碳纖維混凝土機場道面融雪化冰的影響因素

（濱州學院 建筑工程學院， 山東 濱州）

在寒冷地區(qū)的冬季，積雪結冰給機場道面帶來了一系列影響，影響了飛機起降，從而影響機場的經(jīng)濟效益。現(xiàn)有的機場道面融雪除冰方法，可以分為清除法（包括人工除雪和機械除雪），融雪劑除雪法，電熱融雪法三類，其中清除法和融雪劑除雪法應用較為普遍。清除法除雪效率低，而且費用比較高； 融雪劑除雪法，常用的化冰鹽因其價格低廉,融雪效果好,短期內仍然難以被完全取代，但化冰鹽中的氯化物會腐蝕機場道面，進而影響道面混凝土的耐久性，甚至使其安全性難以保證。

電熱融雪法是利用熱能將道面的冰雪融化的方法，包括地熱管法、導電混凝土法、發(fā)熱電纜法、導電瀝青法等。將一定組分的碳纖維摻入混凝土中制作成碳纖維混凝土，可以使碳纖維混凝土具有良好的導電性能，接通外部電源，在試件中會產(chǎn)生熱量，這些熱量可以加速冰雪融化。這是一種利用新材料、新技術的高效、快速、無污染的熱融除冰雪方式。此外，碳纖維混凝土具有良好的力學性能，并且碳纖維可以顯著改善混凝土的抗裂性能，使得碳纖維混凝土完全可以應用于機場道面融雪化冰工作。經(jīng)過相關研究，影響碳纖維混凝土機場道面融雪化冰的因素主要有以下幾個方面。

1 碳纖維混凝土層厚度

在普通混凝土道面結構層上，覆蓋一層碳纖維混凝土作為鋪層，并在鋪層與普通混凝土結構層之間設置熱絕緣層，主要目的是在通電過程中，使存儲在混凝土中的熱量的損失減少到最低，防止熱能向下流失，從而可以保證碳纖維混凝土鋪層產(chǎn)生的熱量大部分由道面上的冰雪吸收，可以更快速地融雪化冰。試驗研究表明，在功率一定的條件下，碳纖維混凝土鋪層厚度越大，在升溫過程中由鋪層自身吸收的熱量越多，道面上的冰雪無法吸收到大部分熱量，反而使得融雪化冰的效果變差。因此碳纖維混凝土鋪層厚度不能過大；另一方面，從施工角度考慮，機場道面混凝土施工有拉毛刻槽工藝特殊性的要求，碳纖維混凝土鋪層厚度不能過小，大量試驗證明，碳纖維混凝土鋪層厚度在40 ～50 mm 之間較佳。

2 通電時間及碳纖維摻量

通過試驗表明，隨著通電時間增加，碳纖維混凝土試塊表面溫度增加，融雪效果顯著增加，通電時間400min左右時，試塊溫度在51℃上下浮動，繼續(xù)通電，溫度不再增加，試塊表面溫度均達到某一個穩(wěn)定值。碳纖維摻量從 0.3%增加到1.0%時，試塊達到的最高溫度值增加，當碳纖維摻量從1.0%增加到1.2%時，試塊所能達到的最高溫度反而減小。試分析出現(xiàn)以上結果的原因，試塊的電熱特性與試塊的電阻值變化是相關的，試塊電阻越大，導電性能越差，其電熱性能相應的也差，溫升就低。碳纖維摻量對碳纖維混凝土試塊的電阻的影響與對其電熱效應的影響是相一致的。

3 碳纖維混凝土層粗骨料粒徑

研究表明，碳纖維混凝土鋪層采用粒徑太大的粗骨料是不合適的，若按配制普通混凝土的原則選取骨料，會使得碳纖維混凝土導電通路被粗骨料截斷，使其導電性很差，甚至可以被看作是絕緣的；此時，即使摻入再多的碳纖維，也無法提高其導電性，進而影響碳纖維混凝土融雪化冰的性能。只有使鋪層混凝土粗骨料之間保持一定的距離，才能保證形成較好的導電通路，碳纖維導電混凝土粗骨料平均粒徑以控制在15 mm 左右為最佳。

4 裂縫寬度

導電混凝土鋪層中的裂縫會對碳纖維的相互搭接產(chǎn)生影響，進而影響鋪層融雪化冰的效果。丁汀等人利用啞鈴法結合刀口法的測試方法有效地測試了裂縫寬度對碳纖維混凝土導電性能的影響。試驗證明，碳纖維混凝土開裂初期，碳纖維在裂縫兩側的“橋梁作用”并未切斷，混凝土導電通路未被阻斷，電阻增幅較小，碳纖維混凝土電阻變化率與裂縫寬度呈線性關系，此時，即使存在裂縫，碳纖維混凝土仍具有良好的導電性能；當裂縫寬度超過臨界裂縫寬度后，電阻變化率大幅度上升，裂縫兩側碳纖維無法繼續(xù)相互搭接，“橋梁作用”逐漸被切斷，碳纖維混凝土導電性能急劇下降，直至導電失效。研究表明，機場碳纖維混凝土道面的有效臨界寬度值約為 0.65 mm，道面裂縫寬度超過此值，融雪化冰的速率大大降低，因此，應盡量減少導電通路上裂縫的數(shù)量，并嚴格控制裂縫寬度在臨界裂縫寬度以內。

5 環(huán)境溫度與冰層厚度

王琦等學者通過試驗證明，在冰層厚度與電加熱功率一定的條件下，環(huán)境溫度升高，冰雪層融化所需要的時間和能量消耗呈線性地減少。另一方面，當環(huán)境溫度和電加熱功率一定的條件下，冰層越厚，融雪化冰所需時間越長，需消耗的能量越多。值得注意的是，除冰時間、能量消耗和冰層厚度之間的關系并不呈線性。

6 除冰功率

試驗證明，冰層厚度及環(huán)境溫度一定時，隨著功率的增加，碳纖維混凝土鋪層產(chǎn)生的熱量就更多，導電混凝土和冰的溫度增加的更快，冰層開始融化的時間變短，冰完全融化的時間也變短，耗能也隨之變少。因此采用較大的除冰功率，一方面可以加快融化速度，另一方面還可以節(jié)約電能。

結束語：通過外加電場作用使碳纖維混凝土具有良好的電熱性能，可以使冰或雪自動融化，相信碳纖維混凝土在機場跑道融雪化冰中的應用會越來越廣泛。目前國內外學者對于碳纖維導電混凝土進行了大量的理論研究，也進行了一系列試驗，大部分試驗都局限于室內的小板試驗和室外單一大板的融雪化冰試驗分析，實際工程試驗的分析研究相對較少，要想使碳纖維混凝土在機場除融雪化冰中得到更廣泛的推廣和應用，應開展一系列關于機場道面實際工程融雪化冰的試驗研究。

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