低溫下碳纖維混凝土電熱效應(yīng)實驗

魏建強(qiáng)

(西安外事學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710077)

0 引 言

碳纖維混凝土是在普通混凝土中均勻加入短切碳纖維而形成的新型功能材料，由于碳纖維具有比重小、韌性強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大、導(dǎo)電性等特性[1-7]，使碳纖維混凝土具有導(dǎo)電發(fā)熱、電磁屏蔽、壓阻性等性能，能有效減少混凝土的干燥收縮，增加混凝土的抗彎拉性能，有感知自身應(yīng)變、破壞的綜合能力[8-10]，碳纖維混凝土的通電發(fā)熱性能可應(yīng)用于道路、機(jī)場的融雪化冰，具有廣泛的應(yīng)用前景。侯作富等研究了碳纖維導(dǎo)電混凝土融雪化冰的制作方法[11]，提出了化學(xué)外加劑、礦物外加劑及碎石粒徑對碳纖維導(dǎo)電混凝土性能的影響，兩電極法和四電極法對碳纖維導(dǎo)電混凝土發(fā)熱性能的影響[12]，得到了兩電極法能較科學(xué)的反應(yīng)碳纖維混凝土電阻率的大??；胡克旭等研究了溫度作用對碳纖維混凝土界面黏結(jié)性能的影響[13]，得到不同溫度情況下碳纖維和混凝土界面剪切強(qiáng)度的大小，并且提出了碳纖維混凝土界面黏結(jié)應(yīng)力滑移模型；閆忠明研究了導(dǎo)電碳纖維混凝土的性能[14]，得出了隨著碳纖維摻量的增加碳纖維混凝土電阻率減小，隨著時間的增加，電阻率增大的結(jié)論；Farhad等研究了電極對碳纖維混凝土導(dǎo)電性能的影響[15]，電極的布設(shè)形式和位置對電阻率和發(fā)熱性能的影響；謝慧才研究了碳纖維混凝土對新老混凝土黏結(jié)性能的作用[16]，加入0.5%的短切碳纖維，抗剪強(qiáng)度最大可以增加85.6%，拉拔強(qiáng)度增加120%，劈拉強(qiáng)度增加80.0%.馬婕、劉凱等研究了低溫情況下碳纖維混凝土的性能測試成果較少[17-18]，但是只研究了低溫情況下碳纖維混凝土的導(dǎo)電發(fā)熱性能和電阻率的變化情況，低溫下碳纖維混凝土的融雪化冰能力相關(guān)實驗較少。

文中在碳纖維摻量2%的情況下，應(yīng)用濕拌法制作碳纖維導(dǎo)電混凝土，采用兩電極法測試碳纖維混凝土低溫下的電熱效應(yīng)[19]。首先測試低溫下碳纖維混凝土的發(fā)熱性能，進(jìn)而通過冰層模擬冬季下雪情況，研究了“中雪”情況下的融雪化冰性能、電熱功率與除冰時間關(guān)系、冰層厚度與除冰時間及溫度與除冰時間關(guān)系。通過融雪化冰的模擬實驗，更加真實的反映冬季碳纖維混凝土的發(fā)熱規(guī)律及影響因素，為進(jìn)一步的工程應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 原材料和主要測量儀器

水泥：秦嶺牌PO 32.5普通硅酸鹽水泥，陜西耀縣水泥廠；

砂：砂為河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7；

碎石：碎石為5～20 mm碎石；

PAN基短切碳纖維：江蘇恒神纖維材料有限公司，長度5 mm，主要技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 短切碳纖維主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Properties of short carbon fibers

甲基纖維素：天津市福晨化學(xué)試劑廠；

磷酸三丁酯：天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；

TDGC2—2KVA型接觸式調(diào)壓器，中國愛克賽電氣有限公司；

ST6 32型紅外線測溫儀，臺灣先馳光電股份有限公司；

VC890D型萬用表，深圳市勝利高電子科技有限公司；

冰柜：美的BCD-220VM，合肥美的電冰箱有限公司。

1.2 配合比

碳纖維混凝土的配合比為水泥∶砂∶石∶水=1∶1.88∶2.96∶0.46，萘系高效減水劑摻量為1%，碳纖維摻量為水泥質(zhì)量的2%，碳纖維混凝土試塊體積為150 mm×150 mm×550 mm，電極采用內(nèi)埋50 mm×50 mm銅網(wǎng)，采用兩電極法，電極間距450 mm.

1.3 試件制作工藝

為保證碳纖維在混凝土中分散的均勻性，采用濕拌法進(jìn)行加工，首先將甲基纖維素和磷酸三丁酯融入水中，將碳纖維分散在水中，然后加入水泥、砂攪拌均勻，最后將碎石投入混凝土攪拌機(jī)中[20-23]，充分?jǐn)嚢杈鶆颍⑷胍呀?jīng)安置好電極的水泥混凝土抗折試模中，成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，養(yǎng)護(hù)2 d后脫模(磷酸三丁酯有緩凝作用)，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d.試件養(yǎng)護(hù)到期后即進(jìn)行相關(guān)實驗，為了實驗的準(zhǔn)確性，每個實驗都做3次重復(fù)性實驗，取3次實驗數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果，根據(jù)實驗規(guī)劃，考慮到試件的重復(fù)利用，做了3組共計9個試件。

1.4 測試方法

在碳纖維混凝土底部設(shè)置50 mm厚的塑料泡沫，防止熱量向下傳遞，實驗前先將試件在冰柜中冰凍24 h，保證整個碳纖維混凝土試件溫度都在-25 ℃.通電加熱，每隔一分鐘記錄一次溫度數(shù)據(jù)。實驗過程如圖1所示。

圖1 實驗示意圖Fig.1 Picture of the experiment

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 低溫下碳纖維混凝土發(fā)熱性能研究

試件在冰柜中冷卻24 h后，接通36 V交流電，測試碳纖維混凝土溫度變化情況，具體實驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 碳纖維混凝土溫度變化曲線Fig.2 Temperature variation curve of carbon fiber reinforced concrete

從圖2可以看出，在36 V電壓持續(xù)通電作用下，隨著時間的推移，碳纖維混凝土的溫度不斷升高，在80 min左右時，碳纖維混凝土溫度到達(dá)0 ℃.由于混凝土表面沒有冰雪覆蓋，所以不存在融雪的熱量抵消，碳纖維混凝土溫度繼續(xù)上升。但是溫度上升不是直線型的，在前80 min內(nèi)，溫度由-25 ℃上升到-0.4 ℃，溫度上升速率為0.3 ℃/min，80 min至180 min時，溫度由-0.4 ℃上升到57.3 ℃，溫度上升速率為0.6 ℃/min，遠(yuǎn)大于前80 min的溫度上升速率。

2.2 除冰性能測定

為了驗證碳纖維混凝土融冰雪的實際能力，對碳纖維混凝土進(jìn)行融冰雪能力測試[24-26]。首先將150 mm×150 mm×550 mm的碳纖維混凝土放置在-25 ℃的冰柜中，表面黏貼溫度傳感器。將預(yù)先凍好的3 mm厚冰層放置在碳纖維混凝土表面，然后用橡皮泥密封碳纖維混凝土和冰層接觸的所有縫隙，用針管從冰層上部的縫隙中注入水，直至水分從冰層表面溢出，保證碳纖維混凝土表面至冰層表面所有空隙都被水分填滿，冷凍24 h后整個碳纖維混凝土和冰層溫度一致，去掉橡皮泥密封，開始通電加熱，具體實驗數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 碳纖維混凝土融冰溫度變化曲線Fig.3 Ice melting temperature variation curve of carbon fiber reinforced concrete

從圖3可以看出，通電加熱后，隨著時間的推移，碳纖維混凝土溫度不斷上升。在0～60 min時，溫度上升速率較慢，由-25 ℃上升到-12.4 ℃，溫度上升速率為0.2 ℃/min，主要原因是碳纖維混凝土試塊在通電后，碳纖維組成的網(wǎng)絡(luò)發(fā)熱需要一個過程，當(dāng)碳纖維發(fā)熱至較高溫度后，熱量才傳遞到碳纖維混凝土，引起整個混凝土試塊的溫度上升，所以此階段溫度上升速率較慢。60至90 min時間段內(nèi)，碳纖維混凝土溫度由-12.4 ℃上升到-0.4 ℃，此階段的溫度上升速率為0.4 ℃/min，幾乎是上一個階段的2倍，原因如前所述，此階段碳纖維發(fā)熱效率較高，所以混凝土整體溫度上升較快。同時在實驗中觀察到在90 min左右時，混凝土與冰層縫隙內(nèi)有少量的水份滲出，說明混凝土表面?zhèn)€別地方溫度已經(jīng)上升到0 ℃以上，已經(jīng)開始起到融冰的作用。90至120 min內(nèi)，溫度上升速率又變小，溫度上升速率為0.05 ℃/min，主要原因是此階段是融雪化冰階段，雖然溫度上升很小，但碳纖維導(dǎo)電發(fā)出的熱量都用于融雪化冰，實驗時觀察到此階段水份大量滲出，說明冰塊不斷融化，特別是110至120 min時觀察最為明顯。120 min后，碳纖維混凝土的溫度急速上升，在10 min內(nèi)就上升了4.2 ℃，原因是冰層已經(jīng)全部融化完，碳纖維導(dǎo)電形成的熱量幾乎全部用于碳纖維混凝土，所以此階段溫度上升速率較高。

2.3 電熱功率與除冰時間關(guān)系測定

碳纖維導(dǎo)電混凝土在其他參數(shù)一定的情況下，還可以通過電壓變化來改變電熱功率，為了模擬不同電熱功率下的融雪效果，同樣在覆蓋3 mm厚的冰層，不同電熱功率下的融雪化冰的時間關(guān)系，如圖4所示。

圖4 電熱功率與除冰時間關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between electric heating power and deicing time

從圖4可以看出，隨著電熱功率的增加，碳纖維導(dǎo)電混凝土的發(fā)熱量也隨之增加，從而融雪化冰時間也不斷減小。從水分開始滲出，到冰塊基本融化完畢，表面開始有水蒸氣大量出現(xiàn)為止，測試電熱功率與除冰時間關(guān)系。電熱功率從500 W/m2增加到700 W/m2時，融雪化冰時間減小的最明顯，從110 min減少到76 min，減小速率為17 min/100 W/m2.電熱功率從700 W/m2增加到1 000 W/m2時，融雪化冰時間從76 min減少到57 min，減小速率為6.3 min/100 W/m2，融雪化冰的“作用和效果”只相當(dāng)于前者的1/3，分析原因認(rèn)為是由于發(fā)熱量的增加，對流和輻射損失的熱量也增加，所以融雪化冰的熱量就相對減少。電熱功率從1 000 W/m2增加到1 200 W/m2時，融雪化冰減小速率為2.1 min/100 W/m2，融雪化冰的“經(jīng)濟(jì)性”就更差了。同時由本實驗可以看出在融雪化冰時間不太緊迫的情況下，碳纖維導(dǎo)電混凝土的最經(jīng)濟(jì)導(dǎo)電功率為500～700 W/m2.

2.4 溫度與除冰時間關(guān)系

在同樣的“下雪”條件下，不考慮風(fēng)速的情況下，外界溫度不同，融雪化冰的時間也不相同，在3 mm厚度冰層下，不同溫度時碳纖維混凝土達(dá)到0 ℃以上的時間，如圖5所示。

圖5 溫度與除冰時間關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between temperature and de icing time

從圖5可以看出，在不同外界溫度下，隨著溫度的“上升”，融雪化冰時間幾乎成直線下降，且下降速率幾乎相等，只有從-10 ℃到-5 ℃的變化過程中下降速率略大于其他溫度區(qū)間。分析認(rèn)為主要原因是溫度越靠近0 ℃，整個碳纖維混凝土試塊的溫度上升速度越快，所以融雪速度也就顯得越快。同時從實驗中也可以觀察出，整個實驗過程當(dāng)表面溫度達(dá)到0 ℃時，即有水分從碳纖維混凝土表面滲出，說明已經(jīng)開始進(jìn)行融雪，達(dá)到了除雪的溫度要求。

3 結(jié) 論

在36 V電壓下碳纖維混凝土在80分鐘左右時表面溫度即達(dá)到0 ℃，在前80 min內(nèi)，溫度上升速率為0.3 ℃/min，80至180 min時，溫度上升速率為0.6 ℃/min，遠(yuǎn)大于前80 min的溫度上升速率。

在3 mm厚度冰層情況下通電加熱，大約80 min的時候冰層開始融化，120 min的時候冰層基本融化完，說明在“中雪”情況下，通電120 min就能保證“舊雪”完全融化完畢，保證路面不會再有積雪形成。

隨著電熱功率的增加，碳纖維導(dǎo)電混凝土的發(fā)熱量也隨之增加，融雪化冰時間也不斷減小，碳纖維導(dǎo)電混凝土的最經(jīng)濟(jì)導(dǎo)電功率為500～700 W/m2.

在不考慮風(fēng)速的情況下，外界溫度越接近于零度，同樣厚度冰層情況下融雪化冰時間也越短。

以上研究結(jié)果為碳纖維混凝土在實際工程中的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)，測試了“中雪”情況下所需要的融雪時間，反映了不同溫度、不同功率情況下的融雪規(guī)律，下一步實驗可以按照文中的結(jié)論，在戶外制作碳纖維混凝土，冬季測試融雪化冰性能。

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