碳纖維改性道面混凝土微波除冰效率研究

任 彪，許金余,2，黃 河，王志航

(1.空軍工程大學(xué)，陜西 西安 710038; 2.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引言

公路是現(xiàn)代交通的基礎(chǔ)，道面結(jié)冰會(huì)大幅度降低道面摩擦系數(shù)，影響道面使用安全和效率[1-2]。目前通常使用的除冰方法，諸如化學(xué)除冰、機(jī)械除冰、熱能除冰等都有著或多或少的缺點(diǎn)，不滿(mǎn)足綠色節(jié)能的要求[3-4]。機(jī)械除冰效率低且損傷道面，化學(xué)除冰造價(jià)高且腐蝕道面，熱力除冰耗能大且污染環(huán)境。微波道面除冰作為一種新型的除冰技術(shù)，是一種經(jīng)濟(jì)、綠色、低耗、相容性好的除冰方法，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[5-7]。微波除冰有著除凈率高、經(jīng)濟(jì)效益好、不污染環(huán)境、不損傷道面等優(yōu)點(diǎn)，但是微波對(duì)傳統(tǒng)混凝土道面加熱效率低，除冰速度慢，較難推廣使用。因此如何有效提升混凝土的吸波發(fā)熱效率是目前國(guó)內(nèi)外道面微波除冰的研究重點(diǎn)[8-12]。

碳纖維是一種高強(qiáng)度高模量纖維，其含碳量在90%以上，具有較高的導(dǎo)電性，并且具有良好的導(dǎo)熱性、耐久性、耐腐蝕性[13]。據(jù)目前的研究結(jié)果可知，將一定量碳纖維摻入混凝土中能顯著改善混凝土的吸波加熱性能[14]，且由于碳纖維抗拉強(qiáng)度高，摻入碳纖維之后，混凝土的強(qiáng)度也能得到一定程度的提升[15]。

本研究以碳纖維改性混凝土為對(duì)象，研究了不同碳纖維長(zhǎng)度、不同碳纖維摻量對(duì)道面吸波發(fā)熱和吸波除冰過(guò)程中的溫升速率、溫升幅度的影響，運(yùn)用自主設(shè)計(jì)的開(kāi)放式可調(diào)高度微波除冰設(shè)備進(jìn)行微波照射，為避免微波對(duì)金屬質(zhì)溫度傳感器準(zhǔn)確度的影響，采用光纖傳感器測(cè)定材料溫度隨時(shí)間變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

制備碳纖維改性混凝土的原材料為：水泥、砂、碎石、拌和水、減水劑、碳纖維。水泥采用西安某水泥集團(tuán)有限公司的普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。細(xì)骨料采用產(chǎn)自浐河的天然河砂，為保證級(jí)配良好，將砂過(guò)篩，取0.16～5 mm范圍的砂，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。粗骨料選用優(yōu)質(zhì)的石灰石碎石，將粗骨料篩分為大石(20～40 mm)、中石(10～20 mm)、小石(5～10 mm)。為保證級(jí)配良好，將碎石的質(zhì)量配比設(shè)置為，大石：中石：小石=1∶1∶0.5，混合所得的粗骨料主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。拌和水采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生活飲用水。減水劑采用某化工集團(tuán)有限公司所生產(chǎn)的聚羧酸減水劑(PCA型)，其減水效率為25%～35%，減水劑摻量與水泥質(zhì)量的質(zhì)量比為11∶1 000。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)選取的碳纖維的長(zhǎng)度分別為0.1，0.3，0.6 mm。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 細(xì)骨料(砂)的主要技術(shù)指標(biāo)

表3 粗骨料(石子)的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試件制備

依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)所用的混凝土的配合比計(jì)算，所得配合比如表4所示。表中的空隙指的是配合比計(jì)算時(shí)根據(jù)相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行理論計(jì)算得到的混凝土澆注后試件內(nèi)部孔洞、固有微裂縫的體積。

表4 碳纖維改性機(jī)場(chǎng)道面混凝土配合比

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同摻量、不同長(zhǎng)度的碳纖維摻入混凝土中，表5為不同碳纖維摻量及長(zhǎng)度的梯度配比設(shè)計(jì)及編號(hào)表。

表5 碳纖維改性混凝土試件明細(xì)表

試驗(yàn)試件根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50204—2015)制作，操作步驟如下：首先，將細(xì)骨料與粗骨料混合，攪拌均勻后，加入攪拌機(jī)；然后，將碳纖維加入水泥中，攪拌均勻，倒入攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢? min；最后將減水劑加入水中，攪拌均勻后，加入攪拌機(jī)，攪拌2 min?；炷猎跀嚢铏C(jī)中攪拌完畢后，需置于托盤(pán)上用鐵鍬手工攪拌，之后將攪拌充分的混凝土加入500 mm×500 mm×50 mm模具中，再使用振動(dòng)臺(tái)使之振搗密實(shí)。凝結(jié)24 h后利用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行拆模，拆模后的試件需置于YH-90B標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

傳統(tǒng)的溫度傳感器多為金屬材質(zhì)，但金屬材質(zhì)在微波環(huán)境下的導(dǎo)熱參數(shù)變化較大，無(wú)法測(cè)出準(zhǔn)確的溫度，因此本研究采用YL-PL型無(wú)源光纖溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫，避免了測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題。

早期的微波除冰室內(nèi)試驗(yàn)采用封閉式微波源進(jìn)行加熱，但李笑等[16]指出封閉式微波源與機(jī)場(chǎng)道面除冰作業(yè)時(shí)的室外作業(yè)有很大區(qū)別，不能真實(shí)模擬實(shí)際除冰過(guò)程，因此本研究采用了自主研發(fā)的開(kāi)放式微波除冰源，更加貼近實(shí)際除冰過(guò)程。

2 結(jié)果分析

在混凝土試件表面放置光纖溫度傳感器，每組試件重復(fù)5次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)共觀測(cè)90 s，每1 s記錄一次溫度，得到不同碳纖維摻量及長(zhǎng)度的T-t曲線以及各組試件溫升幅度柱形圖。

2.1 碳纖維長(zhǎng)度和摻量分別對(duì)吸波加熱效率的影響

注：PC為素混凝土，下同。圖1 碳纖維長(zhǎng)度對(duì)吸波加熱效率的影響Fig.1 Influence of carbon fiber length on microwave absorbing heating efficiency

圖2 碳纖維摻量對(duì)吸波加熱效率的影響Fig.2 Influence of carbon fiber content on microwave absorbing heating efficiency

圖1為碳纖維摻量分別為1‰，2‰，3‰時(shí)，不同長(zhǎng)度下試件表面的溫升幅度柱形圖。圖2為碳纖維長(zhǎng)度分別為0.1，0.3，0.6 mm時(shí)，不同摻量下試件表面的溫升幅度柱形圖。從圖1、圖2可以看出：(1)6幅圖中，摻入碳纖維的混凝土試件的表面溫度均高于普通混凝土的表面溫度，但是在碳纖維摻量為1‰時(shí)，碳纖維的摻入導(dǎo)致試件表面溫升幅度低于普通混凝土，隨著碳纖維長(zhǎng)度的提高，其溫升幅度高于普通混凝土。這說(shuō)明碳纖維的摻加可以有效提升混凝土的吸波發(fā)熱效率，但如果摻入的碳纖維的摻量和長(zhǎng)度不適當(dāng)，有可能對(duì)混凝土吸波發(fā)熱的效率產(chǎn)生負(fù)作用。(2)在試驗(yàn)中，試樣的表面溫度升高幅度隨著碳纖維長(zhǎng)度的增加而增加，表明碳纖維長(zhǎng)度的增加有利于提高混凝土吸波加熱效率，在一定范圍內(nèi)，碳纖維摻量的變化不會(huì)影響這一結(jié)論;(3)對(duì)比圖1中3幅圖，不同碳纖維摻量下碳纖維長(zhǎng)度對(duì)碳纖維混凝土溫升幅度的影響各不相同。其中碳纖維摻量為2‰時(shí)，碳纖維長(zhǎng)度對(duì)碳纖維混凝土的溫升幅度影響最大，表現(xiàn)為在這種碳纖維摻量下，不同碳纖維長(zhǎng)度的碳纖維混凝土溫升幅度差值最大。這說(shuō)明碳纖維摻量為2‰時(shí)，碳纖維長(zhǎng)度對(duì)吸波發(fā)熱效率的影響起到更關(guān)鍵的作用，這是因?yàn)樘祭w維摻量過(guò)大時(shí)，纖維大量搭接，混凝土吸波性能下降，而碳纖維摻量過(guò)小時(shí)，其改性作用不明顯，纖維摻量為2‰時(shí)，碳纖維的改性作用較為明顯。(4)對(duì)比圖2中3幅圖，碳纖維長(zhǎng)度為0.1 mm時(shí)，碳纖維摻量對(duì)其吸波性能幾乎沒(méi)有影響，碳纖維長(zhǎng)度為0.3 mm時(shí)，隨著碳纖維摻量的增加，其吸波性能逐漸增加，碳纖維長(zhǎng)度為0.6 mm時(shí)，隨著碳纖維摻量的增加，其吸波性能先增后減。這說(shuō)明碳纖維長(zhǎng)度會(huì)對(duì)最優(yōu)的碳纖維摻量產(chǎn)生影響，若碳纖維長(zhǎng)度過(guò)小，增加碳纖維摻量幾乎對(duì)混凝土吸波性能沒(méi)有提升甚至可能產(chǎn)生負(fù)作用，即在一定范圍內(nèi)，碳纖維長(zhǎng)度能夠改變碳纖維摻量對(duì)吸波發(fā)熱效率的影響規(guī)律。

2.2 碳纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)吸波加熱效率的影響

圖3 碳纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)吸波加熱效率的影響Fig.3 Influence of content and length of carbon fiber on microwave absorbing heating efficiency

圖3是不同碳纖維摻量及長(zhǎng)度下，混凝土試件表面溫升曲線圖。從圖3可以看出：(1)總體而言，微波對(duì)試件加熱后，隨著時(shí)間增加，試件中心點(diǎn)溫度逐漸升高，說(shuō)明微波照射能夠?qū)⑽⒉ㄖ械碾姶拍苻D(zhuǎn)化為混凝土試件的內(nèi)能，混凝土試件可以吸收微波并發(fā)熱，進(jìn)而達(dá)到除冰的目的。(2)在混凝土中摻入碳纖維后，試件的溫升幅度有不同程度的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度隨碳纖維的摻量及長(zhǎng)度的變化而變化，說(shuō)明一定量碳纖維的摻入能夠影響混凝土的吸波發(fā)熱性能。(3)各組試件在試驗(yàn)前期溫度上升較緩慢，溫升曲線斜率較小，之后溫度上升速率加快，并最終趨于穩(wěn)定；溫升曲線斜率增大，最后接近于直線。這是由于微波照射初期，混凝土被加熱的同時(shí)，還在向溫度較低的區(qū)域傳遞熱量，隨著時(shí)間推移，混凝土內(nèi)部熱量傳遞速率與產(chǎn)熱速率達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)溫升速率接近一個(gè)定值，溫度呈線性趨勢(shì)上升。(4)碳纖維長(zhǎng)度為0.1，0.3 mm時(shí)，碳纖維混凝土的溫升幅度隨碳纖維摻量的增加而增加，但碳纖維長(zhǎng)度為0.6 mm時(shí)，碳纖維摻量為3‰的試件溫升幅度小于碳纖維摻量為2‰的試件溫升幅度。這說(shuō)明當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度較短時(shí)，碳纖維摻量的增加能明顯提升試件的吸波發(fā)熱效率，但當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，碳纖維摻量的繼續(xù)增加反而降低其吸波發(fā)熱效率。碳纖維摻量為2‰，長(zhǎng)度為0.6 mm時(shí)，試件的溫升速率最高為0.68 ℃/s，較普通混凝土試件提升4.8倍，此時(shí)其吸波發(fā)熱效率最高。(5)曲線存在交叉的情況，并且交叉點(diǎn)出現(xiàn)在溫度上升的穩(wěn)定階段，說(shuō)明碳纖維改性混凝土有一定的溫度敏感性，這是由于混凝土的電磁參數(shù)及傳熱參數(shù)隨溫度發(fā)生變化導(dǎo)致的。

2.3 機(jī)理分析

微波作為一種電磁波，照射在物體表面時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射和透射，其所帶電場(chǎng)在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生偶極子，偶極子高頻擺動(dòng)，互相摩擦，將電磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。因此，微波照射在混凝土表面時(shí)，能夠使混凝土溫度得到一定的升高。在混凝土中摻入碳纖維后，對(duì)其電磁性能產(chǎn)生了一定的影響，因此能改變其吸波發(fā)熱效率，從而提升微波除冰效率。

不同介質(zhì)電磁參數(shù)不同，對(duì)微波的吸收效率不同。本研究以溫升速率為指標(biāo)，評(píng)估不同碳纖維摻量和長(zhǎng)度混凝土試件的吸波效率。溫升速率可用下式進(jìn)行計(jì)算[17-18]：

(1)

式中，c為比熱容;λ為導(dǎo)熱系數(shù);ρ為介質(zhì)密度;Ts為溫度;f是頻率;ε″e(cuò)ff為有效介電常數(shù)的虛部;ε″e(cuò)ff和Erms為介電參數(shù)。

式(1)中λ，c，ρ均為溫度的函數(shù)，ε″e(cuò)ff為溫度和頻率的函數(shù)，Erms和介質(zhì)反射率有關(guān)，而介質(zhì)反射率又是其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的函數(shù)，因此，混凝土吸收發(fā)熱的溫升速率求解方程是一個(gè)超越方程，對(duì)其進(jìn)行定量求解需要借助于有限元分析軟件。對(duì)這一超越方程進(jìn)行定性分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可得出以下結(jié)論：

(1)從式(1)中可以看出，混凝土表面吸收微波生熱，其溫升速率主要受到2個(gè)方面因素的影響：一方面是混凝土自身的性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、介電常數(shù)、比熱容、密度等；另一方面是微波照射的頻率。

(2)碳纖維是一種導(dǎo)體，而混凝土是絕緣體，一定摻量及長(zhǎng)度的碳纖維摻入混凝土后，能夠改善其導(dǎo)電性能。即碳纖維的摻入能夠改善混凝土的ε″e(cuò)ff和Erms等介電參數(shù)，進(jìn)而提高混凝土試件的溫升速率，改善其吸波發(fā)熱效率。

(3)在微波照射加熱初期，混凝土材料溫敏性較為明顯，因此，溫升曲線前10 s表現(xiàn)為不規(guī)則曲線。此外，在一定范圍內(nèi)，微波對(duì)絕緣體介質(zhì)表現(xiàn)為透射而不吸收，隨著導(dǎo)電性能的增加，介質(zhì)吸收微波轉(zhuǎn)化為熱能的效率逐漸提升。但當(dāng)導(dǎo)電性能過(guò)高，介質(zhì)表現(xiàn)為導(dǎo)體時(shí)，微波照射時(shí)大部分發(fā)生反射而不吸收，會(huì)降低介質(zhì)的吸波發(fā)熱效率。因此，增加碳纖維長(zhǎng)度和摻量均可以提高混凝土的吸波發(fā)熱性能，當(dāng)碳纖維摻量為2‰，長(zhǎng)度為0.6 mm時(shí)，吸波發(fā)熱性能最好，較普通混凝土提高4.8倍，但此時(shí)繼續(xù)增加碳纖維長(zhǎng)度或摻量會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部大面積發(fā)生碳纖維搭接現(xiàn)象，形成導(dǎo)電閉環(huán)，微波被大量反射而無(wú)法被混凝土吸收，導(dǎo)致吸波發(fā)熱效率反而降低。

3 結(jié)論

(1)在混凝土中摻入一定量的碳纖維可以提升其吸波發(fā)熱效率，提升幅度隨碳纖維的摻量及長(zhǎng)度的變化而變化。但當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度較短時(shí)，反而會(huì)抑制其吸波發(fā)熱效率，合理運(yùn)用碳纖維改性混凝土可以達(dá)到對(duì)路面進(jìn)行微波除冰的目的。

(2)增加碳纖維長(zhǎng)度有利于提升碳纖維改性混凝土吸波發(fā)熱效率；在一定范圍內(nèi)增加碳纖維摻量也可以提升碳纖維改性混凝土吸波發(fā)熱效率，但當(dāng)碳纖維摻量過(guò)大時(shí)，反而會(huì)抑制其吸波發(fā)熱效率，碳纖維長(zhǎng)度與碳纖維摻量對(duì)混凝土吸波發(fā)熱效率的影響具有復(fù)合作用。當(dāng)碳纖維摻量為2‰，長(zhǎng)度為0.6 mm時(shí)，吸波發(fā)熱效率最高，較普通混凝土提高4.8倍。

(3)碳纖維改性混凝土吸波發(fā)熱的前期熱量需要向下傳導(dǎo)，溫升速率較低，溫度上升較慢，熱量傳導(dǎo)平衡后，溫升速率逐漸變大，最終趨于一個(gè)定值，溫度穩(wěn)定上升。碳纖維改性混凝土有一定的溫度敏感性，其電磁參數(shù)和導(dǎo)熱參數(shù)隨著溫度變化而變化。