（固体力学专业论文）导电混凝土融雪化冰路面设计及有限元分析.pdf

分类号 u d c 密 级 武多萎理歹大浮 学位论文 题 目昱电遑筮融雪丝迷路耍遮进区查醒丞佥近 英文d e s i g na n df i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i so fe l e c t r i cc o n d u c t i o n 是殛目 q 盟曼熊曼堡曼! ! i n g 墨望q 盟垒垒亟垂亟璺i 堕g 巳垒y 曼m l 型 研究生姓名送正蠢 姓名处明渲职称麴援学位簋 指导教师 单位名称理堂院邮编 4 3 0 0 7 0 申请学位级别王堂亟学科专业名称固签左堂 论文提交日期至q ! ! 生垒旦论文答辩日期呈q ! ! 生墨月 学位授予单位武这理互太堂学位授予日期 答辩委员会主席邋壁缝评阅人 王应晕 2 0 1 0 年5 月 独仑1 5 i j 性声明口墨- j 。i 三匕尸 哆月 本人声明，所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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它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：堡至量，日期：兰旦二f 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 复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国 家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供 信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：侯丕刍， 导师( 签名) ：日期：2 , o i 九三， 中文摘要 此项研究以路面除雪化冰为研究背景，导电混凝土的制备和融雪化冰路面 设计为核心内容。采用短切碳纤维、炭黑作为导电组分材料制备导电混凝土。 得到了制备导电混凝土的最佳配合比和制备工艺流程。设计了导电混凝土融雪 化冰路面，并对此种路面结构融雪化冰的可行性进行研究。在此基础上结合有 限元分析路面融雪化冰及路面受力( 车载、热应力等) 情况。通过有限元分析 发现设计不足之处并加以改进，为日后融雪化冰路面在实际中的应用打下基础， 同时也为制备性能稳定的导电混凝土材料提供可靠的加工工艺和配比选择。此 文主要研究内容如下： ( 1 ) 导电混凝土的研制：配制炭黑碳纤维复掺导电混凝土，通过实验得到 满足融雪化冰路面使用力学性能和电学性能的配合比。得到导电混凝土电阻率 随导电相掺量变化规律以及在制备过程中加工工艺对混凝土力学、电学性能的 影响，并研究其在长期使用中性能的稳定性。 ( 2 ) 性能测试：针对满足融雪化冰路面使用要求的导电混凝上进行f 乜掰i 率、 热导率、抗压强度、抗弯强度、冻融循环及电阻稳定性的测试。 ( 3 ) 导电混凝土路面结构设计：从路面使用安全性、可靠性及能量利用率等 方面入手，进行路面结构设计。路面结构为三层复合式路面，分别为表面层、 加热层、隔热层。并对路面的各层厚度、电极布置方式进行设计。校核此种路 面结构在设计基准期内荷载疲劳应力和温度疲劳应力。 ( 4 ) 在室外进行实时化雪、融化冰层实验，对此种路面结构融雪化冰效果、 升温规律、温度分布、隔热层效果、路表温度均匀度进行了研究。 ( 5 ) 借助a n s y s 有限元对路面升温、温度分布、温度应力、车载应力进行分 析，检验路面的可靠性。 关键词：碳纤维，炭黑，导电混凝土，融雪化冰，有限元 a b s t r a c t t h eb a c k g r o u n df o rt h es t u d yi st om e l to ft h ei c er o a di nw i n t e ra n d t h ec 0 r e o m n 既ti st h ep r e p a r a t i o no fc o n d u c t i v ec o n c r e t ea n dp a v e m e n ts t r u c t u r a l d e s i g n u s ec h o p p e dc a r b o nf i b e r , c a r b o nb l a c k 勰t h ec o n d u c t i v ec o m p o n e n t m a t e r i a l p r e p a r a t i o ne l e c t r i cc o n d u c t i v ec o n c r e t e 。d e s i g nt h ec o n d u c t i v e c o n c r e t es n o w m e l t d e i c i n gp a v e m e n ta n ds t u d yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ei c em e l t i n gb yt h i sp a v e m e n t s 虹u c l ：哈o nt h i sb a s i s ，u s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st h eh e a t i n ga n dt h el o a d e d r v e h i c l ef o r c e ，m 锄l a ls t r e s s ，e t c ) c o n d i t i o n so ft h ep a v e m e n t t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss h o w st h a tt h ed e s i g nd e f i c i e n c i e sa n dm a k ei m p r o v e m e n t s ，c r e a t i n gt h e 鼬l d a t i o nf o rt l l ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h em e l to ft h e s n o wa n di c ep a v e m e n t1 n m er i 勰b u ta l s op r o v i d er e l i a b l ep r o c e s s i n gp r o c e d u r ea n dr a t i o so p t i o n sf o rt h e 呻删o no fs t a b l ep e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r i cc o n d u c t i v ec o n c r e t em a t e r i a l s t h e m a i nr e s e a r c h i n gc o n t e n ta n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n to f c o n d u c t i v ec o n c r e t e ：p r e p a r ec a r b o nf i b e r ( c f ) c a r b o n b l a c k ( c b ) r c i n f o r c e dc o n c r e t e t h er a t i oo fc o n d u c t i v ec o n c r e t e w a sa b t a i n e db y e x p e r i m e n t w h i c hc a ns a t i s f ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ee l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c e o ft h em e l t i n gs n o wa n dd e i c i n gp a v e m e n t t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tg e tt h e e f f e c to f t h e ( c f ) ( c b ) d i s p e r s i o n si nd i f f e r e n t m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s r a t i oa n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo nc o n c r e t e s t u d yt h es t a b i l i t yo fp e r f o r m a n c e i nt h e l o n g - t e r mu s e d ( 2 ) p e r f o r m a n c et e s t i n g ：r e s i s t i v i t y , t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , c o m p r e s s i v es t r e n g t h , f l e x u r a ls t r e n g t h ，f r e e z e t h a wc y c l ea n dr e s i s t a n c es t a b i l i t yo f t h ec o n d u c t i v ec o n c r e t e w e r et e s t e dw h i c h m e e tt h ed e i c i n gp a v e m e n ts n o w m e l tr e q u i r e m e n t s ( 3 ) d e s i g nt h es t r u c t u r eo fc o n d u c t i v ec o n c r e t ep a v e m e n t ：c o n s i d e rp a v e m e n t s a f e t y , r e l i a b i l i t ya n de n e r g yu t i l i z a t i o n , a n d o t h e rf a c t o r s p a v e m e n ts t r u c t u r ef o r n l r e el a y e rc o m p l e xp a v e m e n t ：s u r f a c el a y e r , t h eh e a t e dl a y e r , i n s u l a t i n gl a y e r d e s i g n 圮n l i c k n e s so fe a c hl a y e ra n dl a y o u t se l e c t r o d e l o a df a t i g u es t r e s sa n dt e m p e r a t u r e f a t i g u es t r e s sc h e c ko f t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ei nb e n c h m a r kp e r i o d ( 4 ) s n o w m e l td e i c i n ge f f e c t , w a r m i n gl a w , t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，i n s u l a t i n g l a y e re f l e e t ，r o a dt a b l et e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yo ft h i st y p eo fp a v e m e n ts 仃u c t i 鹏l s s t u d i e db ym e l t i n gs n o wa n dd e i c i n ge x p e r i m e n ti no u t d o o r ( 5 ) 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 st h et e m p e r a t u r e ， t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h e r m a ls t r e s s ，l o a ds t r e s so ft h ec o n c r e t e p a v e m e n ts t r u c t u r e k e yw o r d s ：c a r b o nf i b e r , c a r b o nb l a c k , c o n d u c t i v ec o n c r e t e ，m e l t i n gs n o wa n d d e i c i n g ，f i n i t ed e m e n ta n a l y s i s i i i 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 研究背景及意义1 1 3 道路融雪化冰方法应用现状2 1 3 1 机械清除法2 1 3 2 化学融雪法3 1 3 3 加热融雪法3 1 4 导电混凝土路面融雪研究现状5 1 - 4 1 导电混凝土5 1 4 2 导电混凝土融雪化冰研究6 1 5 论文研究的主要内容8 2 1 引言1 0 2 2 碳纤维导电混凝土的制备及性能研究1 0 2 2 1 试验原材料及其性能指标1 0 2 2 2 试验设备1 l 2 2 3 碳纤维毡的制备1 l 2 2 4 配合比1 2 2 2 5 毡混法工艺1 2 2 2 6 测试方法1 3 2 2 7 试验结果及分析1 5 2 2 7 1 不同碳纤维毡的影响1 5 2 2 7 2 碳纤维毡在水泥中的分散均匀性研究。1 6 2 2 7 3 毡混法制备的碳纤维混凝土性能研究1 6 2 3 炭黑碳纤维复掺导电混凝土的制备工艺及性能研究：1 8 2 3 1 试验方法1 8 2 3 2 试验原材料及其性能指标j 1 8 2 3 3 试验设备1 9 2 3 4 试验配合比1 9 2 3 5 试验制备工艺1 9 2 3 6 试验结果与分析1 9 2 4 碳纤维炭黑混凝土其它性能研究2 1 2 4 1 碳纤维炭黑混凝土的抗弯强度2 1 2 4 2 碳纤维炭黑混凝土的热导率2 2 2 4 3 碳纤维炭黑混凝土的抗冻性能2 3 2 5 本章小结2 4 第三章导电混凝土融雪化冰路面设计2 6 3 1 引言2 6 3 2 路面面层设计2 6 i v 3 2 1 交通分析2 6 3 2 2 初拟路面结构2 7 3 2 3 复合式混凝土板中性层位置的确定2 7 3 2 4 复合式混凝土板与单层混凝土板的等效转化2 9 3 2 5 按普通混凝土路面进行强度校核2 9 3 2 6 荷载疲劳应力计算3 0 3 2 7 温度疲劳应力计算3 l 3 2 8 行车载荷和温度载荷的综合疲劳应力计算3 2 3 3 接缝设计3 2 3 3 1 纵向接缝3 2 3 3 2 横向接缝3 2 3 4 电极布置3 3 3 5 本章小结3 4 第四章炭黑碳纤维导电混凝土路面室外3 5 4 1 引言3 5 4 2 炭黑碳纤维导电混凝土路面试样的制备3 5 4 2 1 试验原材料3 5 4 2 2 试验设备3 5 4 2 3 试样制备3 6 4 3 炭黑碳纤维导电混凝土路面室外融雪化冰试验：j 7 4 3 1 测试系统：j 7 4 3 2 实验过程3 7 4 3 3 试验结果与分析3 9 4 3 3 1 各层温度变化关系3 9 4 3 3 2 面层温度均匀度4 0 4 3 3 3 路面电阻稳定性4 1 4 3 3 4 耗电量4 2 4 4 本章小结4 2 第五章融雪化冰混凝土路面有限元分析4 3 5 1 概述4 3 5 2 热应力问题的有限元方程4 3 5 3 融雪化冰路面有限元分析4 4 5 3 1 模型的建立与网格的划分4 4 5 3 2 材料参数4 5 5 3 3 施加边界条件4 5 5 3 4 有限元分析结果4 6 5 3 4 1 升温分析4 6 5 3 4 2 热应力分析4 6 5 3 4 3 车载分析4 7 5 3 4 4 车载与热应力耦合分析4 7 5 4 本章小结4 8 v 第六章结论与展望4 9 6 1 全文主要结论4 9 6 2 展望5 0 参考文献5 l 致谢5 4 攻读硕士学位期间的成果5 5 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前国内外广泛采用的除雪化冰方法损伤道路表面，且对环境带来严重负 面影响【i 。2 1 ，造成巨大的经济损失，因此有必要寻求一种环保、经济、高效的除 雪化冰措施。在此背景下，加热融雪的方法无疑成为当前寻求高效、及时、环 保的融雪化冰首选方式。此文利用导电混凝土作为加热材料进行路面结构设计， 并对其化冰效果和能量利用率等进行理论分析和实验研究。 混凝土具有原料来源广、制作工艺简单、且强度高、耐久性好，适用于各 种自然环境条件下等优点，广泛应用于桥梁、建筑、公路等基础设施中，是目 前世界上使用最为广泛的建筑材料之一。随着科学技术的进步，由于混凝土材料 功能的单一，极大地限制了它在其他行业的的应用。从上个世纪3 0 年代开始， 国外一些学者如日玎苏联、英因、荚幽等，棚继j i ：始探索如何让混凝土具有导电 性能。随后，国内外一些研究肯j i ：腱了。系列关于导f 乜混凝土的研究工作，并 取得了长足的进步。目前，导电混凝土不仪能用于室内采暖，还可以应用于道 路、机场跑道的融冰化雪，并且应用越来越广泛。 2 研究背景及意义 大量的调查和研究显示，路面状况的好坏是影响道路交通的重要因素之一。 在我国北方冬季雨雪较多，路面时常积雪或结冰，直接影响着道路通行能力和 行车安全。严重时甚至造成公路和机场关闭，给客货运输带来不便，从而造成 了巨大的经济损失。2 0 0 8 年春运初，我国发生的冰雪灾害直接经济损失1 5 1 6 2 亿元，并造成1 2 9 人死亡。2 0 1 0 年1 月3 日，一场大雪仅首都机场就停飞航班 6 5 8 架次。2 0 1 0 年1 月9 日，武汉十堰高速张凹水库大桥因桥面结冰，发生4 起1 2 辆车追尾至7 人死亡，双向交通中断1 8 小时。2 0 1 1 年1 月贵州省出现大 面积的冻雨天气，持续时间长，造成交通中断( 如图1 所示) 。因此，为了保障 道路畅通和行车安全，并提高道路和机场的营运效益，采取快速、有效、对路 面无损害的除冰雪方法，便成为寒冷地区冬季道路保养上的一项重大工作。 武汉理工大学硕士学位论文 从目前来看，常用的除冰雪方法主要有人工清除法、机械清除法和加热融 化法及化学融化法，各种方法都有利有弊。人工清除法：效率低、作业时间长。 机械清除法：效率高，适合大面积作业。但是清除不彻底、且经济效益差。化 学融雪法：效果好、价格低。但是在长时间潮湿的条件下，撒布的食盐中的氯 离子会引起混凝土路面和桥面上钢筋钢纤维的锈蚀，降低公路桥梁的使用寿命， 且污染环境。加热融化法：效果好、无污染，并且可以实现实时融雪。目前应 用较多的是电热电缆加热法，但此法造价较高。导电混凝土多功能材料的研究 为加热融化法在道路和机场跑道中的应用提供了更佳的选择。 我国幅员辽阔，平均积雪日3 0 天的地区占全国领土的5 6 ，特别是西部 山岭重丘，冬季气温较低，容易结冰的路桥多。在航空方面，预计到2 0 2 0 年， 我国约增建机场6 0 个，另有各军用机场将分批整治改造。因此，本研究对提升 我国交通运输行业应对冰雪自然灾害的能力，确保国民经济支柱产业健康运行、 军用机场全天候备战都具有举足轻重的作用。 渺”： 墼萎 回巨 图卜l2 0 1 1 年1 月课题组成员在贵州实地调查所拍典型照片 1 3 道路融雪化冰方法应用现状 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 主要包括人工除雪和机械除雪；融化法主要包括融雪剂除雪和热融化法。 1 3 1 机械清除法 机械除雪是清除法中最有效、快捷的除雪方法，通过机械对冰雪的直接作用 除去冰雪。国内主要的除雪机械分为：螺旋转子式除雪机、犁式除雪机、吹风 式除雪机、清扫式除雪机、破冰机撒布机、和融雪机等( 如图1 2 所示) 【3 1 。机 械除雪受环境影响较大且对冰面和压实雪清除不够彻底。以上几种机械除雪的 2 武汉理工大学硕士学位论文 方法都存在着效率均低，费用高的缺点。 1 3 2 化学融雪法 图1 - 2 几种路面除雪机械 目前化冰盐应用非常广泛，且对环境带来严重的负面影响，因此化冰舱的 使用一直倍受人们关注，常用的化冰盐【】如n a c i 、c a c l 2 、m ! g c l 2 等，大量化冰 盐的使用给人们带来巨大的经济损失和严重的环境破坏。美国由化冰盐造成的 腐蚀破坏和环境治理的费用占到国民生产总值的4 ，每年用于修复化冰盐腐蚀 破坏的费用都在两千亿美元以上，是初建费的四倍【6 】。长期大量的使用化冰盐不 仅对钢筋混凝土结构造成腐蚀【卜9 1 、损伤，同时也污染了周围土壤。并且，化冰 盐在低温环境下融雪化冰效果大打折扣【l o 】。 尿素、焦鳞酸四钾、醋酸镁钙等也可作为融雪剂，是氯化盐的替代品，这类 融雪剂中无氯盐、硫酸盐等腐蚀性成分，不会对混凝土结构造成危害也无污染。 但是其价格昂贵，是n a c i 价格的1 5 3 0 倍，并且不适用于环境温度太低的条件 下使用，此种融雪剂受到使用范围和价格的限制，目前还不能完全替代氯盐融 雪剂【i l 】。 1 3 3 加热融雪法 该方法包括地热管法、热液法、红外灯照加热法、发热电缆、导电混凝土， 发热碳纤维格栅法【1 2 】等。 武汉理工大学硕士学位论文 地热管法：该方法是通过管道将地热引到地表对路面进行加热的方法，上世 纪7 0 年代初就有研究者开始进行此方面的试验。但安装和建造加热管道相当复 杂【1 3 】，影响了该方法的推广。 热液法：热液法是在路面中预先埋设管道，通过热水对路面进行加热来融雪 化冰的方法。1 9 5 0 年，z e n n e w i t z ，j a 在一条长1 2 2 m 的混凝土路面对该方法进 行了实验，后来由于自动控制系统的失灵和管道的渗漏使得试验被迫中止【1 4 1 。 发热电缆：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 转化为热能加热路面，从而达到融雪化冰目的，该融雪化冰方式有无污染、加 热功率稳定、易于控制等优势【1 5 】。近些年，美国、挪威、丹麦、等国已经进行 了发热电缆制造、安装和应用研究工作，在室内采暖系统、草坪供热系统中得 到了广泛的应用。如2 0 0 7 年1 月，国内首座电热融雪桥哈尔滨文昌高架桥 投入使用。该桥设计坡度大，冬季下雪后汽车爬坡困难。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，在上桥处匝道的部分地面下铺设电热电缆 线，总铺设面积为1 7 6 0m 2 ，可使路面升温l - - 9 9 。c ，专门用于融化引桥匝道 处的积雪。图1 - 3 为d e v i 公司在月麦某地下通道建造的7 5 0 m 2 电热电缆融雩 路面，功率为5 9 3 k w 。图1 - 4 为e 1 e k t r a 公司完成的波? 皇l 之f f l 变速衍i ：j j i x - 融雪路面工程，共使用2 0k m 加热电缆线、3 5 0 0m 2 融雪路由f 、1 0 0 0 k wi u 助二钲、 5k m 输电线、2 0 0 个连接终端。 图1 3 铺设电热电缆的地下通道图l _ 4 铺设电热电缆的丰田厂区道路 导电混凝土加热法：美国曾在位于内布拉斯加州的7 7 号公路上铺设导电混 凝土融雪化冰的桥梁，铺设了面积3 0 6m s 的桥面，导电混凝土层厚度为1 0 2 m m 1 6 】。是世界上第一座使用导电混凝土作为桥面可融雪化冰的桥梁。该混凝土 含钢纤维1 5v 0 1 ( 体积掺量) 和石墨粉2 5 v 0 1 ，导电混凝土的电阻率为3 9 5 q 锄。通电时路面平均温度比周围空气温度要高l o 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 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述，目前实际工程中的电热融雪化冰路面多采用电热电缆，国内外 都有一些著名的电热电缆生产企业，在国内应用的主要是进口产品。电热电缆 铺设方便，也存在与路面结构的相容性问题，埋设的深度较深，且表面包裹较 厚的绝缘层，影响了热效率。制造成本较高，路面成本为1 2 0 0 - - - 2 0 0 0 元m 2 。 导电混凝土与路面层结合完好，适合于各种形状的路面，采用底成本的导电掺 量( 如炭黑等) 可以实现低成本制造。但发热较慢，材料均匀混合不容易实现。 1 4 导电混凝土路面融雪研究现状 1 4 1 导电混凝土 导电混凝土是按合理的比例在普通混凝土中添加一种或多种导电相材料使 使其具有一定的导电能力的多相复合材料。它是具有规定的电学性能和一定力 学性能的特种混凝土【i 7 1 。目前比较常用的导电相材料有碳纤维、纳米炭黑、石 墨和钢纤维等，不同导电相材料配制的导电混凝土其力学性能、电学性能有较大 差异【1 引。 石墨足一种无机材料，不仪j b 订良受：的导i u 、导热r k ，而同具彳i 良好的化 学惰性，因此在不少工业制品中常被用来作为导f 乜材料【l9 1 。研究表明，石墨的 渗流阈值在l o 一1 5 之间【2 0 】然而只有当石墨掺量超过渗流阈值达到2 5 时才 能表现出良好的导电性能【2 。由于石墨的掺量过高导致混凝土的强度大幅度降 低瞄】，这大大的限制了石墨导电混凝土的应用领域。 碳纤维重量轻且有很高的强度( 强度高于钢材l o 倍) ，弹性模量高，尺寸 稳定，抗疲劳，阻尼特性好，耐高温，耐酸耐碱性能好，有导电性。将适量短 切碳纤维掺到水泥混凝土中，不但可以起到增强效果、提高脆性水泥基体的抗 拉强度和抗冲击性能、提高韧性，同时还可以改善水泥混凝土的导电性【2 3 2 4 】， 使其电阻率从1 0 9q c m 降至1 0 2q c i i l 以内。研究者还发现碳纤维导电混凝土 还具有良好的压敏效应【2 5 】和温敏效应【2 6 1 。可以实现应力、应变、温度和疲劳损 伤【2 7 】的监测和自诊断【2 8 1 。 炭黑主要作为导电填料组分应用于聚合物中来制备复合型的导电聚合物， 它作为防静电材料被广泛用于电子、能源、化工、宇航等许多行业【2 9 1 。由于纳 米炭黑具有尺寸小，比表面积大，以及优良的导电性和优异的界面性能等特性， 添加纳米炭黑能够减少复合材料的极化作用，提高了复合材料的导电能力和稳 5 武汉理工大学硕士学位论文 定性，改善了复合材料的压敏性能。 1 4 2 导电混凝土融雪化冰研究 加拿大渥太华大学的x i ep i n g 等艄归对导电混凝土用于路面融雪化冰的可 行性进行了研究。将碳纤维与碳质颗粒以一定的比例制备的导电混凝土电阻率 为1 - - 3 0q a m ，抗压强度为4 0 m p a ，抗弯强度为6 - 1 1 m p a 。将该种含粗集料的 碳纤维碳质颗粒导电混凝土直接用于融冰化雪，当气温在一5 一3 0 时，电功 率输出范围是1 5 0 8 5 5 w m 2 之间，板表面发热均匀。根据他们的专利w 0 0 1 7 2 6 5 7 和u s 5 4 4 7 5 6 4 可知，其所述的碳质颗粒是焦炭渣( c o k eb r e e z e ) ，颗粒尺寸为 5um 1 3 m m 。在u s 5 4 4 7 5 6 4 中给出的实施例配比为：水泥1 0 0 份、粗集料1 0 0 份、 硅粉5 份、固体乳胶2 5 份、水5 5 份、减水剂o 5 份。碳纤维( 直径为1 8um ，长 度为3 r a m ) 体积掺量为1 2 2 v 0 1 ( 指体积份数，下同) ，焦炭渣体积掺量为 4 5 2 v 0 1 。所配制的导电混凝土的电阻率为1 4 2q a m ，抗压强度为4 3 m p a 。 1 9 9 9 年，美国的s h 鲥f y e h i a 和c h r i s t o p h e ryt u a n 采用钢纤维导电混凝土 丌展了关于桥梁路面融雪化冰的实验研究【3 2 l 。表1 1 为他们的实验数据，表1 2 为和他们实验有天的材料性能参数。从两组数据中可看出利用导电混凝土通电 加热的方法束融霄化冰足i ，行的。但经过一年以后，钢纤维导电混凝土的电阻 率增大了近6 0 倍【”l ，这主要是因为在水泥碱性环境中，钢纤维表面被氧化形成 表1 1s h e r i f a y e h i a 小组的融雪化冰实验数据 注：板的尺寸为1 2 m x 3 6 m 。 表1 - 2s h e r i f y e h i a 小组的材料性能数据 6 武汉理t 大学硕士学位论文 一层氧化层使混凝土电阻率升高，可见钢纤维不适合用做导电混凝土的导电相 材料。 吴少鹏等从2 0 0 2 年开始，对导电沥青混凝土的组成设计及其制备方法【3 4 - 3 5 】、 导电机理【3 6 】、机敏特性和自诊瞬3 7 。3 9 】的应用进行了深入的研究。研究发现：( 1 ) 在沥青混凝土中掺入足量的石墨可大幅度降低沥青混凝土的电阻率，可以使其 电阻率达到融雪化冰应用m 】要求，但此种沥青混凝土的路用性能不能满足要求； 石墨的润滑性限制了他在沥青混凝土中的掺量。( 2 ) 沥青混凝土中复掺石墨和碳 纤维方法可以使其导电性能进一步提，同时还可以提高其路用性能，但此种沥 青混凝土的电学性能的稳定和路用耐久性还有待深入研究。( 3 ) 采用渗流模型解 释石墨导电沥青混凝土导电通路的形成与发展，发现由于热扰动和沥青的热膨 胀，石墨粒子间隙会增大，从而影响到混凝土电导率的稳定性。 唐祖全等、侯作富等对碳纤维导电混凝土的温敏性、电热特性及融雪化冰 的有效性进行了研究【4 1 州l 。唐祖全等配制的碳纤维导电混凝土，当碳纤维掺量 达到1 8 5v 0 1 时，混凝土的导电性较好。以此材料制作的导电混凝土板用于融 雪化冰，采用雪停后通电加热融雪，可以有效地清除路面冰雪。并对不同配比 的碳纤维导电混凝土的电学及力学性能进行了比较分析，数据见表l 一3 ： 表1 3 不同配比的碳纤维导电混凝土的电学及力学性能 侯作富等分析了用于路面融雪化冰的碳纤维导电混凝土电阻率的大小容许 范围( 该值应小于lf t m 即1 0 0 f l c r n ) 4 5 】。并对比分析了六种用于预测两相复 合材料电阻率的方法，讨论了用于路面融雪化冰的碳纤维导电混凝土配制时集 料的选择问题，提出了集料选择的基本原则m 】：集料掺量不能太多；掺入的集 料粒径不能太大。 王小英等以纳米炭黑为导电组分材料制备导电混凝土，系统地研究了纳米 炭黑水泥砂浆的导电性、电热特性及电热升温规律【4 7 】；并进行导电混凝土用于 室内采暖的实验研究，经研究发现：在加热过程中通电时间及通、断电次数对 导电混凝土电阻率没有明显影响，电热功率重复性好、电热功能稳定、发热均 7 武汉理工大学硕士学位论文 匀可以实现室内的采暖功能，且造价较低【4 8 】。 2 0 1 0 年，李滨等【4 9 】采用炭黑作为导电相材料，页岩陶粒做为骨料配制了一 种新型的导电混凝土一炭黑轻集料导电混凝土。并对其导电性能和力学性能进 行了研究。研究结果表明：当炭黑的体积掺量为1 9 4 v 0 1 ，灰砂比为2 4 3 - - 5 2 时，炭黑轻集料混凝土抗压强度在3 4 - 3 8 m p a 之间，电阻率1 0 0q t i n ， 密 度为1 8 2 2 1 8 6 6 k g m 3 。这种材料具有轻质、高强、高导电性的特点，可用作 于融雪化冰路面或桥面的加热材料。陈龙等采用导炭黑轻骨料导电混凝土作为 路面的表层，研究了该混凝土面层在模拟低温环境下的升温、化冰与输入电功 率之间的关系【5 0 1 。研究表明：输入电功率较大时，在相同的环境温度、相同的 加热时间内表面温度较高。在多次通电过程中炭黑轻骨料导电混凝土的电功率 保持稳定。 综上所述，混凝土导电技术已在水泥混凝土中得到很好很全面的研究和开 发，并以证明导电混凝土应用于路面融雪化冰是可行，而且可以消除一些传统 除冰雪方法所产生的不利后果，是一种快捷、方便、环保的新型除去路面冰雪 的方法。但此种方法到目前为止还一直处于理论和实验室研究阶段，还没有实 际路面结构的构建，离实际应用还有一段距离。 1 5 论文研究的主要内容 此项研究是在前期已有成果的基础上，采用短切碳纤维、炭黑作为导电组 分材料制备导电混凝土，以路面冬季融雪化冰为研究背景，以导电混凝土的制 备和路面结构设计为核心内容，并对此种路面结构融雪化冰的可行性进行研究。 在此基础上结合有限元分析路面融雪化冰及路面受力( 车载、热应力等) 情况。 通过有限元分析验证路面在加热过程中行车的安全性，同时也为制备性能稳定 的导电混凝土材料提供可靠的加工工艺和配比选择。此文主要研究内容如下： ( 1 ) 导电混凝土的研制：配制炭黑碳纤维复掺导电混凝土，通过实验找出 碳纤维和炭黑的最佳配合比及成型工艺，配制出满足融雪化冰路面使用导电混 凝土，并且在融雪化冰路面反复长期使用中保证其电阻的稳定性。为导电混凝 土的实际路面工程中的应用做好准备工作。 ( 2 ) 性能测试：用于融雪化冰路面的导电混凝土的电阻、热导率、抗压强度、 抗弯强度、冻融循环测试，及电阻稳定性的测试。 ( 3 ) 导电混凝土路面结构设计：将导电混凝土应用 8 武汉理工大学硕士学位论文 适的路面类型，对路面基层、导电层、面层的厚度、电极布置方式进行设计。 ( 4 ) 对融雪化冰路面进行化雪，化冰实验，对路面结构升温规律、温度分布、 电阻稳定性及融雪化冰可行性进行了研究。 ( 5 ) 利用州s y s 有限元分析融雪化冰路面的升温和温度分布情况，并对融雪 化冰路面在加热过程中的热应力和车载应力进行分析。验证了该路面在加热过 程中行车的安全性。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章导电混凝土的制备及性能研究 在碳纤维导电混凝土的研究过程中，碳纤维分散困难一直是困扰着研究者 的一大难题。研究表明【5 1 】：碳纤维在混凝土中的分散性直接影响到碳纤维导电 混凝土的电阻率和力学性能。所以制备碳纤维混凝土时碳纤维的分散方法就极 为关键。炭黑作为一种导电填料将其掺入到碳纤维导电混凝土当中，可以进一 步提高混凝土的导电能力和电阻的稳定性。由于其粒径小可以填充混凝土的空 隙中，减少混凝土微观的缺陷，从而提高强度；炭黑的加入还可以改善碳纤维 导电混凝土的和易性，提高其施工性能。 本章首先从碳纤维的分散工艺入手，研究了一种新型碳纤维分散方法，本 文中称为毡混法。在此种方法的基础上，研究了导电混凝土拌合工艺对其性能 的影响。先后制备了碳纤维导f u 混；疑l ：用i 炭黑碳纤维复掺导f 乜混；疑土，然后， 对其力学和电学性能做了进。步研究。 2 2 碳纤维导电混凝土的制备及性能研究 2 2 - 1 试验原材料及其性能指标 ( 1 ) 水泥：4 2 5 # 普通硅酸盐水泥，湖北华新水泥股份有限公司生产； ( 2 ) 骨料：普通碎石( 级配：5 1 5 m m ) ； ( 3 ) 碳纤维：聚丙烯腈( p a n ) 短切碳纤维，其性能指标见表2 1 。共选用了三 个生产厂家的碳纤维进行研究，厂家分别是：美国z o l t e k 公司、台丽和上海碳 素研究所。 表2 - 1 碳纤维性能指标 ( 4 ) 分散剂：羧甲基纤维素纳( c m c ，国药集团提供) 为促进碳纤维分散的一种 有效表面活性剂，能使碳纤维稳定地悬浮在c m c 水溶液中而不结成束。为了比 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 较，也采用了羟丙基甲基纤维素( h p m c ，上海康湖化工有限公司生产) 。 ( 5 ) 减水剂：f d n 高效萘系减水剂，武汉浩源化工厂生产。 ( 6 ) 电极：采用钢丝直径l m ，网孔大小1 0 xl o m b 的不锈钢丝网，加工成规 格9 0 7 0 m 大小。 ( 7 ) 其它：普通河沙、自来水。 2 2 2 试验设备 ( 1 ) 电子秤：上海大华电子秤厂，最大称量3 0 k g ； ( 2 ) 电子天平：上海大华电子秤厂，最大称量2 0 0 9 ； ( 3 ) k e i t h l y 2 4 0 0 电流源：美国k e i t h l y 公司生产； ( 4 ) v i c t o r 9 8 0 6 数字万用表，深圳胜利仪表有限公司： ( 5 ) g z - 8 5 水泥砂浆振动台：无锡建筑材料仪器机械厂生产； ( 6 ) s j z - 1 5 砂浆搅拌机：无锡建筑材料仪器机械厂生产。 2 2 3 碳纤维毡的制备 ab 图2 - 1a 碳纤维原材料b 制作好的碳纤维毡 目前较为常见的碳纤维分散方法( 共混法) 是首先将c m c 溶解于热水当中， 然后加入碳纤维搅拌( 即分散) ，分散好后加入到水泥中。此种方法分散碳纤维 效果一般，在混凝土当中还存在很多成束的碳纤维。而且拌合时c m c 会包裹大 量的水分，由于大量c m c 和多余的水加入到混凝土当中，不可避免的会引起水 泥基材料强度的降低。为了改善碳纤维的分散效果、提高混凝土强度，在这里 采用了一种新型碳纤维分散工艺碳纤维毡分散工艺。首先将碳纤维制作成毡， 再将毡均匀的分散在混凝土当中，碳纤维毡遇水后破碎为单根纤维。碳纤维原 武汉理工大学硕十学位论文 材料和制作好的碳纤维毡见图2 - 1 。碳纤维毡的制作工艺流程图见2 2 。 若裔竺兰- 陬丽- 网厩o 4 的分散剂水溶液l- l 纱布过滤l - 一晒干l 一取下碳纤维毡 图2 - 2 碳纤维毡制备工艺流程 在制作c m c 或h p m c 水溶液时使用热水可以大幅度提高其的溶解速度，将适 量的碳纤维加入分散剂水溶液中搅拌，直至所有碳纤维悬浮分散于溶液中，没 有成束成团情况( 将分散液盛入透明烧杯中目测) 。然后，使用纱布均匀过滤出 溶液中的碳纤维，使其成为厚薄均匀的碳纤维毡。将碳纤维毡置于通风良好的 地方干燥后取下碳纤维毡。在碳纤维毡制备过程中，c m c 或h p m c 即起到分散碳 纤维的作用同时也起到将碳纤维粘接成毡的作用。因此，此种方法制备的碳纤 维毡遇水时即会分散开来。这是因为c m c 和h p m c 易溶于水，当其溶于水后碳纤 维之间就失去了粘接力。通过称量整张碳纤维毡( 尺寸l m xl m ) 的质鼍，其中 碳纤维含量为l o g ，可得碳纤维毡中的c m c 或h p m c 平均质量分数约为l o ( 即含 胶量) 。 2 2 4 配合比 在研究六种碳纤维毡对水泥基复合材料性能的影响时，采用碳纤维水泥砂浆 进行研究，配合比为：水泥：砂：水= 1 - 1 - 3 2 ，试样为边长为4 c m 立方块， 碳纤维掺量均为1 0 。 在制备碳纤维混凝土时，水泥：砂：碎石= 1 ：1 1