碳纖維混凝土機場道面融雪化冰的影響因素

（濱州學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 山東 濱州）

在寒冷地區(qū)的冬季，積雪結(jié)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(yīng)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(nèi)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?zé)峁芊ā?dǎo)電混凝土法、發(fā)熱電纜法、導(dǎo)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(dǎo)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(shù)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(xué)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(yīng)用于機場道面融雪化冰工作。經(jīng)過相關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)層之間設(shè)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(dá)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(dá)到的最高溫度值增加，當(dāng)碳纖維摻量從1.0%增加到1.2%時，試塊所能達(dá)到的最高溫度反而減小。試分析出現(xiàn)以上結(jié)果的原因，試塊的電熱特性與試塊的電阻值變化是相關(guān)的，試塊電阻越大，導(dǎo)電性能越差，其電熱性能相應(yīng)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(yīng)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(dǎo)電通路被粗骨料截斷，使其導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電通路，碳纖維導(dǎo)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(dǎo)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(jié)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(dǎo)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(cè)的“橋梁作用”并未切斷，混凝土導(dǎo)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(guān)系，此時，即使存在裂縫，碳纖維混凝土仍具有良好的導(dǎo)電性能；當(dāng)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(cè)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(dǎo)電性能急劇下降，直至導(dǎo)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(yīng)盡量減少導(dǎo)電通路上裂縫的數(shù)量，并嚴(yán)格控制裂縫寬度在臨界裂縫寬度以內(nèi)。

5 環(huán)境溫度與冰層厚度

王琦等學(xué)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(dāng)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(guān)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(dǎo)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(jié)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(yīng)用會越來越廣泛。目前國內(nèi)外學(xué)者對于碳纖維導(dǎo)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(nèi)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(yīng)用，應(yīng)開展一系列關(guān)于機場道面實際工程融雪化冰的試驗研究。

[1]馬世寧，劉曉軍，張元龍.碳纖維導(dǎo)電混凝土道面機場除冰雪的應(yīng)用研究[J].路基工程，2011 (3) : 182－184.

[2]王琦.談導(dǎo)電混凝土路面除冰性能的影響因素[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2014 (7) : 99－102.

[3]李龍海，仝曄. 機場用導(dǎo)電混凝土除冰雪熱功率優(yōu)化研究[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2016 (3) : 22－27.

[4]唐祖全,李卓球,錢覺時.碳纖維導(dǎo)電混凝土在路面除冰雪中的應(yīng)用研究[J].建筑材料學(xué)報,2004,02:215-220.

[5]侯作富,李卓球,唐祖全.融雪化冰用碳纖維混凝土的導(dǎo)電性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2002,08:32-34.