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，陜西 西安 710038; 2.西北工業大學 力學與土木建筑學院，陜西 西安 710072)

0 引言

公路是現代交通的基礎，道面結冰會大幅度降低道面摩擦系數，影響道面使用安全和效率[1-2]。目前通常使用的除冰方法，諸如化學除冰、機械除冰、熱能除冰等都有著或多或少的缺點，不滿足綠色節能的要求[3-4]。機械除冰效率低且損傷道面，化學除冰造價高且腐蝕道面，熱力除冰耗能大且污染環境。微波道面除冰作為一種新型的除冰技術，是一種經濟、綠色、低耗、相容性好的除冰方法，受到國內外的廣泛關注[5-7]。微波除冰有著除凈率高、經濟效益好、不污染環境、不損傷道面等優點，但是微波對傳統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熱效率是目前國內外道面微波除冰的研究重點[8-12]。

碳纖維是一種高強度高模量纖維，其含碳量在90%以上，具有較高的導電性，并且具有良好的導熱性、耐久性、耐腐蝕性[13]。據目前的研究結果可知，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度高，摻入碳纖維之后，混凝土的強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象，研究了不同碳纖維長度、不同碳纖維摻量對道面吸波發熱和吸波除冰過程中的溫升速率、溫升幅度的影響，運用自主設計的開放式可調高度微波除冰設備進行微波照射，為避免微波對金屬質溫度傳感器準確度的影響，采用光纖傳感器測定材料溫度隨時間變化規律。

1 試驗

1.1 試驗材料

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有限公司的普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)，其主要技術指標如表1所示。細骨料采用產自浐河的天然河砂，為保證級配良好，將砂過篩，取0.16～5 mm范圍的砂，其主要技術指標如表2所示。粗骨料選用優質的石灰石碎石，將粗骨料篩分為大石(20～40 mm)、中石(10～20 mm)、小石(5～10 mm)。為保證級配良好，將碎石的質量配比設置為，大石：中石：小石=1∶1∶0.5，混合所得的粗骨料主要技術指標如表3所示。拌和水采用符合國家標準生活飲用水。減水劑采用某化工集團有限公司所生產的聚羧酸減水劑(PCA型)，其減水效率為25%～35%，減水劑摻量與水泥質量的質量比為11∶1 000。進行試驗時選取的碳纖維的長度分別為0.1，0.3，0.6 mm。

表1 水泥的主要技術指標

表2 細骨料(砂)的主要技術指標

表3 粗骨料(石子)的主要技術指標

1.2 試件制備

依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行試驗所用的混凝土的配合比計算，所得配合比如表4所示。表中的空隙指的是配合比計算時根據相關參數，進行理論計算得到的混凝土澆注后試件內部孔洞、固有微裂縫的體積。

表4 碳纖維改性機場道面混凝土配合比

在此基礎上，設計不同摻量、不同長度的碳纖維摻入混凝土中，表5為不同碳纖維摻量及長度的梯度配比設計及編號表。

表5 碳纖維改性混凝土試件明細表

試驗試件根據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB 50204—2015)制作，操作步驟如下：首先，將細骨料與粗骨料混合，攪拌均勻后，加入攪拌機；然后，將碳纖維加入水泥中，攪拌均勻，倒入攪拌機充分攪拌1 min；最后將減水劑加入水中，攪拌均勻后，加入攪拌機，攪拌2 min。混凝土在攪拌機中攪拌完畢后，需置于托盤上用鐵鍬手工攪拌，之后將攪拌充分的混凝土加入500 mm×500 mm×50 mm模具中，再使用振動臺使之振搗密實。凝結24 h后利用空氣壓縮機進行拆模，拆模后的試件需置于YH-90B標準養護箱內養護28 d后進行試驗。

1.3 試驗儀器及設備

傳統的溫度傳感器多為金屬材質，但金屬材質在微波環境下的導熱參數變化較大，無法測出準確的溫度，因此本研究采用YL-PL型無源光纖溫度傳感器進行測溫，避免了測不準的問題。

早期的微波除冰室內試驗采用封閉式微波源進行加熱，但李笑等[16]指出封閉式微波源與機場道面除冰作業時的室外作業有很大區別，不能真實模擬實際除冰過程，因此本研究采用了自主研發的開放式微波除冰源，更加貼近實際除冰過程。

2 結果分析

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

2.1 碳纖維長度和摻量分別對吸波加熱效率的影響

注：PC為素混凝土，下同。圖1 碳纖維長度對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，不同長度下試件表面的溫升幅度柱形圖。圖2為碳纖維長度分別為0.1，0.3，0.6 mm時，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，碳纖維的摻入導致試件表面溫升幅度低于普通混凝土，隨著碳纖維長度的提高，其溫升幅度高于普通混凝土。這說明碳纖維的摻加可以有效提升混凝土的吸波發熱效率，但如果摻入的碳纖維的摻量和長度不適當，有可能對混凝土吸波發熱的效率產生負作用。(2)在試驗中，試樣的表面溫度升高幅度隨著碳纖維長度的增加而增加，表明碳纖維長度的增加有利于提高混凝土吸波加熱效率，在一定范圍內，碳纖維摻量的變化不會影響這一結論;(3)對比圖1中3幅圖，不同碳纖維摻量下碳纖維長度對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，碳纖維長度對碳纖維混凝土的溫升幅度影響最大，表現為在這種碳纖維摻量下，不同碳纖維長度的碳纖維混凝土溫升幅度差值最大。這說明碳纖維摻量為2‰時，碳纖維長度對吸波發熱效率的影響起到更關鍵的作用，這是因為碳纖維摻量過大時，纖維大量搭接，混凝土吸波性能下降，而碳纖維摻量過小時，其改性作用不明顯，纖維摻量為2‰時，碳纖維的改性作用較為明顯。(4)對比圖2中3幅圖，碳纖維長度為0.1 mm時，碳纖維摻量對其吸波性能幾乎沒有影響，碳纖維長度為0.3 mm時，隨著碳纖維摻量的增加，其吸波性能逐漸增加，碳纖維長度為0.6 mm時，隨著碳纖維摻量的增加，其吸波性能先增后減。這說明碳纖維長度會對最優的碳纖維摻量產生影響，若碳纖維長度過小，增加碳纖維摻量幾乎對混凝土吸波性能沒有提升甚至可能產生負作用，即在一定范圍內，碳纖維長度能夠改變碳纖維摻量對吸波發熱效率的影響規律。

2.2 碳纖維摻量及長度對吸波加熱效率的影響

圖3 碳纖維摻量及長度對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，微波對試件加熱后，隨著時間增加，試件中心點溫度逐漸升高，說明微波照射能夠將微波中的電磁能轉化為混凝土試件的內能，混凝土試件可以吸收微波并發熱，進而達到除冰的目的。(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，增長幅度隨碳纖維的摻量及長度的變化而變化，說明一定量碳纖維的摻入能夠影響混凝土的吸波發熱性能。(3)各組試件在試驗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，還在向溫度較低的區域傳遞熱量，隨著時間推移，混凝土內部熱量傳遞速率與產熱速率達到穩定，此時溫升速率接近一個定值，溫度呈線性趨勢上升。(4)碳纖維長度為0.1，0.3 mm時，碳纖維混凝土的溫升幅度隨碳纖維摻量的增加而增加，但碳纖維長度為0.6 mm時，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。這說明當碳纖維長度較短時，碳纖維摻量的增加能明顯提升試件的吸波發熱效率，但當碳纖維長度過長時，碳纖維摻量的繼續增加反而降低其吸波發熱效率。碳纖維摻量為2‰，長度為0.6 mm時，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，此時其吸波發熱效率最高。(5)曲線存在交叉的情況，并且交叉點出現在溫度上升的穩定階段，說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及傳熱參數隨溫度發生變化導致的。

2.3 機理分析

微波作為一種電磁波，照射在物體表面時會發生反射、折射和透射，其所帶電場在介質內部產生偶極子，偶極子高頻擺動，互相摩擦，將電磁場的能量轉化為內能。因此，微波照射在混凝土表面時，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，對其電磁性能產生了一定的影響，因此能改變其吸波發熱效率，從而提升微波除冰效率。

不同介質電磁參數不同，對微波的吸收效率不同。本研究以溫升速率為指標，評估不同碳纖維摻量和長度混凝土試件的吸波效率。溫升速率可用下式進行計算[17-18]：

(1)

式中，c為比熱容;λ為導熱系數;ρ為介質密度;Ts為溫度;f是頻率;ε″eff為有效介電常數的虛部;ε″eff和Erms為介電參數。

式(1)中λ，c，ρ均為溫度的函數，ε″eff為溫度和頻率的函數，Erms和介質反射率有關，而介質反射率又是其介電常數和磁導率的函數，因此，混凝土吸收發熱的溫升速率求解方程是一個超越方程，對其進行定量求解需要借助于有限元分析軟件。對這一超越方程進行定性分析，并與試驗結果進行對比，可得出以下結論：

(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個方面因素的影響：一方面是混凝土自身的性質，如導熱系數、介電常數、比熱容、密度等；另一方面是微波照射的頻率。

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

(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表現為不規則曲線。此外，在一定范圍內，微波對絕緣體介質表現為透射而不吸收，隨著導電性能的增加，介質吸收微波轉化為熱能的效率逐漸提升。但當導電性能過高，介質表現為導體時，微波照射時大部分發生反射而不吸收，會降低介質的吸波發熱效率。因此，增加碳纖維長度和摻量均可以提高混凝土的吸波發熱性能，當碳纖維摻量為2‰，長度為0.6 mm時，吸波發熱性能最好，較普通混凝土提高4.8倍，但此時繼續增加碳纖維長度或摻量會導致混凝土內部大面積發生碳纖維搭接現象，形成導電閉環，微波被大量反射而無法被混凝土吸收，導致吸波發熱效率反而降低。

3 結論

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

(2)增加碳纖維長度有利于提升碳纖維改性混凝土吸波發熱效率；在一定范圍內增加碳纖維摻量也可以提升碳纖維改性混凝土吸波發熱效率，但當碳纖維摻量過大時，反而會抑制其吸波發熱效率，碳纖維長度與碳纖維摻量對混凝土吸波發熱效率的影響具有復合作用。當碳纖維摻量為2‰，長度為0.6 mm時，吸波發熱效率最高，較普通混凝土提高4.8倍。

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