导电混凝土电热除冰化雪的功率分析

用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土研究现状收稿日期:2006210223作者简介:张　军(19792),男,山东科技大学土木建筑学院硕士研究生,山东青岛　266510张　军摘　要:对目前用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土的研究现状进行了综述,从应用材料、融雪化冰机理、外部环境的影响等方面进行了分析,提出了实际应用中还需解决的问题,为今后的进一步研究奠定了基础。

关键词:导电混凝土,公路桥梁,材料,外部环境中图分类号:U445.75文献标识码:A 导电混凝土是一种新型的特种功能混凝土,是在普通混凝土中添加一定含量的导电组分材料而制成的一种新型水泥基复合材料。

它既具有普通混凝土承受荷载的能力,又具有良好的导电性和电热特性。

在外加交流或直流电作用下,导电混凝土会因其自身电阻而产生热量,使路面温度升高,从而达到融雪除冰的目的。

水泥混凝土路面在世界各国广泛应用于公路、城市道路、港口码头和机场。

在寒冷的冬季,当水泥混凝土因降雪而积雪结冰时,给道路畅通和行车安全带来了严重的影响,甚至会造成巨大的经济损失。

因此,为了保障道路畅通和行车安全,必须采取措施对混凝土路面进行融雪化冰。

目前世界各国主要通过撒盐(NaCl ,CaCl 2)法来融雪化冰。

该法具有材料来源广泛,价格便宜,化冰融雪效果好等特点。

但是撒盐法也会带来诸多负面效应,如损害混凝土路面,腐蚀路面加强钢筋和汽车车身,污染周围土壤等,造成的经济损失也十分巨大。

因此,研究利用导电混凝土导电发热融雪除冰具有十分重要的现实意义。

目前,国内外对混凝土研究主要集中在以下几个方面。

1　导电混凝土材料的研究导电混凝土要求在满足工程强度的基础上,具有良好的导电性及稳定性。

其主要性能指标包括强度、电导率或电阻率以及满足一些特殊性能要求的干缩性、导热性、耐久性等。

当前,常用于制作水泥基复合导电材料的导电组分基本可分为三类:聚合物类、炭类和金属类。

其中,最常用的是炭类,如石墨粉、焦碳、碳纤维、钢纤维及钢屑。

导电混凝土融雪化冰机理分析
唐祖全;李卓球;侯作富;徐东亮
【期刊名称】《混凝土》
【年(卷),期】2001(000)007
【摘要】本文介绍了导电混凝土的概念及碳纤维混凝土的电热效应;从能量守恒的角度分析了导电混凝土融雪化冰的机理及在不同温度、不同结冰厚度、不向降雪量的条件下,融雪化冰所需的发热功率.计算结果表明,化冰所需的功率P与冰的温度成线性关系;融雪时需要的功率较低.利用导电混凝土融雪化冰能取得较好的效果.【总页数】4页(P8-11)
【作者】唐祖全;李卓球;侯作富;徐东亮
【作者单位】武汉理工大学工程结构与力学系,湖北,武汉,430070;武汉理工大学工程结构与力学系,湖北,武汉,430070;武汉理工大学工程结构与力学系,湖北,武
汉,430070;武汉理工大学工程结构与力学系,湖北,武汉,430070
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.59
【相关文献】
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3.集料掺量对融雪化冰用碳纤维导电混凝土性能的影响 [J], 侯作富;李卓球;王建军
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5.多相复合导电混凝土融雪化冰性能与力学性能研究 [J], 卜胤;奚进;
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导电混凝土材料电阻系数的研究和分析论文第卷第期年月湘潭大学自司然科学学报溉司如娜助面一‘,哪伟,,邓寿昌,湘潭大学校长办湖南湘潭引惠州学院土木系广东惠州刃口湘潭大学建筑工程系湖南湘潭引随时间变化的客观规律可用广义吴应东方程精确描述和控制在冬季导电握凝土堵面地面及水泥棍凝土路面在通电加热或触雪化冰过程中的热工计算也可用广义吴震东方程精确地描述但需要考虑,℃的冰吸热后转化为。

℃的水所箱的溶解热基于这一原理建立导电握扭土触刃化冰新的热力学徽分方程及一植套梢确的理沦公式其中电功率的计算与导电混凝土材料的电阻系数户密切相关在卜述的块础卜对导电混凝土材料电阻系数关锐词广义吴震东方程导电滋凝土电阻系数电加热法跳冰化雪热工计算中圈分类号’,文橄标识码文幼号皿以一的刀一一伪创哭,廿一“人一阮咭,叭,,。

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d o i :10.3963/j.i s s n .1674-6066.2022.01.011浇注式导电沥青混凝土路用性能融雪效果评价王祎宾1,董罗超1,刘 峰2,曹新建3(1.华北水利水电大学土木与交通学院,郑州450045;2.黄河工程咨询监理有限责任公司,郑州450045;3.安徽省引江济淮集团有限公司,合肥230001)摘 要: 为解决冬季严寒地区道路存在结冰积雪导致的交通事故问题,依据电流热效应(焦耳定律),采用A C -10级配设计浇注式导电沥青混凝土,在持续通电条件下使路面升温,从而达到消除积雪的目的㊂研究结果表明:碳纤维掺量为0.4%,石墨烯掺量为0.5%,油石比为10.5%时,制备出的车辙板试件动稳定度为1089次/mm ,小梁试件弯曲极限应变为8.56ˑ10-9;车辙板试件电阻为336Ω,输入功率为7.44W 时温度升高为5.3ħ,融冰雪效率为78.85%㊂最佳掺量为碳纤维0.4%+石墨烯0.5%的沥青混凝土发热及融冰雪效率最佳,高温稳定性及低温抗裂性能显著提高㊂关键词: 浇注式; 导电沥青混凝土; 路用性能; 融雪化冰E v a l u a t i o no f S n o w M e l t i n g Ef f e c t o nR o a dP e r f o r m a n c e o f P o u r i ng C o n d u c t i v eA s ph a l tC o n c r e t e WA N GY i -b i n 1,D O N GL u o -c h a o 1,L I UF e n g 2,C A OX i n -ji a n 3(1.S c h o o l o fC i v i l E n g i n e e r i n g a n dC o mm u n i c a t i o n ,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t y ofW a t e rR e s o u r c e s a n dE l e c t r i cP o w e r ,Z h e n g z h o u450045,C h i n a ;2.Y e l l o w R i v e rE n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o ,L t d ,Z 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u t p l a t e s p e c i m e nw a s 1089(t i m e s /mm ),a n d t h e b e n d i n gl i m i t s t r a i n o f t r a b e c u l a rs p e c i m e n w a s8.56ˑ10-9.T h er e s i s t a n c eo f t h er u tb o a r ds p e c i m e n w a s336Ω,t h e t e m p e r a t u r er o s e t o 5.3ħw h e n t h e i n p u t p o w e rw a s 7.44W ,a n d t h em e l t i n g e f f i c i e n c y w a s 78.85%.T h e r e f o r e ,t h e a s p h a l t c o n c r e t ew i t h t h eb e s t c o n t e n t o f 0.4%c a r b o n f i b e r +0.5%g r a p h e n eh a s t h eb e s t h e a t i n g a n dm e l t i n g e f f i c i e n c y ,a n d i t sh i g ht e m -p e r a t u r e s t a b i l i t y a n d l o wt e m p e r a t u r e c r a c k r e s i s t a n c e a r e i m pr o v e d .K e y wo r d s : p o u r i n g ; c o n d u c t i v e a s p h a l t c o n c r e t e ; r o a d p e r f o r m a n c e ; m e l t i n g s n o wa n d i c e 收稿日期:2021-12-22.作者简介:王祎宾(1996-),硕士生.E -m a i l :1051659321@q q.c o m 在冬季我国大多数地区处于零下的低温区且存在道路结冰积雪问题,严重危及行车安全㊂据相关数据显示,因道路结冰积雪而造成的交通事故数量占比为15%㊂传统的除冰雪技术包括撒布氯盐㊁机械铲雪㊁人工扫雪等方法[1],存在除雪效率低下且工作安全性低等问题,同时对环境和路面造成了不可逆的损害㊂相关研究发现,在沥青混合料中加入导电材料,能够增强高温稳定性和低温抗裂性,在电流持续输入条件下能够升温融化积雪,提高行车安全㊂葛琪[2]等发现碳纤维掺量超过0.5%时,成型试件的电阻率降低程度已不明显,过大掺量反而会影响路用性能㊂谭忆秋[3]等发现碳纤维掺量为0.4%时,试件伏安特性曲线已经具有比较好的线性关系㊂石墨烯作为优异的非金属导电材料,当掺量达到0.5%时就已具备优良的导电性能和路用性能㊂论文通过刘埃尔流动性试验㊁贯入度及贯入度增量试验㊁高温车辙试验及低温弯曲试验研究混合料建材世界 2022年 第43卷 第1期的路用性能,通过车辙板通电升温试验研究混合料的发热升温融冰雪性能㊂1 浇导沥青混凝土制备1.1 浇导沥青混凝土配合比设计浇导沥青混凝土设计级配为A C -10,根据‘公路钢箱梁桥面铺装设计与施工指南“规范规定:浇导沥青混凝土需要满足高温稳定性贯入度试验60ħ贯入度值1~4mm ;贯入度增量ɤ0.4mm ;施工和易性指标刘埃尔试验流动性ɤ20s ;弯曲极限应变ȡ7ˑ10-9;动稳定度ȡ300次/mm ㊂配制的浇注式导电沥青混凝土A C -10设计级配要求如表1所示㊂表1 A C -10级配要求筛孔/mm 13.29.454.752.361.180.60.30.150.075通过率/%10080~10063~8048~6338~5232~4627~4024~3620~30中值级配1009071.555.5453933.530251.2 浇导沥青混凝土试件成型工艺浇导沥青混凝土细骨料占比较大,最大公称粒径不超过10c m ,类似于自密实混凝土有较小的孔隙率,需要满足流动性㊁贯入度及贯入度增量技术指标要求㊂因此,浇注式导电沥青混凝土的油石比高达8.5%~11.5%,综合具体实际工程情况,油石比取中值10.5%,矿粉的含量占比为25%㊂将沥青混合料搅拌锅升温至240~260ħ搅拌45m i n,利用自身流动性,将搅拌完成的沥青混合料倒入模具,使用刮刀轻轻刮平表面㊂2 浇导沥青混凝土路用性能分析2.1 浇导沥青混凝土路用性能试验采用碳纤维掺量0.3%㊁0.4%㊁0.5%(矿料质量分数),石墨烯掺量0.4%㊁0.5%㊁0.6%(沥青质量分数),通过九组交叉试验成型车辙板和贯入度试件进行路用性能研究㊂通过刘埃尔流动性试验来评价沥青混合料的流动性;另外成型贯入度试件和车辙板试件,进行贯入度试验㊁贯入度增量试验㊁车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性;利用切割车辙板得到小梁试件,进行低温弯曲试验评价沥青混合料低温抗裂性[4]㊂试验结果如表2所示㊂表2 浇导沥青混凝土试验结果试验参数贯入度/mm 贯入度增量/mm流动性/s 弯曲极限应变/ˑ10-9动稳定度/(次㊃mm -1)碳纤维0.3%石墨烯0.4%3.130.4215.27.691006石墨烯0.5%3.200.3915.77.45988石墨烯0.6%3.280.3716.37.26965碳纤维0.4%石墨烯0.4%2.540.3111.18.771103石墨烯0.5%2.630.2812.68.561089石墨烯0.6%2.710.2613.28.231057碳纤维0.5%石墨烯0.4%1.980.208.79.911198石墨烯0.5%2.060.178.99.671187石墨烯0.6%2.130.159.49.3211522.2 路用性能试验结果分析由表2可知:1)当石墨烯掺量为0.4%,碳纤维掺量每增加0.1%时,贯入度分别降低18.8%和22.0%;贯入度增量分别降低26.2%和35.5%;流动性分别降低27.0%和21.6%;弯曲极限应变分别增大14.0%和13.0%;动稳定度分别增大9.6%和8.6%㊂2)当石墨烯掺量为0.5%,碳纤维掺量每增加0.1%时,贯入度分别降低17.8%和21.7%;贯入度增量建材世界 2022年 第43卷 第1期分别降低28.2%和39.2%;流动性分别降低19.7%和29.4%;弯曲极限应变分别增大14.9%和13.0%;动稳定度分别增大10.2%和9.0%㊂3)当石墨烯掺量为0.6%,碳纤维掺量每增加0.1%时,贯入度分别降低17.4%和21.4%;贯入度增量分别降低29.7%和42.3%;流动性分别降低19.0%和28.8%;弯曲极限应变分别增大13.3%和13.2%;动稳定度分别增大9.5%和9.0%㊂综上所述,碳纤维能够将沥青与矿料紧紧联系在一起,增强浇注式导电沥青混凝土的强度㊂由于碳纤维吸附大量沥青,随着碳纤维掺量的增加,混合料的贯入度㊁贯入度增量及流动性降低,弯曲极限应变和动稳定度增大㊂3浇导沥青混凝土升温融冰雪性能分析3.1浇导沥青混凝土融冰雪试验根据路用性能试验结果,选用碳纤维0.3%+石墨烯0.4%㊁碳纤维0.4%+石墨烯0.5%及碳纤维0.5%+石墨烯0.6%,三种组合成型车辙板试件,利用低温恒温试验箱进行车辙板升温[5]及融冰雪试验[6]㊂试验结果如表3㊁表4所示㊂表3车辙板升温发热效率碳纤维/ %石墨烯/%电阻/Ω输入功率/W总热量/k J试件比热容/(J(k g㊃K)-1)升高温度/ħ试件蓄热能量/k J发热效率/%碳纤维/%0.30.43397.3339.58818.903.722.1155.820.3 0.40.53367.4440.18871.135.331.5778.850.4 0.50.62599.1649.46849.906.033.2967.490.5表4车辙板升温融冰效率掺量/%碳纤维0.3+石墨烯0.4碳纤维0.4+石墨烯0.5碳纤维0.5+石墨烯0.6电阻339336259通电时间/s312002700023400输入功率/W7.337.449.16总热量/k J228.70200.88214.29耗电量/度0.0640.0560.060试件质量/k g7.296.977.05试件升高温度/ħ9.28.98.1冰升高温度/ħ5.05.05.0试件蓄热能量/k J54.9454.0548.54冰升温耗能/k J3.083.083.08冰化水耗能/k J100.564.364.3融冰效率/%43.9450.0346.90冰质量/k g0.300.300.303.2融冰雪试验结果分析由表3㊁表4可知:1)浇导沥青混凝土的发热效率与导电材料掺量㊁输入功率等有关,三组车辙板输入功率分别为7.33W㊁7.44W㊁9.16W,相同时间内升高温度分别为3.7ħ㊁5.3ħ㊁6.0ħ㊂2)碳纤维0.3%+石墨烯0.4%㊁碳纤维0.4%+石墨烯0.5%㊁碳纤维0.5%+石墨烯0.6%的发热效率分别为55.82%㊁78.85%㊁67.49%,其中碳纤维0.4%+石墨烯0.5%掺量下试件发热效果较好;碳纤维0.3%+石墨烯0.4%㊁碳纤维0.4%+石墨烯0.5%㊁碳纤维0.5%+石墨烯0.6%的融冰效率分别为建材世界2022年第43卷第1期建材世界2022年第43卷第1期43.94%㊁50.03%㊁46.90%,其中碳纤维0.4%+石墨烯0.5%掺量下试件融冰效果较好㊂综合考虑推荐选择碳纤维掺量为0.4%,石墨烯掺量为0.5%㊂4结论a.当石墨烯的掺量为0.5%,碳纤维掺量为0.4%时,车辙板试件动稳定度为1089次/mm,小梁试件弯曲极限应变为8.56ˑ10-9,浇导沥青混凝土高温稳定性和低温抗裂性显著提升㊂b.当输入功率为7.44W,石墨烯0.5%+碳纤维0.4%时,试件发热效率和融冰效率最高,分别为78.85%和50.03%㊂c.综合路用性能㊁发热效率及融冰雪效率,石墨烯和碳纤维最佳掺量分别为0.5%和0.4%㊂参考文献[1]蒋建国,张学磊,刘小明,等.导电沥青混凝土路用性能影响因素的灰关联分析[J].铁道科学与工程学报,2015,12(4):784-789.[2]葛琪,遇道欣.石墨纤维沥青混凝土融雪路面导电效率研究[J].交通科技与经济,2020,22(4):57-60.[3]谭忆秋,刘凯,王英园.碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土的非线性伏安特性[J].建筑材料学报,2019,22(2):278-283.[4]朱泽远,王卓然,段建平,等.钢纤维对导电沥青混凝土路面性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2018(3):54-57.[5]黄维蓉,杨玉柱,宋鹏,等.石墨烯-碳纤维导电沥青混凝土电热性能研究[J].化工新型材料,2021,49(8):269-273.[6]郑少鹏,程志豪,房锐,等.导电沥青混凝土在道路工程融雪化冰应用中的问题探讨[J].公路交通科技(应用技术版),2015,11(2):77-79.(上接第32页)[18]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.G 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第17卷　第4期2002年12月实　验　力　学JOU RN AL O F EX PERIM ENT A L M ECHA N ICSV ol.17　N o.4D ec.2002文章编号:1001-4888(2002)04-0464-06导电混凝土导热系数分析的电热有限元法侯作富1,李卓球2,胡胜良1(1.江汉石油学院机械系,荆州434023;2.武汉理工大学理学院,武汉430070)摘要:本文提出了利用导电混凝土的电热效应,通过有限元分析计算以及由此而设计的实验得到导电混凝土导热系数的方法,并通过实验证明了该方法的可行性.关键词:导电混凝土;导热系数;电热效应;有限元中图分类号:T U528.582 文献标识码:A1　引言 混凝土的导热系数在预测混凝土内的温度分布以及由温度引起的应力分布等方面是一个非常重要的参数[1].它随混凝土的含水状态和温度不同而不同,因此它的精确值很难定量求出.通常要采用实验方法来进行测量.导热系数的测量方法主要可分为两类:稳态法和非稳态法.稳态法主要包括无限大平板层法、无限长圆筒层法以及球体层法,这些方法用在混凝土导热系数的测量上都不是很方便和合适.因此测量混凝土的导热系数一般都用非稳态法.对于水泥净浆或水泥砂浆,由于不含石子,可以很方便地做成通常的试样,它们的导热系数的测量和平常材料的测量差不多.目前较先进的方法是一种叫激光脉冲的方法,通过该方法可以求出导温系数[2,3],这样导热系数就可由导温系数、比热及密度的乘积求得.但是该方法必须将试样制成直径13mm,厚度仅为2mm的圆薄盘,这对混凝土材料是不可行的.此外还有另外一种测试混凝土导热系数的方法[4](通常叫热脉冲法):在两块磨光的混凝土板试样中间夹上一段扁平的金属导线,在金属导线上有热电偶,一旦金属导线通电,热电偶将能反映出金属导线的温升与时间的关系,通过该关系即可求出混凝土板的导热系数.该方法必须将混凝土的表面磨光且对混凝土板与导线之间的接合要求很高,因此测试的前期准备和测试的过程非常复杂(本文后面用到过该方法).我国的国家标准GB/T10297-1998规定了非金属材料导热系数的测定,但该方法明确说明不适用于导电的非金属材料.导电混凝土是一种新型的混凝土,其基本原理是在普通混凝土的基础上加上导电相如导收稿日期:2002-02-14;修订日期:2002-11-18基金项目:国家自然科学基金资助项目(No50078042)作者简介:侯作富(1968-),讲师,武汉理工大学工程结构与力学系博士生.电颗粒或导电纤维.加上导电相后,可以使其电阻系数大大降低.如加入15%～20%的钢屑和钢纤维,在养护28天后电阻系数下降到5～10 ・m [1].导电性能很好的混凝土将会变成良好的发热体,从而可使其用于桥梁路面除冰[1]及房间地面加热等诸多方面.在导电混凝土用于融雪化冰这一国家自然科学基金项目的研究中,导热系数的大小影响到融雪化冰的效果,因此必须知道导电混凝土的导热系数.本文根据导电混凝土的电热效应,提出了将导电混凝土直接加热,通过有限元分析计算及一个较简单的实验得到了导电性能很好的混凝土导热系数的方法.该方法虽然计算过程较烦琐(该过程可由专业人员完成),但如果我们能将结果制成表格,在实际过程中只需要进行一些简单的测试,就可以得到最终的导热系数.该方法的优点是实验过程简单,缺点是计算过程复杂且只适用于导电性能很好的混凝土.图1　混凝土板形状及尺寸2　基本原理 以一块160×130×40m m 的长方体导电混凝土为例来进行说明,形状如图1所示.拟对该长方体进行电热有限元分析,以求出一定的输入功率和外围温度下混凝土块内的温度分布.将该长方体划分成10×8×12的网格(即在x 方向上划分10段,依此类推),单元为8结点六面体单元.假设电极在ABCD 和EFGH 面上,电阻为10 ,输入功率为30W,则输入电流为1.732A.在有限元分析中输入的为面电流,输入的电流大小则为1.732/(0.13×0.04)=333A /m 2.值得说明的是,根据实际情况,输入功率和电阻值可以人为设定,只要不使混凝土内的温度不至于太高即可.电热边界条件如下:在EFGH 面上所有各结点的固定电压为0,在ABCD 面上的所有单元面上输入面电流333A/m 2.除BCGF 外的其它五面都是绝热面,不需要输入任何数据,只有BCGF 面与外面冷空气接触.在本问题中取外围冷空气温度为-16℃(该值根据实际情况而定),即实验必须在大型冷冻箱中进行,之所以要在-16℃的环境中进行,主要是防止混凝土内的温度过高,且能很容易在Y 方向上形成热流.BCGF 面与外界空气之间有两种热交换:自然对流换热和辐射换热.试验时,BCGF 面水平朝上,作为一水平板与空气进行大自然空间自然对流和辐射换热.自然对流平均换热系数可采用以下无量纲式(1)求得[5]:N um =B +C (Gr m P r m )n(1)辐射换热系数可采用式(2)求出[5]:h ′= (T 3+T 2×T ∞+T ×T 2∞+T 3∞)(2)如果已知条件已经给定,上述参数都可计算出,作为有限元输入的边界条件.由于上述系数是465第4期 侯作富等:导电混凝土导热系数分析的电热有限元法 随温度变化的,因此上述边界条件只有通过用户子程序来输入.在材料常数中,必须输入导热系数、比热、密度及电阻系数,除导热系数外,其它几项可求出或方便地测出.在假设一个导热系数的前提下,通过有限元分析,可以计算出一定时间后某点温度的大小.本文中以通电半小时及E点为例.我们可以分析出导热系数的大小与E点温度大小之间的关系图.然后进行实验,通过对相同条件的混凝土块通电半小时后E点温度的测量,在关系图上即可查找出对应的导热系数值.这就是本文提出的导热系数分析的基本原理.3　材料常数分析 材料常数的确定是有限元分析中的重要一环.本文中以碳纤维导电混凝土来进行理论分析及实验.要输入的材料常数中,电阻系数可根据 =R・A/L求出,材料的容重和比热可由碳纤维的体积含量V来大致确定,当然也可以由实验来精确测定.设碳纤维、普通混凝土及导电混凝土的容重、比热和导热系数分别为 ca,C ca, ca, co,C co, co及 e,C e, e.密度可由公式(3)求得:e= ca× + co×(1- )(3)比热的计算可由公式(4)求得:C e= cae× ×C ca+coe×(1- )×C co(4)而导热系数的计算目前没有一个很明确的公式.如考虑导热系数的下限时,可将两种材料看作并联,采用公式(5)来进行计算:l el=ca+(1- )co(5)考虑上限时,则将两种材料看作串联,采用公式(6)来进行计算:e2= ca× + co×(1- )(6) 在碳纤维和普通混凝土(含水率为0%的情况下)的容重、比热和导热系数分别为1750kg/ m3,0.72kJ/kg・k,20W/m・K[6]和2300kg/m3,0.88kJ/kg・K, 1.28W/m・K[7]的前提下,分析了碳纤维含量分别为1%,2%,3%,4%时导电混凝土的容重、比热和导热系数的变化范围见表1.上述计算严格来讲只是理论上的计算.由于在混凝土中加入了碳纤维,将会使混凝土的孔隙率增大很多,比热和密度将会和上述结果存在一定的差别,如果想要获得准确的值,可以通过实验来测定,而导热系数的变化范围主要是作为有限元分析的输入数据参考.表1　导电混凝土的容重比热和导热系数的变化范围与碳纤维含量的关系碳纤维含量(体积比)密度(kg/m3)比热(kJ/kg・K)导热系数的可能范围(W/m・K)1%22940.879 1.292～1.4672%22870.878 1.304～1.6543%22830.876 1.320～1.8424%22770.875 1.330～2.029466 实　验　力　学 (2002年)第17卷　4　有限元分析及结果 本文中的分析采用MARC 有限元程序完成.实验时大型冷柜空气温度为-16℃,而混凝土内初始温度为20.6℃,在这样的前提下求出了自然对流平均换热系数,见图2.图2　平均对流换热系数混凝土表面温度之间的关系图3　E 点温度与混凝土导热系数之间的关系图4　温度沿着厚度方向即Y 方向的变化情况 以上数据都知道了之后就可进行有限元分析了,在总共半小时的瞬态电热有限元分析中共采用了30个时间步,即每一个时间步为1分钟.导热系数从0.4W/m ・K 到2.5W/m ・K 之间由小到大输入一个值,对应每一个值,提取半小时后E 点的温度作为参考.图3为以普通混凝土的比热和密度为材料参数,导热系数从0.4W /m ・K变化到2.5W /m ・K 时的计算结果.从图中可以看出,当导热系数较小时,E 点温度较高,即热量由E 点所在平面向F 点所在平面传递得较慢,当导热系数较大时,E 点温度较低,热量由E 点所在平面向F 点所在平面传递得较快.图4为普通混凝土(容重、比热和导热系数分2300kg /m 3,0.88kJ/kg ・K, 1.28W/m ・K )时加热半小时后温度沿着厚度方向即Y 方向的变化情况.从图中可以清楚地看出温度沿厚度方向上的变化情况,沿厚度方向的温差为8.5℃左右,这样就可以在厚度方向上形成热流.5　实际试验 我们在实验室制作了碳纤维含量约为1.87%的导电混凝土三块,尺寸为130×160×40mm .所用碳纤维的性能见表2.水泥、沙子、石子之比为1∶1∶1,水灰比为0.55,常温下固化28天后进行测试.经过测量,其密度为2023kg /m 3,比热为1.003kJ /kg ・K ,在除BCGF 面之外的五个面上(见图1)用胶带纸绑上厚约6cm 的绝热层,在E 点用胶带纸将数字式温度计的探头粘上,混凝土内初始温度为20.6℃,保持特大冷冻箱的温度为-16℃,将电路连接好后快速将试样放467第4期 侯作富等:导电混凝土导热系数分析的电热有限元法 468 实　验　力　学 (2002年)第17卷　入到冷冻箱中,然后采用直流可编程电源加热,保持电流与电压的乘积为30,即输入功率为30W.每个试样在E点测试了两次温度,结果发现两次温度测量的误差基本上在10%以内,最终的温度取两次结果的平均值.为了验证本文中的结论,我们也采用热脉冲法测量了导热系数.所用仪器为天津建筑仪器厂生产的DRM-1型导热系数测定仪,由于测试过程要求极严,三个试样化费了近两周的测试时间.表2　PA N基碳纤维的基本性能碳纤维拉伸强度弹性模量密度电阻率单丝直径碳元素含量(M Pa)(GPa)(g/cm3)( ・m)( m)(%) PA N基2000～3000175～215 1.74～1.77307≥93 表3为在计算得到的图形上查找到的此种材料的导热系数与实测值的比较.从结果来看,本文得到的该种碳纤维导电混凝土的导热系数要比用热脉冲法得到的导热系数大22%左右,误差值较大.造成本文中方法误差的主要原因有以下几点:(1)实验设备较简陋,如果能将试验设备及过程近一步改进,相信能得到更好的结果;(2)计算中采用的对流和辐射的计算公式也有可能对结果造成影响;(3)有限元分析(如网格的划分、边界条件的模拟)也会对计算结果产生影响;(4)实际的绝热层不可能完全绝热,只不过导热系数较小而已.表3　本文分析出的导热系数与实测值的比较(单位:W/m・K)试样编号123平均值本文得到的导热系数 1.55 1.60 1.57 1.57热脉冲法得到的导热系数 1.20 1.31 1.35 1.2876　结论 本文利用导电混凝土的电热有限元法,得到了导电混凝土的导热系数,通过由此方法而设计的实验证明了该方法的可行性.由于各种原因,本文并未就如何改进设备、减小误差等方向进行进一步的研究.参考文献:[1]　Sher if Y 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[4]　A r shad A Khan,William D.Coo k and Denis M itchell,T hermal pr oper ties and tr ansient t hermal analy siso f structura l member s during hydra tio n[J].A CI M a terials Jour nal/M ay-June,1998.[5]　翁中杰,程惠尔,戴华金著.传热学[M].上海交通大学出版社,1987年.[6]　姜作义,张和善.纤维-树脂复合材料技术及应用[M].中国标准出版社,1990.[7]　刘述祖.硅酸盐工业基础[M].武汉工业大学出版社,1994.A Finite Element Analysis for the Thermal Conductivityof Electrically Conductive ConcreteHOU Zuo -fu 1,LI Zhuo -qiu 2,HU Sheng -liang1(1.Jianghan Pet ro leum U niv ersity ,Jing zhou 434023;2.Depar tment o f eng ineer ing str uct ur e and mechanics ,W uha n U niver sity o f T echnolog y ,Wuhan 430070)Abstract :Based o n the Joule heating effect of the electr ically conductive co ncrete,the finite el-em ent metho d is introduced to analy ze the therm al conductivity of the material.The test re-sults are given ,w hich illustrates the m ethod is successful and feasible .Key words :electrically conductive co ncrete ;finite elem ent analy sis ;Joule heating effect ;ther-mal conductivity 469第4期 侯作富等:导电混凝土导热系数分析的电热有限元法 。

机场用导电混凝土除冰雪热功率优化研究
李龙海;仝晔
【期刊名称】《中国民航大学学报》
【年(卷),期】2016(034)003
【摘要】碳纤维混凝土电热性能用于机场除冰雪是当前机场热融除冰雪的方式之一,通过融冰化雪试验并建立冰雪热融仿真模型,以能耗最低为边界条件研究除冰雪最佳输入功率,并提供最为合理的除冰雪模式.研究表明,依据外界条件不同,导电混凝土除冰雪可以通过调整最佳输入功率和选择最佳除冰雪模式达到节能目的,为其实际应用和运行管理提供数据支持.
【总页数】6页(P22-27)
【作者】李龙海;仝晔
【作者单位】中国民航大学机场学院,天津300300;中国民航大学机场学院,天津300300
【正文语种】中文
【中图分类】V351.11;U8
【相关文献】
1.机场用导电混凝土热融除冰雪能耗优化研究 [J], 李龙海;仝晔
2.碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究 [J], 唐祖全;李卓球;钱觉时
3.钢纤维石墨导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究 [J], 李丹;董发勤;沈刚
4.碳纤维导电混凝土道面机场除冰雪的应用研究 [J], 马世宁;刘晓军;张元龙
5.三相复合导电混凝土除冰雪性能研究 [J], 卜胤;丁伟锐
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桥面嵌入式导电沥青混凝土铺装热效应分析高秋生【摘要】分析导电沥青混凝土融雪化冰原理,利用导电沥青混凝土传导热量能力强且具有良好粘结性能的特点,将多相耦合作用下的导电沥青混凝土嵌入槽形普通混凝土中,形成一种新型桥面结构.通过实验研究,与单层导电沥青混凝土桥面对比,其热效率大幅提高,而散热损失显著降低,能即时融雪化冰,保证行车安全畅通,为桥梁冰冻灾害防治提供借鉴.【期刊名称】《交通科技与经济》【年(卷),期】2018(020)002【总页数】4页(P45-48)【关键词】导电沥青混凝土;嵌入式;融雪化冰【作者】高秋生【作者单位】黑龙江建筑职业技术学院市政工程技术学院,黑龙江哈尔滨 150025【正文语种】中文【中图分类】U443.31桥梁作为交通基础设施的咽喉工程，发挥着至关重要的作用，而在季节性冰冻地区，桥梁大部分是完全裸露在空气中，冬季最容易被冻结，桥面积雪结冰对桥梁通行能力和交通安全提出了严峻的考验，尤其是在桥梁的引桥与匝道处，轻则降低桥梁的运输能力，重则导致恶性交通事故的发生，造成惨重的人身伤害、巨大的经济财产损失和不利的社会舆论影响，正因为积雪结冰的危害严重，要确保车辆行驶安全畅通，世界各国都开展了大量融雪化冰技术的研究。

目前，道路与桥梁采用主要的融雪化冰方法是化学融化法和机械清除法。

化学融化法是利用融雪剂降低冰点，从而使冰雪融化，但是融雪剂对桥梁结构腐蚀性大，导致钢筋诱蚀、桥面剥蚀破坏，致使桥梁运营时养护维修经费增多，大幅减少桥梁的生命周期，同时也带来了周边环境和水资源的污染，而环保融雪剂的价格昂贵难以推广；机械清除法除雪不彻底，机械设备使用效益低。

为了达到技术先进、绿色环保、节能高效，又不会对桥梁结构造成影响，选择哪种融雪化冰方案至关重要，也成为我国交通管理部门急需解决的问题之一。

通过对具有电学性能的混凝土电阻加热，使导电混凝土快速升温到0℃以上，从而达到及时有效地融雪化冰的目的，在道路安全和畅通方面有十分重要的意义。