碳纖維混凝土在機場跑道中的應用

楊 楊 郎東瑩

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碳纖維混凝土在機場跑道中的應用

楊 楊 郎東瑩

（濱州學院 建筑工程學院 山東濱州）

目前，碳纖維混凝土作為一種高性能的應用材料，在各方面都有所應用。碳纖維混凝土具有良好的電熱效應且較普通混凝土在實際在應用中有很大的穩定性及可行性。通過外加電場作用使其具有良好的到電熱性能，可以解決冬季機場跑道的融雪除冰所遇到的難題。

碳纖維混凝土；電熱效應；融雪除冰

1.理論分析

當混凝土摻入碳纖維材料后，混凝土的導電性有很大的改善，這種功能材料稱為碳纖維導電混凝土。這種效應成為碳纖維混凝土的電熱效應又被稱為焦耳效。普通混凝土在干燥的狀態其電阻率大約為106-108Ω·m，而在潮濕的狀況下其電阻值約為101-103Ω·m。由此帶來了普通混凝土在利用其電熱效應方面的問題。而碳纖維混凝土在這兩種狀態下都具有穩定的電阻率，從而可以利用其此方面的優勢解決寒冷季節機場跑道的融雪除冰問題。

2.試驗研究

2.1試驗材料及試件制備

材料：42.5級普通硅酸鹽水泥、濱州地區河沙、硅微粉（消泡劑）、聚丙烯腈(PNA)纖維。

甲基纖維素CMC（分散劑）、6mm×6mm銅網（電極）、銅質導線若干。

實驗儀器：15V交流電、苯板、熱電偶、智能手持式數字多用表。

試件制備：碳纖維混凝土試塊的尺寸為70mm×70mm×70mm，碳纖維的摻和量分別為水泥質量的0.3%,0.6%,0.8,1.0%,1.2%每組試件為3個，配合比為水泥：砂：水=1:1:0.5，CMC溶液的濃度為0.8%,消泡劑（水泥+微硅粉），標準養護28天。

2.2實驗目的

碳纖維的摻和量及通電時間對碳纖維混凝土電熱效應的影響，根據碳纖維混凝土通電后可以發熱的性能，解決機場跑道等方面的融雪除冰問題。

2.3實驗方案

本試驗研究不同碳纖維摻和量對碳纖維混凝土試塊的電熱效應，試塊初始溫度為0℃，研究給初始試塊兩端通15V交流電壓，試塊的發熱情況。用于試驗的試塊在冷凍箱中冷凍，使其溫度降低到19℃將熱電偶的探頭固定于試塊的表面，來測量試塊表面的溫度，用苯板將試塊包裹起來，從而防止試塊熱量散失影響試驗結果。試驗中用熱電偶來測量試塊的溫度，每30分鐘測量并記錄一次溫度，連續記錄時間為6個小時。

圖2.1電熱效應試驗布置圖

2.4試驗結果與分析

表2.1 試塊溫度與通電時間關系表

圖2.2摻和量為0.8%時試塊溫度和通電時間關系圖

從圖2.2中可以發現，隨著通電時間的延長，碳纖維混凝土試塊表面的溫度也隨之增加，通電時間在336min左右時，試塊溫度在36.5℃上下浮動，若繼續通電則溫度不在繼續增加。

碳纖維的摻和量對碳纖維混凝土試塊電熱效應的影響如下圖所示：

圖2.3碳纖維摻和量對電熱效應的影響

從試驗得出的圖形中可以觀察到，在通電時間336min試件表面溫度均達到某一個穩定值，達到這個數值后繼續通電時間溫度不再有很大的上升，而是出現一個穩定的波動。另一個方面，在碳纖維摻和量在0.8%-1.0%時所測得試塊所達到的最高溫度隨著碳纖維摻和量的增加而增高，當摻和量在1.0%-1.2%時所測得的試塊所達到的最高溫度隨著碳纖維摻和量的增加而減小。通過觀察分析這種現象，可以發現試塊的電熱效應與試塊的電阻值的變化是相關的。結論為：試塊電阻越大，其導電性能就越差，從而導致試塊的電熱性能也越差，所達到的最高溫度也相應的變低。碳纖維的摻合量對試塊電阻的影響導致了對試塊電熱效應的影響繼而可以影響到溫度的提高。

2.5試驗結論：

試驗研究了碳纖維混凝土的電熱效應，通過試驗可以得到以下結論：

給碳纖維混凝土試塊兩端通電后，試塊明顯發熱，在通電336分鐘后會達到一個穩定的值，在通電試塊溫度不再升高。而且由于碳纖維的摻和量會對電阻產生影響，所以碳纖維的摻合量會對碳纖維混凝土的電熱效應產生影響，當碳纖維摻和量在1%時試塊溫度能達到最高值。

3.碳纖維混凝土用于北方寒冷冬季機場跑道除雪化冰工作的意義及其可行性

在北方各地每年都有因為機場跑道被冰雪覆蓋而造成的航班大面積晚點或者航班的取消，給乘客和機場都帶來很大的損失。

通過試驗證實了碳纖維混凝土具有良好的電熱性能，在對其進行通電后溫度有明顯的上升。可以再對機場跑道施工時加入碳纖維材料（摻合量為1%最為合適），這樣可以利用碳纖維混凝土的電熱效應在最短的時間內除去機場跑道的冰雪。而且利用計算機技術控制通電時間可以實現機場除冰化雪工作的智能化，不僅可以在短時間內除去冰雪，而且可以做到隨時清理，另外利用這項技術還可以大大減少機場除冰化學工作對人力、機械的需求，做到利用機場跑道自身清雪化冰，在此同時依然能夠保證飛機的正常起降，大大改善由于跑道冰雪造成的飛機延誤及安全隱患。

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楊楊（1992-），男，山東濟寧人，濱州學院建筑工程學院，學生。

指導教師：郎東瑩（1986-），女，山東濱州人，濱州學院建筑工程學院，助教。

項目來源：濱州學院國家級大學生創新創業訓練計劃項目 項目編號201510449010

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1007-6344（2017）03-0329-01