（固体力学专业论文）轻集料导电混凝土路面融雪化冰性能研究.pdf

中文摘要 如何解决冬季路面结冰积雪是我国寒区冬季公路养护中存在的普遍问题，当 前环保问题受到全世界的广泛关注，冬季大量融雪剂的使用不仅给路面及基础 设施造成了严重破坏，也给环境带来了巨大的负面影响。因此，应运而生了多 种环保经济节能的融雪化冰方式而，热融雪方式成为人们青睐的对象之一。 本课题主要通过实验研究及有限元数值方法对轻集料导电混凝土融雪化冰 系统进行了研究，对路面结构温度分布、升温规律、稳定性及融雪化冰效率进 行了实验研究和数值模拟分析，对各种不同环境及不同功率作用下融雪化冰的 可行性进行探讨。并在此基础上初步提出了能实时融雪化冰的节能控制系统， 向高效、节能、环保的方向发展。本文主要结论： 1 ) 通过采用电功率3 0 0 w m 2 、4 0 0 w m 2 、5 0 0 w m 2 和6 0 0 w m 2 的化冰实验， 比较了轻集料导电混凝土的升温及化冰效率，结果显示环境温度分别为 1 0 5 、1 5 1 0 、2 0 1 5 时，导电混凝土层基本满足要求的输入 电功率分别不小于4 0 0w 恤2 、5 0 0w m 2 、6 0 0w m 2 。 2 ) 对比了含碳纤维格栅的混凝土与导电混凝土路面结构的升温及化冰效 率，升温过程中两者均具有较稳定的电阻，能够为升温及化冰提供稳定电功率。 通过不同功率作用发现，含碳纤维格栅的混凝土结构在同功率作用下升温速度 略高。 3 ) 通过导电混凝土大板的室外实验，在3 0 0w m 2 的电功率作用下，结果表 明使结构表面温度维持2 3 可以达到实时融雪需要。 4 ) 利用有限元软件a n s y s 对导电混凝土路面结构的化冰过程进行了模 拟，将计算结果与实验结果进行了对比分析，结果与实验结果基本吻合，表明 通过模拟计算可以进一步优化结构设计，并且能够预测达到指定升温及化冰效 果所需时间。 5 ) 通过对有无隔热层；在导电混凝土上层设置普通混凝土或沥青混凝土等 不同形式的路面结构的化冰模拟，发现影响路面结构升温速度和温度分布的几 个主要因素：隔热层的设置；在导电混凝土上层设置的普通或沥青混凝土的材 料选择在厚度设计对结构的传热及化冰效率都产生很大影响。因此可通过模拟 手段对多种材料及结构设计进行计算，设计出低成本、优性能的路面结构。 通过本课题的研究，对轻集料混凝土道路路面结构设计及材料选择都有重 要的指导意义，这种融雪化冰方式的选择，不但有助于冬季道路畅通和行车安 全，而且还将降低除冰盐的使用及减少除冰盐给混凝土结构和环境所带来的负 效应。 关键词：轻集料，导电混凝土，融雪化冰，实验研究，有限元，传热分析 i i a b s t r a c t t h eh e a v ys n o wa n di c yc o n d i t i o ni nw i n t e ri sav e r yc o m m o np r o b l e me x i s t e di n h i g h w a ym a i n t e n a n c e ，a n dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n s d u r i n gt h e s ey e a r s t h eb a dc l i m a t ee n v i r o n m e n ti sg e t t i n gw o r s e a n dw o r s e ，1 ti sa w a k e u pc a l lo ft h en a t u r a lw o r l d d e i c i n gs a l ta n ds n o wb r o t ha r ef r e q u e n t l yu s e di n t h er o a do fn o r t h e r nr e g i o ni nw i n t e r , i tm a k e sh u g eb a di n f l u e n c et o t h ep l a n t ， r e i n f o r c e dc o n c r e t er o a d sa n db r i d g e sa n ds oo n i nt h i sc a s e ，m a n yk i n do fe c o n o m i c ， e n e r g yr e d u c i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g ，s a f e ，r e l i a b l em e t h o d s f o rm e l t i n gs n o wa n d d e i c i n gh a v e b e e nd e v e l o p e d ，h e a t i n gm e t h o da t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , t h ed e i c i n ga n dm e l t i n gs n o ws y s t e mb yu s i n ge l e c t r i ch e a t i n ga g g r e g a t e c o n d u c t i v ec o n c r e t ei ss t u d i e d ，a n du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s a n a l y s e st h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fp a v e m e n ts t r u c t u r e t h em a i n l yr e s e a r c h p r o j e c t si n c l u d et h et e m p e r a t u r er i s i n gr e g u l a t i o n ，s t a b i l i t yo fa g g r e g a t ec o n d u c t i v e c o n c r e t e ，a n de f f i c i e n c yo fd e i c i n ga n ds n o w - m e l t i n g t h ef e a s i b i l i t yo fd e i c i n gi n d i f f e r e n te n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so r r e s u l t sf r o mt e s ta n dc a l c u l a t i o na r ei n u s i n gd i f f e r e n te l e c t r i cp o w e ri ss t u d i e d t h e g o o da g r e e m e n te a c ho t h e gw h i c hi n d i c a t et h a t t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e le s t a b l i s h e di sc o r r e c t b a s e do nt h es t u d i e sa b o v e ，an e w i n t e l l i g e n te n e r g y - s a v i n gc o n t r o l l i n gs y s t e m i si n t r o d u c e d t h em a i nc o n c l u s i o ni s ： 1 1a st h et h i c k n e s so ft h ei c eo nt h ep a v e m e n ti sn om o r et h a n3 m m a n dt h ea m b i e n t t e m p e r a t u r ea l e 1 0 ( 2 5 c ，1 5 c1 0 。c ，a n d 2 0 。c 一1 5 。cr e s p e c t i v e l y , t o m e e tt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fd e i c i n g ，t h ee l e c t r i cp o w e r s h o u l db en ol e s st h a n 4 0 0 w m 2 ，5 0 0 w m 2 ，6 0 0 w m 2r e s p e c t i v e l y 2 ) c o m p a r e dt h et e m p e r a t u r er i s i n gr e g u l a t i o n a n dd e i c i n ge f f i c i e n c yb e t w e e n c a r b o nf i b e rg r i da n dt h ea g g r e g a t ec o n d u c t i v ec o n c r e t e ，t h er e s u l ts h o w st h e e l e c t r i c a lr e s i s t a n c eo ft h e mi ss t a b l e ，a n dt h ec a r b o nf i b e rg r i di sw o r k e d b yt h e s a m ee l e c t r i cp o w e rh a saf a s t e rh e a t i n g 3 ) t h r o u g ht h ec o n d u c t i v ec o n c r e t es l a bi nt h eo u t d o o re x p e r i m e n t ，u s i n g3 0 0 w m z e l e c t r i cp o w e r , t h er e s u l ts h o w st h a tt h es t r u c t u r e t om a i n t a i nt h es u r f a c e t e m p e r a t u r eo f2 。3 c a na c h i e v et h er e q u i r e m e n tr e a l t i m eo fs n o w m e l t i n g 钔u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sa n a l y s e s t h et e m p e r a t u r e i i i d i s t r i b u t i o no fp a v e m e n ts t r u c t u r e t h em a i n l yr e s e a r c hp r o j e c t s i n c l u d et h e t e m p e r a t u r er i s i n gr e g u l a t i o n ，s t a b i l i t yo fa g g r e g a t ec o n d u c t i v e c o n c r e t e ，a n d e f f i c i e n c yo fd e i c i n ga n ds n o w m e l t i n g t h er e s u l t sf r o mt e s ta n dc a l c u l a t i o n a r e i n g o o da g r e e m e n te a c ho t h e r ，w h i c hi n d i c a t e t h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l e s t a b l i s h e di sc o r r e c t ，a n di tc a nf o r e c a s tt h et i m ew h i c hr e a c ht h es p e c i f i e d t e m p e r a t u r e 5 ) s i m u l a t e ds o m ed i f f e r e n ts t r u c t u r a ls t y l eo fp a v e m e n ts t r u c t u r e ，s u c ha sw h e t h e r w i t hi n s u l a t i o nl a y e ro rn o t ，s e t sal a y e ro ft h ec o m m o nc o n c r e t eo ra s p h a l t c o n c r e t ec o v e r e dw i t ha g g r e g a t ec o n c r e t el a y e r t h e r ea r es e v e r a lm a j o rf a c t o r s t h em a t e r i a lo fi n s u l a t i o nl a y e r , t h et h i c k n e s so fc o n d u c t i v ec o n c r e t ea n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t y , w h i c hi n f l u e n c et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fp a v e m e n ts t r u c t u r e t h e r e f o r e 。b ym e a n so fav a r i e t yo fm a t e r i a l sm o d e l i n ga n ds t r u c t u r a l d e s i g n ， d e s i g nal o w c o s t ，s u p e r i o rp e r f o r m a n c ep a v e m e n t s a t i s f i e df o rt h er e q u i r e m e n to f d e i c i n ga n dm e l t i n gs n o w t h i sr e s e a r c hh a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h el i g h t w e i g h ta g g r e g a t e c o n c r e t ep a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g na n dm a t e r i a ls e l e c t i o n t h e s ek i n d so fd e i c i n ga n d m e l t i n gs n o wm e t h o da r ec o n d u c i v et ot h es m o o t ha n ds a f e t yt r a f f i ci nw i n t e r , a n d r e d u c et h ed e i c i n gs a l tu s i n gw h i c hb r i n gt h en e g a t i v ee n v i r o n m e n t a li m p a c t k e y w o r d ：l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，c o n d u c t i v ec o n c r e t e ，d e i c i n ga n dm e l t i n gs n o w ， e x p e r i m e n t a ls t u d y , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，h e a tt r a n s f e ra n a l y s i s i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全 部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 雠，：零论二勿。r 研究生( 签名) ：争茔抛导师( 签名) ：多矿彳彳日期2 瑚d 心 武汉理t 大学硕十学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 如何解决冬季路面结冰积雪问题是我国寒区冬季公路养护中存在的普遍问 题，甚至于在我国广大的南方地区，2 0 0 8 年初的冰雪灾害就造成了交通大面积 拥堵瘫痪，损失巨大。目前，公路交通部门一直大量采用氯盐融雪剂造成了道 路桥梁混凝土结构的腐蚀l l 。2 j 、道路两旁绿化带的破坏、土壤碱化板结、污染地 下水源等，给基础设施和自然环境带来了较大的负面影响【3 一q 。环境温度较低时， 机械除雪时对冰层的消除不彻底，效率低费用高【5 1 ，而且不能实现实时、自动的 除冰雪。因此，在不断地寻找环保节能的除雪方式过程中，热融雪法无疑成为 当前寻求的环保绿色无污染融雪化冰的最佳方式。 我国北方地区冬季降雪较早，待续时间达数月之久，长期的冰雪天气严重 影响了道路、铁路、机场畅通及人们行车安全，给生产生活带来了相当大的不 便。因此开展导电混凝土融雪化冰及在高速公路、机场跑道等混凝土路面除雪 化冰中的应用研究具有重要的理论和现实意义。 本文以公路及新型机场路道的冬季除冰为研究背景，开展了关于轻集料导 电混凝土电热性能、化冰效率、能量消耗、电阻稳定性的研究，并进行了室外 导电混凝土大板的制作及化雪性能研究及有限元模拟与试验的对比分析。本文 的研究对导电混凝土在道路交通应用具有重要的指导意义，这种集功能与结构 于一体的新型建筑材料在目前建设能源节约型，环境友好型社会具有更加现实 的意义。 1 2 国内外道路融雪化冰现状 对于道路的除雪化冰目前主要采用的几种类型：清除法和融化法。清除法 主要是人工除雪和机械除雪；融化法主要包括融雪剂除雪和热融雪法，如图1 - 1 所示。 武汉理下大学硕十学位论文 融 雷 化 冰 方 法 1 2 1 机械除雪 图1 - 1 除雪化冰方法示意图 吹雪机除雪 机械设各铲雪 氯化物融雪 环保型融雪剂 地热管法 碳纤维发热丝 发热电缆加热法 太阳能一土壤蓄热法 导电混凝土法 导电沥青法 机械除雪是通过机械对冰雪的直接作用而解除冰雪危害的一种方法，国内主 要的除雪机械分为犁式除雪机、螺旋转子式除雪机、清扫式除雪机、破冰机撤 布机、吹风式除雪机和融雪机等【5 j 。根据道路积雪情况的不同，一般采取以下几 种基本除雪作业：清除新雪，除雪堤，清除积雪，运移积雪【6 j 。在降雪初期及清 除新雪旱，用犁式除雪机沿养护路段循环作业，直到路面无积雪。除雪时应尽 可能的提高作业速度，为了不形成较高的雪堤，作业速度不低于3 0 3 5 k m h 。在 降雪量不超过3 - 5 c r n h 时，可采用单机作业，而降雪量较大，交通流量较大时， 应采用除雪机组联合作业，一次必将雪运移至路肩，从而消除风雪流阻力影响， 将路面清除干净。机械除雪的除雪质量受温度影响较大，因此选择合适的除雪 时机显得非常重要，并且在除雪之后要及时的撒融雪剂融雪融雪、防冻。但当 气温较低时，由于冰与路面之间的粘结力较大，单独使用机械除雪效果并不好， 对冰面清除不彻底。以上几种机械除雪的效率均比较低，而且费用高。 1 2 2 化学融雪 目前国内外使用的化学融雪剂主要有：n a c l 、c a c l 2 、m g c l 2 等，融雪剂的 使用一直倍受人们关注，常用的化冰盐因其价格低廉，融雪效果好，短期内仍 然难以被完全取代【7 8 】，但是大量化冰盐的使用已经给人们带来经济和环境方面 的巨大压力。美国由氯盐融雪剂腐蚀破坏环境的成本可占g d p ( 国民生产总值) 的4 ，美国每年用于修复的费用大于2 0 0 0 亿美元，是初建费的4 倍1 9 j 。北欧的 丹麦，在哥本哈根地区调查了1 0 2 座桥，其中5 0 有严重的钢筋腐蚀现象，主 因是使用氯盐融雪剂【l o j 。法国每年冬季要花4 亿法郎购买1 5 0 万吨融雪盐，主 2 武汉理工人学硕十学位论文 要是氯化钠【1 。大量长期的使用氯化物作为化冰盐带来了诸多问题，对混凝土 路面造成损伤、对加强钢筋和汽车车身造成腐蚀；对周围土壤造成污染等。同 时，盐融化冰雪的能力与温度有关，在1 时，l k g 盐能融化4 6 3 k g 冰或雪， 而在1 8 时，l k g 盐仅能融化3 7 k g 冰或雪。因此在低温环境下盐的融雪化冰效 果并不理想i l 2 。 环保融雪剂是绿化盐的替代品，比如尿素、焦鳞酸四钾、醋酸镁钙等。这类 融雪剂中无氯盐、硫酸盐等腐蚀性成分，腐蚀性较小，对城市基本设施及绿化 带影响小，而且融雪速度要快于工业盐水溶液。但是其价格昂贵，是n a c i 价格 的1 5 3 0 倍，因此只能在特殊环境下使用，由于成本问题不可能大范围推广应 用。同时醋酸钙、硝酸钙和尿素的降低冰点的能力均于氯盐，用量大且只能用 于环境温度不太低的条件下。由于此类环保型融雪剂每吨耗资达上万元，在没 有研制出新的具有明确环保功能，且造价低的融雪剂前，只能继续使用氯盐类 产品作为融雪剂【1 3 j 。 1 2 3 微波除雪 在传统的除冰方法之处，又出现了一种新的除冰方法，即利用微波加热来清 除道路结冰。微波通过穿透冰层加热路面，使得贴近路面的冰得以融化，路面 和冰层分离，消除了它们之间的结合力，从而使清除冰变得相对于纯机械方式 容易得多。 当积冰与路面紧密结合时，采用单一的机械法除冰容易损伤路面，而将微波 加热技术与机械除雪相结合的方式，可解决这一问题。微波除雪也不是单一进 行的，而是与机械除雪结合共同作业。微波加热属于电磁波加热，是物体内部 加热【1 4 。微波加热法只对路面和冰雪接触层进行加热，且温度低( 略高于0 ) ， 不会对路面及周边环境造成不良影响。这种将微波与机械除雪相结合，利用微 波透过冰层加热路面，使贴近路面的冰层融化i l 引，路面与冰层之间分离，再用 较小的机械力即可实现高效除冰除雪的目的，这种装置将微波技术与机械除雪 相结合，提高除雪效率，能够较好的去除路面冰层，不对环境产生负面影响【1 6 】。 1 2 3 热融雪 该方法包括地热管法、热液法、红外灯照加热法、发热电缆、太阳能土壤 蓄热法、导电混凝土法和导电沥青法等。 3 武汉理1 。人学硕十学位论文 地热管法。该方法是通过管道将地热传到地表面，从上世纪7 0 年代初就= j ；f _ 始进行试验。1 9 8 4 年有w y o 的l a r a m i e 进行的试验使桥梁表面温度升高了 2 1 4 。其缺点是安装和建造加热管道相当复杂。 热液法。1 9 5 0 年，z c n n c w i t z , j a 在一条长1 2 2 m 的混凝土路面上安装了一套 热水加热装置，热量来自于天然水进，后来由于自动控制系统的失灵和p v c 管 道的渗漏使得试验被迫中止【l ”。 发热电缆。2 0 世纪9 0 年代初期，国内大量引进国外的电热技术，如电热膜、 发热电缆等大量运用于石油管道、消防以及排水管道防冻、地板辐射采暖、冬 季草坪防冻等。发热电缆用于融雪化冰是发热电缆在设定电功率的作用下将电 能转化为热能，从而达到融雪化冰目的，该融雪化冰方式对路面的热冲击作用 小、环境无污染、热稳定性能好、易于控制及施工方便等优势。近年来，芬兰、 丹麦、挪威、美国等国已经进行了发热电缆制造、安装和应用研究工作，在地 板辐射采暖系统、草坪供热系统和屋顶天沟融雪化冰系统中得到了广泛的应用。 丹麦d e v i 公司是世界上最大的地面电加热系统制造商。2 0 0 0 年，d c v i 奥地 利分公司在a r l a n d 购物中心的停车场坡道建造了2 3 7m 2 的电热融雪路面，以融 化坡面冰雪，总功率5 93 k w ( 如图1 - 2 a ) 。2 0 0 4 年秋d e v i 芬兰分公司在r o v a n i c m i 机场建造了3 0 0m 2 的电热融雪路面试验段，用于测试奔驰、宝马等汽车在一侧 为薄冰路面，另一侧为无冰路面上的操纵性能( 如图1 - 2 b ) 。2 0 0 4 年，d e v i 土 耳其分公司为位于土耳其l z m i t 的本田汽车工厂的厂房屋顶布置了6 0 0 m z 的电热 电缆，以融化屋顶冰雪，总功率1 8 5 k w ( 如图1 2 c ) 。e l e k t r a 公司为中欧著名的 电热地面系统制造商，生产e l e k t r a 电热电缆、电热垫、温度控制器等系列产品。 图1 3 为该公司将电热电缆用于丰田汽车工厂厂区道路的融雪，融雪路面总面积 为3 5 1 3 0 i n 2 ，总功率达1 0 0 0 k w 。 图1 2 丹麦d e v i 公司完成的若干电热电缆融雪路面工程实例 武汉理上人学硕士学位论文 ! 图1 - 3e l e k t r a 公司完成的波兰丰田变速箱厂道路电热融雪工程全貌 武海琴、王贯明等对发热电缆用于路面融雪化冰开展了在同一铺装功率 下，化冰及融雪情况、不同气候条件下上表面的温度分布及升温规律的试验研 究，提出铺装功率在2 7 0 w m 2 时可满足实时融雪要求。北京市政工程研究院也 在开展发热电缆用于桥染坡道融雪的工程实践。2 0 0 6 年底哈尔滨文昌大桥桥面 作为国内首次尝试路面铺设加热电缆进行融雪1 2 0 l ，该高架桥全眭2 7 8 0 m ，受地 形影响设计坡度大，冬季下雪后机动车辆爬坡困难，为此耗资2 0 0 余万元从丹 麦引进了电加热温控融雪技术，在上桥匝道的部分地面铺设电缆线，总铺设面 积达到1 7 6 0 m 2 ，发热电缆可使道路表面温度升高1 - 1 0 ( 2 ，专门用于融化引桥匝 道处的积雪。 太阳能土壤蓄热法。该热融雪化冰系统是通过抉热介质分别在夏季利用换 热介质( 水) ，从高温热源吸热，向低温热源放热，并利用土壤特有的蓄热特性 将热量保存，到冬季通过换热介质水，从温度较高的高温热源吸热，向温度较 低的低温熟源放热的循环过程。其吸收和发热过程完全是利用热热介质水和自 然环境间的温度差乾地的，除消耗一定的循环水泵能耗外，不消耗其他形式的 能量，是一种高效、环保的太阳能利用方式口”。开本国家资源与环境研究院 ( n i r e ) 在国际经合组织( o e c d ) 和国际能源组织( i e a ) 的可再生能源的专 项促进下，于1 9 9 5 在日本二户市建造了首例全自动路面集热蓄能循环热流体融 雪化冰系统g a i a 工程( 如图1 - 4 所示) 。在公路急弯坡道处，建设了6 5 m 长的该 系统，解决防滑安全问题。 蘑， 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 4 路面集热蓄能循环热流体融雪化冰系统g a i a 工程 导电混凝土法。在导电混凝土融冰化雪研究方面，唐祖全、侯作富1 2 2 - 2 9 1 等 较系统地研究了碳纤维混凝土的电导率与碳纤维掺量、硅粉、集料、电极形式 等的关系，配制了碳纤维混凝土小板( 2 c m x 4 0 c m x 4 0 e m 和5 c r n 4 0 c m x 4 0 c m 两 种规格) 在野外和冰柜内的化冰和融雪实验，并采用有限元法分析了不同环境 条件下所需的电功率，为这种导电混凝士在路面融雪化冰方面的应用奠定了基 础。美国内布拉斯加州的7 7 号公路上的r o c as p u r 桥是世界上第一座在桥面上 铺设导电混凝土融雪的桥梁，铺设面积为3 0 6m 2 ，导电混凝土层厚度为1 0 2 蛐呻l 。该混凝土含不同颗粒级配的石墨粉2 5 v 0 1 ( 体积份数) 和钢纤维1 5 v 0 1 ，材料电阻率为3 9 5n 锄。通电时路面平均温度比周围空气温度要高1 0 左右，能成功将冰雪融化。系统建造总费用为$ 1 9 3 1 7 5 ，平均每场雪耗电 3 2 0 0 k w h 。王小英等采用纳米导电炭黑制备了导电水泥砂浆，发现其渗滤阈值仅 为1 _ 3 4v 0 1 ，此时电阻率达到1 0 2qc m ，抗压强度为4 5 j m p 一”l 。由于纳米 导电炭黑价格( 1 5 2 0 元，k s ) 低，掺量也比较少，而且与混凝土原材料容易拌 合，适合于大量配制使用的导电混凝土。 1 3 论文研究的主要内容 本论文在普通导电混凝土融雪化冰基础上，以道路路面面层结构为研究背 景，配制炭黑轻骨料导电混凝土，并根据道路路面结构设计标准配制含轻内料 导电混凝土的面层结构试样，并在模拟的寒冷环境下研究不同电功率作用时路 面的升温和化冰效果而且在真实环境下对轻集料导电混凝土大板的化冰及普 通导电混凝土大板升温及化冰性能进行了比较研究。具体的研究内容如下： 1 在寒冷环境下，进行轻集料导电混凝土小板的升温及化冰试验，进行在 武汉理工大学硕士学位论文 不同的输入功率作用下导电混凝土的升温、化冰试验研究，研究了在不同环境 温度情况下的化冰研究，并考查不同工况下能量消耗，导电混凝土工作时的电 阻稳定性。 2 制作含碳纤维的路面结构层，研究其在不同环境或不同功率作用下的升 温化冰效率，与轻集料导电混凝土试样比较各自优劣。 3 制作轻集料导电混凝土和普通混凝土大板，进行在不同功率作用下导电 混凝土的升温及化雪试验研究，并比较两者的升温及化雪效率。 4 运用有限元软件对导电混凝土电热模型进行传热分析，试图采用模拟手 段来比较不同环境温度条件路面结构的温度分布，在不同功率作用下结构的温 度分布，并尽可能预测化冰及达到预定升温效果所需要的时间，因此选用最优 的电功率控制。 7 武汉理l 人学硕士学位论文 第2 章轻集料导电混凝土路块化冰试验 2 1 概述 轻骨料混凝土是指用轻粗骨料、轻细骨料( 或普通砂) 、水泥、水及加入化 学外加剂和矿物掺合料配制而成，并且在标准养护条件下，2 8 天龄期的干表观 密度小于1 9 5 0 k g m 3 的混凝土【3 2 l 。轻骨料表面粗糙多孔，有一定吸水能力，有利 于改善混凝土的乔面粘结，提高整体强度；其吸水能力又可作为水分存贮器， 先吸入一部分水分，在以后的养护过程中又释放出来，有利于水泥的充分水化。 轻集料混凝土具有自重轻、保温隔热和耐火性能好等特点。结构轻集料混 凝的抗压强度最高可达7 0 m p a ，与同标号的普通混凝土相比，可减轻自重2 0 3 0 以上，结构保温轻集料混凝土是一种保温性能良好的墙体材料，其热导率 为0 2 3 3 - - 0 5 2 3 w ( m 蛐，仅为普通混凝土的1 2 3 3 。轻集料混凝土的变形性 能良好，弹性模量较低，在一般情况下，收缩和徐变也较大。轻集料混凝土的 弹性模量与其容重和强度成正比，容重越小、强度越低，弹性模量也越低，与 同标号的普通混凝土相比，轻集料混凝土的弹性模量约低2 5 - 6 5 蜊邛l 。 表2 1 轻骨料混凝土按用途分类【驯 混凝土强度等级混凝土密度等级 类别名称用途 的合理范围的合理范围 主要用于保温的维 保温轻骨料 l c 5 0 = 8 0 0 护结构或热工构筑 混凝土 物 结构保温轻骨料l c 5 0 ，u ：7 5 ， 8 0 0 - 1 4 0 0 主要用于即承重又 混凝土 l c i o ，l c l 5 保温的维护结构 结构轻骨料 l c l 5 ，l c 2 0 ，l c 2 5 ， 主要用于承重构件 l c 3 0 ，l c 3 5 ，l c 4 0 ， 1 4 0 0 1 9 0 0 混凝土或构筑物 l c 4 5 ，l c 5 0 ，l c 5 5 ，l c 6 0 轻集料混凝土如表2 - 1 所示按用途分类，大量应用于工业与民用建筑及其他 工程，可收到减轻结构自重，提高结构的抗震性能，节约材料用量，提高构件 8 武汉理1 二大学硕士学位论文 运输和吊装效率，减少地基荷载及改善建筑功能( 保温隔热和耐火等) 等效益1 3 5 1 。 因此，在2 0 世纪6 0 - - - 7 0 年代，轻集料混凝土的生产和应用技术发展较快，主 要向轻质、高强的方向发展，大量应用于高层、大跨度结构和围护结构，特别 是大量用于制作墙体用的小型空心砌块。中国从5 0 年代开始研制轻集料及轻集 料混凝土，主要用于工业与民用建筑的大型外墙板和小型空心砌块，少量用于 高层和桥梁建筑的承重结构和热工构筑物。 基于轻骨料混凝土的特性，提出用于路面融雪化冰用的轻骨料导电混凝土， 在轻骨料混凝土中掺入导电相后使得混凝土具备良好的导电性能，以此来满足 作为路面结构层的功能特性。 2 2 轻集料导电混凝土路块试样制备及测试 2 2 1 原材料 水泥，黄石华新水泥厂生产的4 2 5 号普通硅酸盐水泥； 轻骨料，宜昌宝珠碎石型高强页岩陶粒； 粉煤灰，汉川电厂i i 级粉煤灰； 减水剂，武汉浩源化工厂f d n ； 炭黑，主要性能指标见表2 2 ； 炭黑分散剂； 电极，根据试样尺寸将不锈钢丝网切割制成电极； 玻璃纤维布及挤塑聚苯乙烯板用作隔热材料。 表2 - 2 炭黑主要性能指标p 6 1 2 2 2 试样制备 试样截面如图2 - 1 所示。由于本试验要在冰柜( 星星集团有限公司生产的 b d b c 4 0 8 b 冰柜) 内进行，受冰柜空间限制，试验用路面面层的长和宽均为 4 0 c m 。底层混凝土按c 3 0 设计，配合比为：水泥：水：砂：碎石- 1 ：0 4 ：1 2 3 ：3 。 待搅拌均匀后，用振动棒振捣密实，捣实抹平后在上面铺一层玻璃纤维布用于 9 ) 1 2 3 4 5 6 7 8( 武汉理t 大学硕士学位论文 隔热。1 天后再在上面浇注轻骨料导电混凝土，其制备方法为：水泥：水：砂：轻 集料：粉煤灰：减水剂：炭黑= 1 ：0 6 3 ：1 7 6 ：1 2 ：0 1 7 ：0 0 1 2 ：0 。0 7 。先将轻集 料浸水1 h ，将表面的自由水风干待用。炭黑分散剂( 自制) 与炭黑的比例为1 ： 1 ，先将炭黑分散剂溶于少许水，然后加入炭黑略搅拌，使炭黑呈较大的颗粒状， 再加入素混凝土混合料中一起干拌3 分钟，加入所需要的水再搅拌3 分钟。将 搅拌均匀的混合料填模，在模具两相对侧面插两块不锈钢网( 尺寸为 l o c m x 4 0 c m ) 作为电极，导线事先焊接在不锈钢网上，用振动棒振捣1 分钟。 振实前在位于图2 - 1 的a 、b 、c 、d 、e 等5 处埋设细空心铜管，用于放置热电 偶测温度。2 4 h 后脱模，在空气中浇水养护2 8 天后测试。导电混凝土的电阻为 1 0 q ，其电阻率为1 0 0 q c m 。 2 2 3 测试方法 0 a 一热电偶 斗盟一年k 图2 1 导电混凝土路块截面图 试验中采用2 2 0 v 市电经调压器给混凝土面层供电。在埋设的细铜管内填注 导热硅脂，然后插入热电偶以测试面层在厚度方向的温度变化，用k e i t h l e y 2 7 0 0 多通道数据采集仪连接热电偶进行数据采集，测试系统如图2 2 所示。施加的电 压大小分别为3 1 v 、2 8 3 v 、2 5 3 v 、2 1 9 v ，使得混凝土面层单位面积平均电功 率分别为6 0 0 w m 2 、5 0 0w m 2 、4 0 0 w m 2 和3 0 0 w m 2 ，施加不同的电压是为了 考察不同电功率的作用下路面结构各测点的温度变化及化冰情况。采用数字万 用表测试电压和电流，以控制输入的功率大小和导电混凝土电阻的变化。通电 后，通过导电混凝土将电能转化为热能，使得路面温度升高。 1 0 娼 一 一 融卜iiif蚓叫iiii 眩融 c d o o 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 2 电热路面升温及化冰测试系统 将试件放入可调温度的冰柜中，通过调节档位来控制冰柜内环境温度。化冰 试验中将4 8 0 m l 的水倒在混凝土表面，在低温环境下结成厚度约3 m m 冰，再通 过施加某一指定的电压来进行化冰试验。由于真实路面面层的混凝土板在水平 方向尺寸比厚度方向尺寸大得多，而且混凝土的面层作为主要的散热面，而实 际工程中混凝土板向四周散较少。试验中试件的厚度方向长度与水平方向长度 尺寸相当，侧面散热量较大，为尽量减小混凝土面层侧面向四周的热量损失， 侧面采用3 c m 厚挤塑聚苯乙烯泡沫板包裹。试件底面为吊装用的4 m m 厚钢板， 钢板下再垫一层挤塑聚苯乙烯泡沫板后放入冰柜。 2 2 4 结果分析 图2 3 ( a 、b 、c 、d ) 分别为混凝土面层单位面积电功率为3 0 0 w m 2 , 4 0 0w m 2 、 5 0 0 w m 2 和6 0 0 w m 2 时各测点的温度随时间变化的情况。各图中冰柜内环境温 度在一定的范围内波动( 2 0 1 5 ) ，这主要与普通家用冰柜的温度控制精度 不高有关。普通家用冰柜控制方法为：当温度高于某一数值时，压缩机启动开 始制冷，直至低于某一温度时压缩机才停止工作。由于放置在冰柜内的混凝土 路面发热和冰柜本身的散热，使得冰柜内部升温较快，而降温较慢，图b 、c 、d 中，电功率较大时这一现象更加明显。各图所呈现的基本规律为：a 、b 两个测 温点位于导电混凝土内部，温度最高，上升速度最快，升温过程中两点的温度 比较接近，表明导电混凝土层内部发热均匀。在电发热后期，b 点的温度超过a 点的温度。由于表面与外界发生对流辐射换热，表面温度( f 点) 低于a 、b 测 点温度。c 测点位于隔热层以下，离导电混凝土层底部约2 5 c m ，c 点温度低于 a 、b 点温度，表明隔热层有一定的阻热效果。但是，c 、d 、e 等测点的温度在 4 0 0 w m 2 、5 0 0 w m 2 和6 0 0 w m 2 等作用下的温度升高都在1 0 以上，造成热量 的损失仍然较大。各测点的温度呈现波动式的增加，特别是表面温度在各功率 武汉理工大学硕士学位论文 作用下表现明显，这种变化主要受到冰柜压缩机循环启动制冷的影响，压缩机 工作时向外排热，引起面层内各测点的温度不继续升高而是降低。但是，从各 图表面温度的波动情况来看，随导电混凝土电功率的增加波动性有减小的趋势， 说明导电混凝土电功率较大时能抗衡环境降温的影响。 l o 5 0 p 一5 趟 赠一1 0 一1 5 - 2 0 - 2 5 0l o o2 0 03 0 0枷5 0 06 0 07 0 0 时间m i n b 0 5 p 毯一1 0 赠 - 1 5 2 0 - 2 5 o l o o 2 0 0 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 时间m i n 图2 3 不同电功率作用下导电混凝土面层内各测点温度随时间的变化 ( a ) 3 0 0 w m 2 ( b ) 4 0 0w m 2 ( c ) 5 0 0 w m 2( d ) 6 0 0 w m 2 1 2 武汉理_ j ：人学硕士学伊论文 从图2 3 可以看出，在本文的模拟实验环境下，导电混凝土电功率为3 0 0 、m 2 和4 0 0w m 2 时混凝土面层的表面温度在6 0 0 分钟内达到的最高温度约为 2 5 ，升温速度较慢。需要指出的是，电功率为3 0 0w m 2 时初始温度为1 4 3 ， 电功率为4 0 0w m 2 时初始温度为1 6 2 。而且，在通电中期以后，两者所处的 环境温度也有差别：电功率为3 0 0w m 2 时环境温度在1 7 1 1 范围内，电 功率为4 0 0w m 2 时环境温度在1 9 。c1 4 。c 范围内。因此，4 0 0w m z 的升温效 果仍然高于3 0 0w m 2 的升温效果。另外，图2 3 a 中漏采了c 测点的数据，从 其它各图的趋势看，c 点的温度变化与f 点接近。 比较图2 3 c 和2 3 d ，导电混凝土的电功率5 0 0w m 2 时混凝土面层温度在4 0 0 分钟内升到0 以上，导电混凝土的电功率6 0 0w m 2 时混凝土面层温度在5 2 0 分钟内升到0 以上。与3 0 0w m 2 和4 0 0w m 2 通电的情况类似，电功率为5 0 0 w m 2 时初始温度为1 6 2 ，电功率为6 0 0w m 2 时初始温度为1 8 2 。两者试 验的环境温度差别在于：电功率为5 0 0w m 2 时环境温度在1 7 1 2 范围内， 电功率为6 0 0w m 2 时环境温度在2 1 c 1 5 范围内。另外，电功率为5 0 0 、w m 2 时，在通电后期各测点温度基本保持平衡。电功率为6 0 0 w m 2 时，温度还可继 续升高。因此，为满足不同条件下混凝土面层升温的需要，有必要使整个系统 能够自动提供多种功率，使得混凝土面层能应对复杂的环境。 图2 4 a 、2 4 b 分别为混凝土面层表面覆3 m m 厚的冰，单位面积电功率为4 0 0 w m 2 和5 0 0 w m 2 时各测点的温度随时间变化的情况。图2 4 a 中