 升溫過程中電阻變化

由圖7可知：① 隨著升溫時間的增加，碳纖維混凝土大尺寸板的電阻呈減小趨勢；② 施加不同電壓值，測得電阻值均不相同，這是由于碳纖維在混凝土中的分布是復(fù)雜且不均勻的，在施加不同電壓時，電子所獲得的能量不同，在混凝土中的運動軌跡不同，形成不同的電流回路，從而表現(xiàn)出不同的阻值;③ 電壓小于100 V時，電阻隨施加電壓值增加而降低，電壓值大于100 V時，電阻值隨施加電壓值增加而增大。但是施加不同電壓，電阻隨時間變化幅度較小對其導(dǎo)電升溫產(chǎn)生的影響可忽略不計。

4 結(jié)論

通過對厚尺寸碳纖維混凝土試樣以及雙層混凝土試樣的試驗研究，得到如下結(jié)論：

(1) 對于厚尺寸碳纖維混凝土試樣，其在導(dǎo)電升溫過程中表面溫度具有穩(wěn)定趨勢，而內(nèi)部溫度持續(xù)增加；且沿厚度方向溫度自上而下逐漸增加。

(2) 厚尺寸試樣升溫過程中電阻基本保持不變。

(3) 對雙層混凝土板施加不同電壓，表現(xiàn)不同的升溫規(guī)律。施加電壓越大，升溫效果越明顯；同時，得到導(dǎo)電混凝土層產(chǎn)生的熱量會沿厚度方向傳至素混凝土層，并隨著升溫時間的增加素混凝土層溫度升高速率加快而表面溫度升高速率減緩。

(4) 在升溫過程中雙層混凝土隨升溫時間增加，電阻有所降低，但降低幅度很?。皇┘硬煌妷?，電阻值表現(xiàn)不同，電壓小于100 V時，電阻隨施加電壓值增加而降低，電壓值大于100 V時，電阻值隨施加電壓值增加而增大。

(5) 雙層道面板并未做隔熱處理，導(dǎo)電混凝土層熱量沿豎向傳播有所損失而不能完全用于表面融雪化冰。因此，隔熱層材料選取以及設(shè)置方法還有待進一步探討；同時，豎向溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對道面板強度的影響還需研究。