（交通运输工程专业论文）碳纤维导电混凝土在路面结构中的应用研究.pdf

摘要 在我国北方的寒冷地区，冬季降雪、路面冰冻是导致交通事故和影响道路使用 寿命的重要原因。相对于传统的化学除雪和机械除雪等道路除冰雪方法，利用碳纤 维导电混凝土的电热性能使路面的积雪或积冰融化是一种可行且环保的方法。 本文拟在前人的研究基础上，研究以p c c ( 水泥混凝土) + a c ( 沥青混凝土) 复合式路面为基础，采用高强全轻混凝土做保温层的碳纤维导电混凝土在道路、桥 梁、隧道以及人行道路面结构中的应用。 首先制作了各结构层的材料，组合后进行升温试验、冰柜除冰试验及全轻混凝 土的保温效果试验，记录试验过程中各层的温度变化和电热层的电阻率变化加以分 析。探索在实际路用工程中合适的碳纤维掺量和电热除冰雪效果。最后利用a n s y s 有限元软件模拟在环境迅速降温时电热混凝土通电工作给路面温度场带来的改善。 试验表明：水泥、沙、石的比例为1 ：l ：2 ，p a n 基短切碳纤维掺量为配比水泥 质量的6 0 时，混凝土综合性能最好；使用密度8 0 0 级的碎石型页岩陶粒与陶砂， 可以制作出满足路用性能且导热系数只有0 4 4 ( w m ) 的全轻保温混凝土，仅为 普通混凝土的1 4 ；将材料进行结构组合后的升温试验中通电约3 0 分钟时沥青层表 面开始升温，经过3 0 0 分钟最终升高2 4 ( 2 ，升温效果明显；除冰试验中5 0 0 分钟后 可以完全溶化初始温度1 6 。c ，厚度1 5 c m 冰块，具有除冰效果；试验中全轻混凝土 保温层的设置，相对于普通混凝土垫层，使电热混凝土与全轻混凝土之间的温度增 加了8 c ，沥青表面温度提高了6 ，保温效果明显；在人行道中的应用试验中，大 理石表面温度经过5 个小时的升温，升高了3 5 c ，升温效果较好。 采用a n s y s 有限元分析软件进行分析发现：如采用降温前预加热的措施，甚 至可以改变环境降温时沥青表面温度的下降过程，始终保持上升状态维持在0 c 。 本文的研究一切从工程实际出发，目的是为了拓宽电热混凝土在道路工程中的 应用领域，为碳纤维电热混凝土最终在工程实际中应用进行实验性探索。 关键词：碳纤维；导电混凝土；全轻混凝土；路面结构；升温试验；除冰试验；有 限元 r e s e a r c ho nc a r b o nf i b e re l e c t r i cc o n c r e t e u s i n g i np a v e m e n ts t r u c t u r e a b s t r a c t w h e nw i n t e ri nn o r t h e r nc h i n a , s n o wa n df r o z e nr o a d sf r e q u e n t l yl e a dt ot r a f f i ca c c i d e n t s a n dr e d u c et h es e r v i c el i f eo fm a d c o m p a r i n gw i t lt r a d i t i o nm e t h o d ss u c ha sc h e m i c a l a n dm e c h a n i c a lm e a n s ，u s e st h ee l e c t r i cp r o p e r t i e so fc a r b o nf i b e rc o n d u c t i v ec o n c r e t et o m e l ts n o wo ri c eo nr o a d si sav i a b l ea n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ym e t h o d t h i sa r t i c l ei so nb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e s ，c o m b i n ew i t ht h ep a v i n gm e t h o d su s i n g a c t u a l l yo nr o a d sa n db r i d g e s ，t a k ea d v a n t a g eo fw e l lp a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n dh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l tc o n c r e t e ，r e s e a r c ho fc a r b o nf i b e rh e a t i n gc o n c r e t e u s i n go nr o a d s ，b r i d g e so rt u n n e l s ，w h i c hi sb a s e do np c c + a cc o m p o s i t ep a v e m e n t a n d 嘶t hh i g h s t r e n g t hl i g h t w e i g h tc o n c r e t ea si n l u s a t i o n a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt o a p p l ye l e c t r i cc o n c r e t eo nb r i d g e s ，p l a t f o r m sa n dw a l k w a y ss u r f a c e ，w ed oe x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha b o u tt h ec o n c r e t eu s i n go ns i d e w a l ke i t h e r p r o d u c e dm a t e r i a l so fe a c hs t r u c t u r a ll a y e r , a s s e m b l yt h e ma n dt h e nd ow o r m i n g t e s t s ，d e i c i n gt e s t sa n dt e s t so ff u l l - l i g h tc o n c r e t ea b o u ti n s u l a t i o ne f f e c t , r e c o r dt h e t e m p e r a t u r eo fe a c hl e v e ld u r i n gt h et e s t sa n dc h a n g e so fr e s i s t i v i t yi ne l e c t r i cl a y e ra n d t h e nd oa n a l y s i s e x p l o r et h ea p p r o p r i a t ed o s a g eo f c a r b o nf i b e ra n di t se f f e c to nc l e a r i n g i c ea n ds n o w w h e nu s e di na c t u a lp r o j e c t a tl a s t ，s i m u l a t ec o n d i t i o nt h a te l e c t r i cc o n c r e t e w o r k sw h e nt e m p e r a t u r eo fe n v i r o n e n tr e d u c e sf a s tb yt h ef e ms o f t w a r ea n s y s ，t o s e a r c ht h ei m p r o v e m e n to ft e m p e r a t u r ef i e l df o rt h ea s p h a l tr o a d t e s t ss h o w s ：w h e nr a t i oo fc e m e n ts a n da n ds t o n ei s1 ：1 ：2 ，a n dt h eq u a l i t yo f s h o r t c u tp a nc a r b o nf i b e ri s6 0 o fc e m e n t ，t h ec o n c r e t et a k e so nt h eb e s t c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s ；w i t ht h eg r a v e l t y p es h a l ef i g u l i n es a n da n ds t o n e ，w h o s e d e n s i t yi s8 0 0 一g a r d ec o n c r e t eo ff u l l l i g h tt h e r m a li n s u l a t i o nc a nb em a d e ，w h i c hc a n m e e tt h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fw h i c hi so n l yo 4 4 ( w m ) o n eq u a r t e ro fc o m m o nc o n c r e t e ；g a l v a n i z e df o r3 0m i n u t e s ，t h et e m p e r a t u r eo ft h e s u r f a c eo fa s p h a l tl a y e rb e g i n st or i s e i nt h eh e a t i n ge x p e r i m e n to ft h es t r u c t u r e c o m b i n a t i o no ft h em a t e r i a l s ，a n db y2 40 ci n3 0 0m i n u t e s ，w h i c hs h o w st h et e m p e r a t u r e e f f e c ti so b v i o u s i nd e - i c i n gt e s t s ，t h ei c e ，w h i c hh a st h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo f 一16 a n dt h et h i c k n e s so f1 5 c m ，c a l lb ec o m p l e t e l yd i s s o l v e da f t e r5 0 0m i n u t e s ，w h i c ht a k e s o nt h ed e - i c i n ge f f e c t i nt h ee x p e r i m e n t ，t h es e t t i n go f f u l l l i g h tt h e r m a li n s u l a t e dl a y e r m a k e st h et e m p e r a t u r eb e t w e e ne l e c t r i ch e a t i n gl a y e ra n df u l l - l i g h tc o n c r e t el a y e rr i s e8 h i g h e r , a n dt h es u r f a c eo fa s p h a l t6 h i g h e r , c o m p a r e d t oo r d i n a r yc o n c r e t el a y e r , w h i c h s h o w st h ee f f e c tt h e r m a li n s u l a t i o ni so b v i o u s i nt h ee x p e r i m e n to ft h ea p p l i c a t i o ni n s i d e w a l lt h et e m p e r a t u r eo fm a r b l es u r f a c ei n c r e a s e db y3 5 i n3 5m i n u t e s ：t h e h e a t i n ge f f e c ti sg o o d u s i n ga n s y s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，i ti sf o u n dt h a ti f p r e h e a t e db e f o r ec o o l i n g ，t h ec o u r s eo ft h ea s p h a l ts u r f a c et e m p e r a t u r eg o i n gd o w nc a n e v e nb ec h a n g e d ，w h i c hc a nk e 印t h et e m p e r a t u r ea b o v e0 t h i sa r t i c l ef o c u so ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，b r o a d e nt h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r i c c o n c r e t eo nr o a dp r o j e c t ，a n da l s od os o m ee x p e r i m e n t a le x p l o r a t i o na b o u tt h eu s eo f c a r b o nf i b e rc o n d u c t i v ec o n c r e t ei nr o a dp r o j e c tf i n a l l y k e y w o r d s ：c a r b o nf i b e r ；e l e c t r i cc o n c r e t e ；f u l ll i g h t w e i g h tc o n c r e t e ；p a v e m e n ts t r u c t u r e ； w o r mt e s t ；d e - i c i n gt e s t ；f e m 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。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，也不包含为获得逝塑太堂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 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：匀勰畚签字日期：多。年岁月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝洹太堂可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：魏j 娱么 签字日期：弦d 年弓月7 r 日 导师签名：劬饬聋 签字日期：1 。p 年弓月 致谢 学位论文是在我的导师王福建副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃 的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从 论文的选择到最终成稿，王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来， 王老师不仅在学业上给我以精心指导，时刻督促，还在思想、生活上给我以无微不 至的关怀，在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在浙大交通所两年的硕士求学生涯转眼间就过去了，在这两年里，浙大求是学 风熏陶了我，交通所各位优秀的老师教诲了我。在这里特别要感谢课题组黄志义教 授、王金昌副教授、彭勇副教授、杨仲轩博士、吴珂博士对我的大力帮助，更要感 谢梅振宇博士对我生活和工作上的尽心尽力的照顾。 此外，还有和我朝夕相处的同窗和各位师兄师弟，朱兴一、粟弼国、华爱娅、 李想、于伟达、叶冬明、李季隆、宋明明、王新飞、张其践、李永永、杜倩倩、王 夕鹏，你们在我的试验中给予了我热情的关心和积极的帮助，在此表示由衷的感谢! 感谢3 2 2 舍的阿威和项大哥两年多来带给我的开心快乐的日子。 还有多年来父母和女友一直给我的鼓励和支持，是你们的亲情伴我度过了繁忙 的求学岁月，在这里，我要衷心的感激他们! 最后，要感谢评阅、评议硕士学位论文和出席硕士学位论文答辩会的各位专家、 教授，感谢他们在百忙的工作中给予指导。 魏晓冬 2 0 1 0 年1 月于紫金港 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1绪论 1 1 研究背景 1 1 1 冰雪给我国交通带来的影响 我国幅员辽阔，纬度跨越较广，是一个多气候带的国家北方的秋冬季节受到 来自蒙古、西伯利亚不断南下的冷空气影响，冬季寒潮及降雪的出现次数频繁，而 且单次的降雪量大。冬季降雪不仅可以净化空气，帮助农作物越冬；还将世界装点 得更加美丽，为人们提供了休闲娱乐的场地。随风飘扬的雪古往今来无数次的被文 人墨客赞美，并成为画家笔下的精美画卷。 但由于人口的快速增长，人类对环境有意无意的破坏，导致了地球气候变化加 剧，频发的自然灾害不断威胁着人类的生存与发展，冰雪灾害也成了其中之一。多 年不遇的极端冰雪天气频繁出现，降雪等级和降雪范围逐渐增大，冬季一向无雪的 长江以南地区近年来也频频遭受雪灾。“万里雪飘”的壮观景象给人们带来了无尽 喜悦的同时也带来了不可低估的负面影响。 研究表明降雪会导致路面的摩擦系数较其它季节明显降低，这使车辆行驶、制 动困难，容易引发交通事故。资料显示，在寒冷地区，冬季行车速度要降低5 0 左 右且交通事故要比其他季节高出2 0 左右。同时，冰雪积在路面上，从孔隙处往路 基下渗。低温下成冰的时体积膨胀9 ，融化成水时体积又会缩减，反复作用下，道 路会变得松软，承载力下降，在车辆荷载的作用下，出现龟裂、坑槽、沉降等各种 道路病害，影响道路使用寿命。积雪结冰对于现代经济社会命脉的交通运输的阻碍 和影响，被形象的比喻为血管的“栓塞”，其危害和危险显而易见。 1 ：) , 2 0 0 8 年l 一2 月的冰雪灾害为例。根据民政部统计，冰雪灾害影响范围波及长 江流域及以南1 4 个省( 区、市) ：云南省迪庆藏族自治州境内公路交通主干线及乡村 公路已基本中断；京珠高速公路湖南段出现大堵车，2 万多台车辆滞留在高速公路上， 滞留的司乘人员超过6 万；安徽、江西两省的高速公路都处于封闭状态；福建省气象 台接连发布道路结冰黄色预警信号；江苏境内的公路运输几近瘫痪；浙江省三万多 * 大学磺学位论文第1 章绪论 辆班车停开，髟$ 2 0 0 # 万旅客的出行【1 1 同时田暴雪影响，仅江苏省公路损毁 里程就迭到9 2 0 0 公里，受损轿粱2 4 1 座，直接经济损失7 亿多元运菅路段处于灾区 的宁沪高速等近i o 束公司一月份亏损，并且夸年和未来几年的道路维护费用将大增 冰雪灾害对交通领域的影响不仅局限于公路运输，清除机场积雪也是当前需要 解决的难点问题之一降雪及机场积雪严重影响机场跑道的使用，如降低道面的摩 擦系数覆盖滑行道标线等，给飞机的起阵带来困难，极耪造成事故机场因积雪 过多而封闭停运，带柬巨大的经济损失：2 0 0 8 年1 2 月的冰雪灾害期阃，长江中下 游地区1 9 个民航机场困积雪结冰被迫关闭：我国北方有近百个机场每年有长达3 4 个月的降雪期，如不能有效的融雪化冰，划机场每年特有l 凸的时问不能正常运营“j 圉11 高谜咎路路面结冰囤1 2 机场地遵结冰 公路上的一些关键路段如弯道、桥粱坡面，隧道进出口也是积萤后事故的高发 地段弯道或桥梁坡面自身的线形和坡度加上冰雪影响，会给驾驶员对车辆昀控制 带来极大的困难；隧道入口处由于环境温度一般较低则窖易形成冰球区，或者是由 于隧道拱项无防水层或防水层质量不好，冬季隧道内鬲水结冰的问题严重如：2 0 0 8 年2 月甘肃丹拉高速青土岘隧道由于衬瑚渗水至路面结冰致1 6 车连环追尾如图l3 ； 2 0 0 8 年1 2 f l 宁溲宝瞻公路，江北华辰_ 大桥等多处路段由于道路结冰发生了车辆打滑 刮擦事故宝瞻公路的小自峙隧道到宝咯隧道之问的路段靠山背阴，积雪导致路上 结冰，加上道路处于弯道，成了“溜冰场”，导致1 3 起交通事故，如图1 4 p j * 豇 位论z 田l3 隧道内路面结冰导致交通事故田1 4 拼槊艘道上积薯 积雪对行人的影响主要表现在城市道路中。城市中的人行道过替天桥公交 站台，火车站台等处容品曼冰雪髟响造成交通事故，影响行人安全，如田1 5 1 1 2 当前国内外道路除冰雪的主要方法 路段 由于积雪结冰路面会给道路畅通、行车和行人的安全带来不良影响为避免和 减少交通事故，保障道路畅通与行车安全，相关部门不得不在降雪等级较大叶采取 一些相应的措施来清除路面积雪 当前国内外对路面积雪清e 舞方法的研究分为路面井部技求和内部技术两种 路面外部技术包括：机械清除、人工清除机械吹雪化学方法等 机械方浩是利用机械装置清除冰雪目前世界上有多种机械用于清除道路冰雪， 但这些装置瞢遍对于清脒道路积雪的效果较好，但当积雷成冰与路面结台紧密时， 如果除冰机械的力量太小，不能使冰与路面分高：力量太大，又会损伤路面日此， 除诛和保护路面相矛盾即使采取机械i | 套雪后如果冰雪不融化，抗滑力仍比较低 相关专业设备缺乏的我国，只能以推土机，压路机简单的代替酴雪机械，如图l6 ， 断江大学硕士学位论文 第1 章绪论 对路面造成的损害梅更加严重川 化学方法是通过蛤路面撒布一定量的融雪齐j ，使路面冰雪落化当前在世界范 围使用的融雪剂分为两种：一类是n a c i ，c a c l 2 、m g c l 2 等氯盐类融雪剂，俗称化 冰盐这类融雪剂的价格较为低廉，可能大范围的使用，如图l7 ：缺点是仅在气温 较高、阵雪量不大时，效果较明显。而且，化学方法还可能给环境和道桥结构带来 负面影响根据美国的一项统计报告，美国每年使用1 0 0 9 万吨融雪荆，对道路车 辆造成损失为2 9 亿5 9 亿美元，对停车场造成o 7 5 亿一1 5 亿美元的损失，导致 5 一1 0 的植物病变甚至枯死北京市园林局统计，园使用融雪剂，2 0 0 5 年北京城 区范围内共有i1 0 0 0 余椿行道树、1 4 9 万余株绿篱、色块等准本、近2 0 万平方米草 坪相继枯死，直接经济损失在3 0 0 0 多万元以上同时，产生的盐水对桥粱来说是强 腐蚀剂，能够渗透到桥槊水泥内部腐蚀其钢筋骨架，导致粱头及帽粱赴的砼出现裂 缝、剥落，钢筋外露、锈蚀菩，还使部分桥梁线缆受到损坏在2 0 0 8 年南方的雪灾 中，我国使用了大量的氯盐融雪荆：仅南京市就使用了2 0 0 0 吨，京珠高速公路粤北 毂和湖南未宜段使用了1 5 0 0 余吨以此来推算，整个兜区估计数量巨大，可能对环 境造成的污染不能不引起我们的关注另一类是以醋酸钾为主要成分的有机融雪剂， 这类融雪荆融雪效果较好，且对建筑路桥的腐蚀性较小其缺点是价格高昂，据 估计仅对一架波音7 4 7 飞机进行除雪，一次的使用价格就高达8 万元，对于城市级 别的大范围融雪已经非常奢侈，因此一般只应用于机场等特殊n g , i ) 1 田l6 杭州市雪后机械清酴道路球雪 i t t l7 路蕾部门在道路上擞盏除冰 内部技术就是把路面做成有自融雪功能的路面结构。 一种是滩加盐化物在沥青捏合料里做成融雪路面。即把盐做成颗粒抗或粉束状 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 在拌合沥青混合料的时候把盐化物掺进去，代替粗、细集料或者矿粉。在路面使用 过程中，盐化物逐渐融析出来，和雪水混合在一起，起到降低冰点的作用。这种做 法虽然价格低廉，也无法避免可能对环境造成污染并影响沥青混合料的路用性能。 另一种是在路面铺筑废旧轮胎橡胶颗粒干法改性的沥青混合料。即把粒径l m m 以上的橡胶颗粒替代部分细集料干拌，喷入沥青拌合成橡胶颗粒的改性沥青混合料。 原理就是由于沥青混合料里掺入了橡胶颗粒，变形能力增大，路面在轮胎碾压下产 生变形，表面的冰容易破碎，这样就可抑制路面积雪或者结冰。但由于掺入了橡胶 颗粒，混合料黏度增大，运输和摊铺的阻力增大，对混合料的施工提出较高的要求。 近年来在国外研究的热点则是热力融雪技术的应用。如利用热电缆、热蒸汽、 太阳能以及电热混凝土等清除道路冰雪。1 9 5 0 年，z e n e w i t z ，j a 在一条1 2 2 m 的混 凝土路面上安装了一套热水加热装置，热量来自于天然热水井巾j 。后来由于自动控 制系统的失灵和p v c 管的渗漏而被迫中止。如我国的李仁福等人通过室内试验进行 了热电缆融雪化冰的研究v 1 ；1 9 6 1 年，h e n d e r s o n 等在美国的纽沃克、奥马哈等地， 尝试了在实际沥青混凝土路面或混凝土路面下铺装加热电缆的试验，文献p j 介绍了 该装置的安装以及在电缆埋设中所使用的设备，由于在安装后的第二年遇到了暖冬， 没有获得有意义的数据，随后电缆在行车荷载作用下发生损坏，难以进行推广。我 国的高一平p 1 对利用太阳能清除道路冰雪进行了研究，其基本思想是以某种方法在 夏季将太阳能产生的热量储存起来，在冬季里利用所存热量来融化路面的冰雪。虽 然该系统从能量的角度来看是很经济的，方法技术上基本可行，但由于设备造价及 安装价格昂贵，加热的效果也不是很好，这种技术只能适用于个别地方的特殊路段。 近年来，美、英、加拿大等发达国家开始了对导电混凝土及其在桥梁路面除冰 应用方面的实验开展了研究。 1 2 研究现状 1 2 1 国外电热混凝土研究现状 早在3 0 年代初，国外就开始研究导电混凝土的性能。普通混凝土的电阻率一般 5 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 在1 0 6 1 0 9 q c m 范围内，变化范围非常大，在电工学上既不属于绝缘体，也不 属于良导体，不能满足电工材料的要求。通过在普通混凝土中添加一定含量的导电 组分材料制成的一种新型水泥基复合材料，使其导电性大大改善，就成为导电混凝 土。这就使得混凝土不仅可以作为一种建筑承载材料使用，还能满足一定的电工材 料要求。而且随着相关科学的发展，新的导电相的出现，导电混凝土还在电工、电 子、电磁干扰屏蔽、防静电、电加热器和钢筋阴极保护等方面发挥重要作用。 表1 1 根据体积电阻率来进行的材料分类及其用途【1 0 】 体积电阻率 功能 用途 o 锄 防静电晕纸、带腹复写用电极板、静电记录纸家用电器、矿用电子设备仪 1 0 7 1 0 l o半导体材料 的外壳 防静电除静静电消除器、集成电路、产品的包装、防静电传送带、软管、纤维织物、导电 1 0 4 一1 0 7 电材料 轮胎、复印机用滚筒纺织用滚筒、防暴电缆、防静电地板、地毯 1 0 2 一1 0 4 导电材料电路元件、弹性电极加热元件、电缆半导层 电阻体、电 1 0 1 一1 0 2 面状发热体、传感器电极、弹性电极、光盘、弹性电极镀层基材 极材料 高导电性材 1 0 2 1 0 0导电涂料。导电胶粘剂、电磁屏蔽材料、屏蔽线、导电墨水、导电橡胶 料 力工业中，用作接地装置。他们系统研究了导电混凝土的性能，并制定了相应的电 工混凝土标准。他们根据不同的导电性能把电工混凝土分为三类：绝缘混凝土、导 电混凝土和特种导电混凝土。随后，许多国家都在对导电混凝土进行广泛深入的研 究。当前世界范围内对导电混凝土的应用已不仅局限在电力工业方面，在多个领域 已经取代了许多导电相材料，且根据导电相和胶凝材料组分和质量的不同而具有不 同的导电能力。目前广泛应用的领域有：接地装置、建筑物的避雷设备、消除静电装 置、建筑采暖地面【1 2 1 、环境加热、电阻器、金属防腐阴极保护技术【13 1 、高速公路 的自动监控【1 4 】及运动中的重量称量【15 1 ，工程上还可以利用导电混凝土的电阻率变 化，对大型结构如大坝与核电厂设施的微裂纹进行监测【j 刨等。对导电混凝土的研究 的研究方兴未艾，集中在以下几个方面： ( 1 ) 、导电混凝土的压敏性 即导电混凝土的电阻率在外力作用下产生有规律的变化。c h u n g 在这方面开展 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 了大量的研究工作【1 7 1 ，通过在水泥混凝土中掺加一定体积含量的短切碳纤维，可使 混凝土感知应力、应变、疲劳损伤和断裂破坏。碳纤维混凝土在拉应力作用下，纤 维拔出，电阻增大；在压应力作用下，纤维插入，电阻减小；其压敏性的灵敏度很 高，甚至高于一般的电阻应变片。 ( 2 ) 、导电混凝土的温敏性 导电混凝土的温敏性研究主要包括两个方面：塞贝克( s e e b e c k ) 效应和电阻一温 度特性。塞贝克效应即温差引起的电动势与温差成线性关系。研究表明导电相的掺 量是影响塞贝克效应的主要因素，在最佳掺量下，温差电动势率可达1 8hv cb s 】； 电阻一温度特性表现为导电混凝土的电阻率受温度影响会发生变化。d d l c h u n g 等在1 9 9 9 年研究发现：碳纤维混凝土的电阻率随温度升高而减小、随温度降低而增 大【19 1 。 ( 3 ) 、导电混凝土的力电效应 s u n 等人在2 0 0 0 年研究了c f r c 的力电效应【18 1 ，通过测试单向受压下的4c m 4c m 4c mc f r c 立方体试样发现：从小荷载直到破坏荷载的全过程中压应力与 所产生的电流强度之间存在一一对应关系。c f r c 每m p a 应力产生的平均电流强度 为0 0 4 “a ，灵敏度比净浆、砂浆和普通混凝土高【2 0 1 。 ( 4 ) 、导电混凝土的电热特性 导电混凝土的电热特性是指在外加电源作用下，混凝土放出热量的现象，即焦 耳效应。孙明清等在研究碳纤维混凝土电热特性的基础上，将它与碳纤维混凝土的 塞贝克效应结合起来，研制了具有温度自诊断和自适应功能的碳纤维混凝土板结构 模型。 国外利用导电混凝土的电热特性把导电混凝土用于路面融雪的研究开始于9 0 年 代，最初由加拿大的x i e p i n g 、j j 。b e a u d o i n 等提出。由于新型的导电混凝土材料同 时具有高的力学性能和好的导电性，他们对导电混凝土加铺用于路面以及加铺普通 混凝土罩面后融雪化冰的有效性进行了研究f 2 1 ，2 2 】。 1 9 9 9 年，美国的s h e r i f y e h i a 和c h r i s t o p h e r 在总结了3 0 余年来采用各种方法 ( 如化学法、地热管法、红外线灯照加热法、电热丝法，热液法等) 进行有关路面化 7 浙 学碰学位论文 第1 章绪论 冰的研究进展后，提出利用铜纤维钢屑混凝土的导电性，并最早开展了关于桥粱路 面除冰的实驿工程研究i 玎m 】他们在美国内布拉斯加州林肯市的洛加马剌桥4 6 米长，1 i 来宽) 铺装7 约1 0 c i n 厚的导电晁凝土大板如图i8 所示，用电热可让该桥在 冬天的路面维持在1 0 左右，远高于周边的气温，在整个大雪纷飞的寒冬都不会受 积雪影响，如图1 9 所示，综合四年以来的使用教据来看，平均工作环境为73 c ， 平均风速为2 5 k m h ，平均每场暴风雪中的除雪厚度1 7 0 r a m ，每场电热除雪费用为 $ 2 5 0 h ，且阵雪量越大，经济效益越高 英国费莱尔集团也宣布已研翻出扼在很低的电压下快速变热的新型导电混凝土 材料，宣称将利用新型导电混凝土建造机场将使机场跑道的除冰工作更为简便，但 该公司未透露其技术细节：伦教地铁部门还计划将这种混凝土用于一些站台，以肪 止冬天乘客在结冰的站台上滑倒 爨璧纛，g 二觏孵季$ * 二= ：茎! i 整显! 螽醪_ 二 以下为国外常用的环保型除球雪方法的经济效益对比【哪： 裹l2常用的环保型除冰雪方法的经济效益对比采 除冰雪系统初建费用 平均运营费用能裸消耗 自动喷雾赊雪m ，0 0 0$ 1 2 0 0 0 电缆加热除雪 $ 5 4 m z $ 4 s r a 23 2 3 0w m z 热水加热除雪 $ 1 6 1 m 2 $ 2 5 0 场( 平均雪厚7 5 r a m ) 4 7 3 埘 热气加热除雪 $ 3 7 8 m z$ 2 1 ，一 电热混凝土加热除雪 $ 6 3 5 m z $ 2 5 0 场( 平均雪厚1 7 0 n u n ) 3 5 0 耐 高，但是在运营过程中具有长期运营稳定，除雪费用低，能_ 菲消耗低且不祷耗费人 一赣 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 工的特点，总体来看，具有较高的经济价值。 1 2 2 国内电热混凝土研究现状 国内对导电混凝土的研究开始较晚。9 0 年代末期才逐渐有学者介绍国外对导电 混凝土的研究和使用状况。哈尔滨建筑大学的李仁福等人最先根据国外相关研究成 果，在水泥砂浆中掺入石墨制作成导电水泥砂浆，并试用于室内地面取暖弘洲。2 0 0 0 年清新县1 0 0k v 太和变电所增容改造，并采用微机控制和实现无人值守。为了保证 人身和设备安全，采用了导电混凝土作为接地导电材料，将接地电阻降低到0 1 5 t 2 以下瞄州。随后不断有学者讨论碳纤维混凝土的导电机理，探寻适用于导电混凝土的 导电相材料并拓展导电混凝土的应用范围。 2 0 0 1 年起，唐祖全课题组对混凝土中使用不同导电相如碳纤维、钢纤维、钢渣 和石墨时的电阻率特性研究，导电混凝土板的制备方法以及添加不同导电相时导电 混凝土的融雪化冰效率进行了持续的研究。通过研究认为碳纤维是导电混凝土中理 想的导电相，在混凝土只掺加体积含量在1 5 2 左右的碳纤维时，可以使混凝土 的电阻率由一般的1 0 4 1 0 7q m 范围降低到l q m ，并且电阻率受混凝土龄期、 温度以及电极的变化影响不大u 。在当时国内对导电混凝土材料性能方面的研究处 于领先地位，并提出了导电混凝土应用于路面除冰化雪的研究方向。 随后侯作富课题组和吴少鹏课题组在研究中试制了4 0 r a m 厚碳纤维导电混凝土 大板，讨论了在大板制作过程中碳纤维掺量，集料的级配和粒径范围、电极的制作 与安装方法等对导电混凝土电阻率的影响。还在2 4 2 v 的交流电压下进行低温环境下 的升温试验和室外实时融雪试验，试验中电热混凝土板表现出了优异的实时融雪功 能。同时通过有限元分析与试验结果进行对比，结果对比相差不多【2 8 , 2 9 】。此外，侯 作富等还对通电生热过程中大板的电阻率和电热功率的变化进行了讨论。对电热混 凝土的研究较为全面、细致。 目前国内外常用于制作电热混凝土的导电相分基本可分为3 类：聚合物类、碳类 和金属类，其中最常用的是碳类和金属类。如石墨粉、碳纤维、钢纤维及钢屑等。 9 斯大学硬学位论文镕1 章镕论 田11 0 从左捌右依次为石墨粉钢纤维、短切碳轩雏 石墨获取方便，有良好的导电性、导热性和化学腈性。它与绝大多数的酸、碱、 盐都不起反应，不洛于有机或无机溶剂，具有较好的抗氧化性能。在不少工业制品 中常被用来傲导电材料掺入石墨的导电混凝土有热客量大可通过的极限电流高 ( 达2 0 0 a c m 2 ) 和易成型等优点尽管石墨具有优良的物理化学性能，但由于其自身 为粉末状，在渑凝土内难以形成相遵的导电网络1 ，必须掺到较高含量才能使混凝 土具有良好的导电性，这将使混凝土的强度大幅度降低1 。哈尔滨建筑大学的李仁 福等人研究，要使混凝土具有良好的导电性，石墨含量一般应大干2 5 长沙铁道 学院的橱元霞和浙江工业大学的叶青口3 】等人研究发现【3 2 】，掺石墨砂浆的抗压强度 随石墨掺量的增加呈急剧下降趋势。园此，石墨导电j 凝土只适用于对强度要求不 够高的领域，不能够满足道路用要求 铜纤维获取也较为方便铜纤维自身良好的导电能力可以提高混凝土的导电性， 且研究中发现在混凝土中掺入体积含量为1 2 的铜纤维后，混凝土的抗拉、抗折 抗剪强度等较普通琨凝土显著提高，抗冲击，抗疲劳，裂后韧性和耐久性也有较大 的改善。州。但由于钢纤维的直径相对较粗，单独掺加铜纤维难毗获得良好的导电性 能，nb a n t h 2 i a 和) i e 1 等对钢纤维水泥复台材料的导电性进行了研究，对平均 直径为2 5u m 长度3m m 左右的钢纤维，当体积掺量为i 一5 时，养护2 8d 的电阻率为( 3 j9 74 ) x 1 0 3 0 c r n 咧当纤维掺量过高时，又会降低混凝土的强度 和工作性能 j 。研究的还发现，随着时问的延长，铜纤维在水泥的碱性环境中，表 面产生氧化钝化层，铜纤维钢屑混凝土的电阻率明显增大”，使混凝土的导电性能 降低。因而也不宜单独选用钢纤维作为水泥j 黾凝土的导电相材料。 碳纤维是二十世纪五六十年代发展起来的一种新型纤维状材料，可以分为聚丙 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 烯睛( p a n 基) 碳纤维和沥青基碳纤维p ，具有高强度、高模量、耐高温、耐疲 劳、耐腐蚀、导电、传热和热膨胀系数小等优异性能，己被广泛应用在航天、航空、 交通、化工、文体器材及建筑材料等领域。尽管碳纤维的电阻率比钢纤维高，但在 纤维掺量相同时，钢纤维水泥浆的电阻率比碳纤维水泥浆的大得多。这主要是因为 碳纤维的直径小，长径比、比表面积大，在水泥基体内更易于形成导电网络。 由以上对比来看，石墨和钢纤维用作导电混凝土的导电相材料，多少存在一些 缺点，而采用碳纤维作为导电混凝土导电相材料，尽管碳纤维的电阻率比钢纤维高， 但在纤维掺量相同时，钢纤维水泥浆的电阻率比碳纤维水泥浆的大得多。这主要是 因为碳纤维的直径小，长径比、比表面积大，在水泥基体内更易于形成导电网络。 不仅导电性能稳定，而且可以提高混凝土的性能，如提高拉伸、弯曲强度，增加韧 性、减小干缩，改善冻融耐久性等。目前市场上可供应的短切碳纤维，虽然短切碳 纤维比连续的碳纤维较贵，对混凝土材料的增强作用也比不上连续碳纤维，但碳纤 维短切后分散拌合比较容易。因此本研究中也采用短切碳纤维作为导电相。 1 2 3 当前国内外研究的缺陷 从目前国内外的研究现状来看，研究内容较集中在导电混凝土材料的研究上， 对导电相材料、融雪化冰机理、外部影响因素、导电混凝土板的制作都作了很多研 究，但仍不是很完善，就本文拟采用的碳纤维导电混凝土来说，表现在： ( 1 ) 、对导电混凝土导电机理的解释还不完善。 ( 2 ) 、碳纤维导电混凝土制作的工艺还不够成熟。不同的学者在各自试验中，碳纤维 的前处理方法，混凝土的配比，物料拌合方法，电极制作方法，电阻值测量方法等 都有所不同，导电混凝土电阻率测试值离散性较大，甚至出现几倍的差距。表现在： 由于纤维的分散不均匀和表面憎水性，使其与水泥基体直接粘结不能保证，从 而导致电阻率不稳定。所以在这一方面还需要进一步研究l j 引。 电极的布置方式和材料的选用会给电阻率的测量带来很大的误差，目前这方面 的研究还不是很充分。 由于高掺量情况下，导电混凝土的抗压强度有较大的下降，从而使高强导电混 1 l 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 凝土的制作有一定难度。研究使导电混凝土碳纤维掺量较高时的物理性能方面的研 究，具有更高的强度，使其能够用于像机场跑道这样具有更高要求的场合。 随着导电混凝土的应用范围不断扩大，在导电混凝土的制作中要掺入甲基纤维 素、乳胶、硅灰等各种外掺剂，不同的配比都会给电阻率测试带来不同的结果。在 物相配比、搅拌、电极选用上都有待于提高。 ( 3 ) 、当前的很多研究都是以小面积或小块的混凝土板做为研究对象，导电层的铺筑 和电极的制作、安置比较容易实现。但实际应用中，道路、桥梁路面都是狭长带状 的大面积混凝土，铺设工作比较复杂。在导电混凝土层如何铺筑，电极如何制作和 安置，电极安置间距如何确定，导线如何连接与铺设上都会遇到实际困难。 ( 4 ) 、国内外各种室内试验都提到导电混凝土在进行电热升温时，四周和底部有无保 温层，对升温结果很大。但从国内外的研究中可以发现，目前在实验过程中被广泛 用作保温层的是泡沫塑料或者木板。这些材料的导热系数固然比较小，可以在试验 中提供良好的保温效果，但是其力学性能却根本不能够满足道路用或者其他工程的 要求，不可能用在实际工程中做保温材料。寻找一种兼具保温性能和力学性能的材 料来替代塑料泡沫和模板具有实际的工程意义。 ( 5 ) 、用导电混凝土道路在实际使用过程中的必然存在着损坏与寿命问题，如表面的 磨损和开裂等，这些无疑会影响其导电性能和电热功率。是否需要在导电层上加铺 具有良好路用性能和传热性能的罩面以保护导电混凝土层，维持其稳定的电阻率和 电热功能。这些都是需要进一步研究的问题。 ( 6 ) 、水泥混凝土路面因不能适应现代重交通量、重荷载、行车舒适性等多种路面要 求，已逐渐被沥青混凝土路面所取代。就目前的实际路用比例来看，我国9 0 以上 的高速公路和城市道路路面均为沥青混凝土路面；为了满足隧道出入口的抗滑性能， 在隧道的出入口也越来越倾向于铺筑沥青混凝土面层；同时一些旧有的水泥混凝土 路面已达到使用年限，面临着改造的命运，沥青混凝土罩面是改造的主要方式之一； 在桥面铺装和机场跑道的铺筑上，沥青混凝土取代水泥混凝土也将成为趋势。单纯 考虑导电混凝土在道路表面上的使用，可应用领域正在不断缩小。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 本文的研究内容、方法及优势 鉴于以上存在的问题，本文认为在继续研究如何改善导电混凝土自身性能的同 时，应尽可能的结合工程实际，同时尽量拓展导电混凝土的应用范围。因此拟在目 前室内研究已较为成熟的导电混凝土材料的基础上，结合实际的道路、桥梁铺筑方 式，利用沥青混凝土良好的传热性能，研究i ；( p c c ( 水泥混凝土) + a c ( 沥青混凝 土) 复合式路面为基础，采用高强全轻混凝土做保温层的电热混凝土在道路、桥梁、 隧道、站台和人行道中的应用。 p c c + a c 复合式路面即在水泥混凝土路面