碳纖維混凝土微波吸熱效率的研究

孟 欣， 許金余,2 ， 呂曉聰， 白二雷， 黃 河

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院， 西安， 710038； 2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院， 西安， 710072；3.中部戰(zhàn)區(qū)空軍保障部， 北京， 100005)

當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)會導(dǎo)致道路表面結(jié)冰，將冰層與路面分開較為困難，對交通危害很大。有效的清除道路尤其是高速公路、機(jī)場等重要設(shè)施的積冰，一直是國內(nèi)外學(xué)者非常關(guān)注的問題[1]。目前常見的除冰方法主要有機(jī)械除冰法、人工除冰法和化學(xué)除冰法等[2]。機(jī)械除冰法是指使用路面除冰機(jī)械對路面上的冰層進(jìn)行破碎，然而在施工過程中施工力度難以把握，容易破壞路面結(jié)構(gòu)。人工除冰法是指工人借助簡單工具如鐵鏟、掃把除去路面上的積冰，這種方法效率低且勞動強(qiáng)度大。化學(xué)除冰法是指在路面上鋪灑化學(xué)試劑降低冰點(diǎn)，然而化學(xué)試劑的使用會污染周邊土壤及水環(huán)境[3]。因此，尋找一種高效又環(huán)保的除冰方法成為亟需解決的熱點(diǎn)問題[4]。

微波除冰作為一種新型的、環(huán)保型的除冰方式，得到了許多學(xué)者的重視。2003年，北方交通大學(xué)的徐宇工等通過實(shí)驗(yàn)得出微波能穿過冰面作用在路面上，產(chǎn)生的熱量能夠使冰面融化，消除冰層與路面的粘結(jié)力，進(jìn)而達(dá)到除冰的目的[5]。2008年，長安大學(xué)焦生杰等通過研究微波除冰的效率得出5.8 GHz磁控管能使微波除冰的效率提高4～6倍，路面使用鐵磁性的材料加鋪層能使微波除冰的效率提高3～5倍[6]。2018年，劉俊良等通過研究不同鐵黑摻量對混凝土微波除冰的影響，得出鐵黑摻量越多，微波除冰的效率越高[7]。這些學(xué)者研究出不同工況下微波除冰的效率，但是對于不同碳纖維摻量混凝土微波吸熱效率的研究比較少，僅停留在簡單的碳纖維混凝土與普通混凝土微波除冰效率的對比，缺乏碳纖維摻量對混凝土表面吸波后的溫度分布影響的研究。因此，本文針對不同碳纖維摻量混凝土微波吸熱效率展開試驗(yàn)研究并進(jìn)行機(jī)理分析。

碳纖維是一種新型纖維材料,具有強(qiáng)度高、電阻低、導(dǎo)熱性強(qiáng)等特性，其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能可有效提高混凝土微波除冰的效率[8]。因此，本試驗(yàn)以摻加碳纖維混凝土為研究對象，測試不同摻量碳纖維混凝土微波除冰效率的變化規(guī)律，觀察不同摻量碳纖維混凝土的除冰效果以及混凝土試塊表面的溫度分布，對于進(jìn)一步提高路面微波除冰效率具有重大意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料的選用

混凝土試件制備采用的原材料主要有：水泥、砂、石子、水、減水劑、碳纖維。水泥選用陜西堯柏水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用灞河天然砂；粗骨料采用錘式破碎機(jī)生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石；拌和水選用西安市灞橋區(qū)供應(yīng)的自來水；減水劑使用陜西中易化工有限公司生產(chǎn)的PCA型聚羧酸減水劑。碳纖維用量分別為混凝土體積的1‰、2‰、3‰[9]。混凝土配合比依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)，各組分質(zhì)量占比見表1。

表1 碳纖維改性機(jī)場道面混凝土配合比設(shè)計(jì) 單位：kg

1.2 試件制備及試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 試件制備過程

本文設(shè)計(jì)混凝土試件的尺寸為50 cm×50 cm×5 cm。混凝土的制備過程參考實(shí)際工程中水泥混凝土的制備流程進(jìn)行，主要有原材料準(zhǔn)備、計(jì)量、拌和、裝料、振實(shí)、養(yǎng)護(hù)、脫模7個(gè)步驟。

1.2.2 試件設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的開放式微波除冰試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由磁控管、自主設(shè)計(jì)開放式微波除冰設(shè)備、光纖測溫傳感器等構(gòu)成。試驗(yàn)采用磁控管激發(fā)微波，磁控管型號為OM75P(31)ESGN。波導(dǎo)口是上海賽涵機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的BJ-22型。光纖傳感器是YL-PL型無源光纖溫度傳感器。

進(jìn)行不同碳纖維摻量的吸波發(fā)熱試驗(yàn)。碳纖維長度選擇0.3 cm，微波發(fā)射源喇叭口距混凝土試件表面高度為20 mm，采用光纖傳感器和無紙記錄儀測量溫升曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同摻量碳纖維的混凝土的溫升曲線分析

將光纖溫度傳感器布設(shè)在混凝土試件表面的中心點(diǎn)，照射90 s，每1 s記錄1次,每組試件進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，取5次試驗(yàn)平均值，得到不同碳纖維摻量的溫度-時(shí)間曲線(圖1)，并記錄不同試件溫度上升速率最大值、穩(wěn)定值及溫升幅度(表2)。

圖1 不同碳纖維摻量混凝土的溫度-時(shí)間曲線

表2 不同試件的溫度上升速率最大值、穩(wěn)定值及溫升幅度

從溫升曲線和溫升幅度表中可以看出：

1)隨時(shí)間增加，各摻量混凝土試件表面中心點(diǎn)溫度逐漸升高，說明碳纖維混凝土吸收微波并發(fā)熱。

2)在前20 s內(nèi)，試件表面的溫度上升比較緩慢；25～80 s區(qū)間內(nèi)溫升曲線近似于一條直線，上升速度明顯提升；80 s之后試件表面中心點(diǎn)溫度逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值，上升的速度逐漸變得的緩慢，說明碳纖維混凝土具有一定的溫敏性。

3)碳纖維摻量為3‰的試件溫度上升速率一直高于PC試件，碳纖維摻量為1‰、2‰的試件溫度上升速率低于PC試件，碳纖維摻量為3‰時(shí)，混凝土試件表面中心點(diǎn)的溫升幅度最大,說明當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到某一特定值時(shí)才能提高混凝土的吸波能力。

2.2 碳纖維混凝土吸波后的溫度分布

溫升曲線只能反映試件表面中心點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，不能全面的反映出碳纖維摻量對混凝土吸波發(fā)熱效率的影響，因此還需進(jìn)一步研究微波照射下試件表面溫度在空間上的分布規(guī)律。對此，在微波照射結(jié)束后用FLIR ONE PRO紅外成像儀拍攝試件表面的紅外溫度分布圖。

圖2為不同碳纖維摻量混凝土試件表面的紅外圖像，紅色的部分溫度高，藍(lán)色的部分溫度低，溫度最高的部分呈白色。

圖2 不同碳纖維摻量混凝土試件表面紅外成像

由圖2可以看出：

1)隨著碳纖維摻量的增加，試件中心的紅色區(qū)域面積越來越大，混凝土試件表面綠色的邊緣向外擴(kuò)展的面積逐漸增大，即試件中心的溫度越來越高，擴(kuò)散的區(qū)域也逐漸增大。說明隨著碳纖維摻量的增加，混凝土試件的吸波能力逐漸增強(qiáng)。

2)碳纖維摻量為1‰時(shí)，中心的紅色區(qū)域近似于圓形，摻量為2‰時(shí)，中間的紅色區(qū)域逐漸向左右兩側(cè)擴(kuò)展，且擴(kuò)展的顏色偏淺；摻量為3‰時(shí)，中間的紅色區(qū)域進(jìn)一步向兩側(cè)擴(kuò)展。這說明隨著碳纖維摻量的增加，試件溫度上升的并不均勻。

3)隨著碳纖維摻量的增加，混凝土試件中心的白色區(qū)域逐漸增大且顏色加深。這說明試件中心點(diǎn)的溫度逐漸增高，與邊緣區(qū)域的溫差越來越大。

為比較加熱后試件表面各點(diǎn)的溫升情況，繪制了4組試件表面溫度分布立體圖(圖3)。通過測量得到各組混凝土試件表面高于室溫的有效加熱長度(表3)，以此來分析各組試件有效加熱面積的大小。

圖3 不同碳纖維摻量試件表面吸波發(fā)熱溫度分布立體圖

表3 不同纖維摻量的有效加熱長度

從溫度分布立體圖和有效加熱長度表可知：

1)碳纖維摻量為1‰和2‰的試件有效加熱面積略大于未摻加碳纖維試件，碳纖維摻量為3‰的試件有效加熱面積小于PC試件，說明在一定范圍內(nèi)，加入碳纖維的混凝土試件的有效加熱面積會比PC試件大，超過這一范圍，就會抑制混凝土試件的導(dǎo)熱速率。

2)隨著碳纖維摻量的增加，混凝土試件中心點(diǎn)的溫度呈現(xiàn)增高的趨勢，碳纖維摻量為3‰的混凝土試件中心點(diǎn)溫度最高，然而其他點(diǎn)的溫度均比混凝土試件CFC1和CFC2低，說明碳纖維摻量越多，混凝土試件中心點(diǎn)的溫度越高，但混凝土試件表面溫度傳遞的速度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低。

2.3 機(jī)理分析

混凝土吸收微波能量的大小不僅與本身的吸波性能有關(guān)，還與混凝土表面阻抗匹配有關(guān)[10]。根據(jù)能量守恒原理，可知：

Ud=Ue+Up

式中:Ud為微波動能；Ue為彈性變形能；Up為混凝土的能量耗散。

碳纖維對混凝土的影響分為2個(gè)方面，一方面混凝土的導(dǎo)電率增加，試件內(nèi)部產(chǎn)生電損耗，損耗產(chǎn)熱就會有一定的增加；另一方面混凝土從絕緣體轉(zhuǎn)變成了半導(dǎo)體，電阻率由無窮大急劇下降，增加了混凝土表面的反射率，減弱了透射波的電場強(qiáng)度，不利于混凝土的吸波發(fā)熱[11]。

通過對微波照射后的混凝土試件表面溫度變化的研究，可將中心點(diǎn)溫升幅度、有效加熱長度視為評價(jià)碳纖維混凝土吸波發(fā)熱效率的兩個(gè)指標(biāo)。試件中心點(diǎn)溫升幅度可表示混凝土試件中心點(diǎn)溫度上升速率，試件有效加熱長度可表示混凝土試件表面微波加熱后的有效加熱面積。通過以上研究數(shù)據(jù)可得出：CFC3混凝土試件中心點(diǎn)的溫度上升速率高于混凝土試件CFC1和CFC2，然而有效加熱長度比試件CFC1和CFC2都小；CFC1混凝土試件有效加熱面積比混凝土試件CFC2和CFC3大，但中心點(diǎn)的溫度上升速率低于混凝土試件CFC2和CFC3。綜上可得出當(dāng)碳纖維摻量為2‰時(shí)，混凝土試件的吸波發(fā)熱效率最好。

3 結(jié)論

1)加入碳纖維使混凝土導(dǎo)電導(dǎo)熱性增強(qiáng)，提高了混凝土的極化強(qiáng)度，有助于提高混凝土的吸波性能。

2)隨著碳纖維摻量的增大，混凝土試件表面中心點(diǎn)的溫度逐漸增大，由試驗(yàn)結(jié)果可得碳纖維摻量為3‰時(shí)，混凝土試件的溫升幅度最大。

3)隨著碳纖維摻量的增大，混凝土試件表面有效加熱長度逐漸減小，綜合考慮中心點(diǎn)溫升幅度、有效加熱長度兩個(gè)指標(biāo)可得，當(dāng)碳纖維摻量為2‰時(shí)，混凝土試件的吸波發(fā)熱性能最好。