吸波混凝土在道面微波除冰中的研究綜述

姚天麟 姜 波 劉志群

(1.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710021；2.西部戰區空軍甘寧片區工程指揮部，甘肅 蘭州 730020； 3.空軍工程大學供應保障處，陜西 西安 710051)

0 引言

軍用機場是為航空兵提供作戰、訓練場地的軍事保障設施和重要作戰組成。時刻保證機場跑道處于良好狀態，對戰時展現空軍作戰實力、掌握軍事斗爭主導權具有重要意義。我國很多軍用機場處于季節性冰凍地區，降雪結冰會降低機場道面的摩擦系數高達70%～80%[1-4]，導致飛機無法正常起飛、著陸容易造成側翻、沖出跑道等后果，導致機場正常使用效率嚴重影響我軍戰時作戰效能。

目前道路除冰常用方法主要為化學法、熱力法、機械法和自應力法四種。化學法通過撒布NaCl等化學劑降低冰雪融點的方法提高除冰效率，該方法容易對道面產生腐蝕且低溫下除冰效果不理想；熱力法通過直接加熱融化的方法除冰，該方法去除厚冰層時效果不理想且十分消耗能源；機械法通過機械裝置直接除冰，該方法容易導致路面的損壞；自應力除冰法將具有較大彈性的顆粒材料不均勻地摻入混凝土，使道面的彈性性能產生位置上的差異，道面不均勻形變產生自應力，最終實現道面除冰，該方法混合料制備難度大、混凝土力學性能變差且路面試驗壽命較短。

傳統的除冰方法存在除冰效率低、除冰效果不理想、易損壞道面等不足。因此，為實現機場快速除冰，保障飛機正常起降，對新型除冰方法的研究顯得尤為重要和緊迫。

微波除冰加熱均勻、便于控制并且不會對環境造成污染，是目前道面除冰方法的一個研究方向。微波幾乎不被冰層吸收，而是穿過冰層之后被道面大量吸收并發熱，使貼近道面的冰層融化，進而達到除冰的效果。但是該方法除冰效率受微波頻率和路面吸波性能限制，因此，研制吸波性能強的混凝土材料是目前各國研究的熱點方向之一。

本文介紹了目前吸波混凝土研究現狀，并簡要介紹了吸波性能較強的磁鐵礦的摻量對混凝土電磁特性的影響，探討了摻磁鐵礦的混凝土的吸波性能及除冰效率研究方向。

1 吸波混凝土研究現狀

Osborne等[5](1989)在試驗中發現當摻入磁鐵礦對瀝青路面進行修補后，路面在微波照射作用下升溫效果有明顯改善，因此提出利用將磁鐵礦摻入瀝青混凝土中來提高微波除冰的構想。采用2.45 GHz微波對混凝土進行照射，試驗發現混凝土路面的發熱性能隨磁鐵礦質量分數摻量增加而提高，但當摻量超過5%后，升溫發熱性能增長不明顯。

Wuori[6](1993)對混凝土路面吸波發熱性能進行了試驗研究，研究了基于微波加熱的非接觸式除冰。結果表明微波對普通混凝土路面的加熱效果不理想，普通混凝土路面不滿足實際融雪除冰要求，微波除冰法仍無法投入實際工程應用。

Lindroth[7](1995)配制了煤顆粒瀝青混凝土，通過微波除冰試驗對瀝青路面的除冰效果進行了分析。試驗中發現微波加熱混凝土路面后冰層與路面交接部位最先發生融化，最終冰層整塊脫落，通過分析得出結論，路面冰層不吸收微波，微波作用在道面混凝土中，混凝土升溫導致結合部冰層融化，達到除冰效果。

Hopstock[8](2003)將鐵燧巖作為一種新型骨料摻入到瀝青混凝土當中制備出鐵燧巖瀝青混凝土，微波加熱試驗結果表明，鐵燧巖吸波混凝土的吸波發熱能力更強，具有較高的發熱效率，吸波性能遠遠優于普通瀝青混凝土。其在后續的研究中[9,10]對鐵燧巖瀝青混凝土的吸波特性參數進行了試驗測試并建模分析。基于此項研究，美國學者認為提高微波除冰效率的關鍵一環是找出吸波性能良好的材料對道面組分進行改善并對具有良好吸波性能的新型材料開展了廣泛研究。

陳穎等[11](2013)提出利用低品位磁鐵礦石鋪筑微波除冰路的構想，并采用室內試驗研究了可行性。結果表明：磁鐵礦各項指標符合路用要求且能夠大大提升路面的微波除冰效率。

高杰[12](2014)研究了碳纖維—水泥乳化瀝青砂漿加熱帶的微波除冰效率，并結合纖維摻量及分散程度進行了相關研究。結果表明當纖維體積摻量為0.4%～1%、微波作用30 s時，微波生熱速率最佳。

現有文獻大多集中在瀝青混凝土的微波除冰研究，對水泥混凝土的微波除冰性能研究相對較少，并且許多學者采用的微波爐等密閉微波設備與實際除冰環境不符，仍需要進行更加貼合實際施工操作環境的試驗研究。

2 磁鐵礦成分及技術指標

綜上所述，微波除冰具有良好的選擇性加熱特點，冰層不完全融化，在加熱過程中冰層與試件上表面逐漸分離是微波加熱除冰的主要特點及優勢。與此同時，微波除冰方法除冰效果良好，操作過程中不產生污染物，吸波材料加入對路面材料吸波發熱除冰性能具有良好的改善效果。

為了提高道面微波除冰效率，可以增大混凝土的吸波性能。研究表明，摻銅礦渣路面混凝土能顯著提高微波除冰效率，磁鐵礦骨料混凝土也能提高混凝土吸波性能進而提升道面微波除冰效率。可以對不同的磁鐵礦摻量混凝土的電磁參數，如復介電常數實部、復介電常數虛部、復磁導率實部和復磁導率虛部平均值等進行測定，觀察混凝土吸波性能與磁鐵礦摻量的關系。混凝土的吸波性能可以通過試件表面中心點溫度溫升速率的快慢來反映。

磁體礦的主要成分是Fe3O4晶體屬等軸晶系的氧化物礦物，晶體常呈八面體和菱形十二面體，多為粒塊狀集合體具有強磁性，被稱為“磁石”，顏色為鐵黑色，條痕呈黑色，金屬光澤或半金屬光澤，自然磁鐵礦往往還含有赤鐵礦Fe2O3，如圖1所示。

3 結語

1)微波除冰技術能夠通過加熱道面，使冰層與道面交接部位融化，實現冰層與路面的脫離，進而達到除冰的效果，是道面除冰的一個重要發展方向。微波除冰具有加熱均勻、不傷害道面、不污染環境等優點，但其除冰效率受混凝土吸波性能影響較大，普通混凝土難以實現微波除冰的實際應用。

2)目前國內外對吸波混凝土均有研究，思路大多是在混凝土中摻加一定量的外加劑，提高混凝土的吸波性能。

3)摻加磁鐵礦能有效提高混凝土的吸波性能，但是摻加磁鐵礦的混凝土的力學特性及耐磨性等有待進一步研究。