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(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.西部戰(zhàn)區(qū)空軍甘寧片區(qū)工程指揮部，甘肅 蘭州 730020； 3.空軍工程大學(xué)供應(yīng)保障處，陜西 西安 710051)

0 引言

軍用機(jī)場是為航空兵提供作戰(zhàn)、訓(xùn)練場地的軍事保障設(shè)施和重要作戰(zhàn)組成。時刻保證機(jī)場跑道處于良好狀態(tài)，對戰(zhàn)時展現(xiàn)空軍作戰(zhàn)實力、掌握軍事斗爭主導(dǎo)權(quán)具有重要意義。我國很多軍用機(jī)場處于季節(jié)性冰凍地區(qū)，降雪結(jié)冰會降低機(jī)場道面的摩擦系數(shù)高達(dá)70%～80%[1-4]，導(dǎo)致飛機(jī)無法正常起飛、著陸容易造成側(cè)翻、沖出跑道等后果，導(dǎo)致機(jī)場正常使用效率嚴(yán)重影響我軍戰(zhàn)時作戰(zhàn)效能。

目前道路除冰常用方法主要為化學(xué)法、熱力法、機(jī)械法和自應(yīng)力法四種。化學(xué)法通過撒布NaCl等化學(xué)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(chǎn)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(jī)械法通過機(jī)械裝置直接除冰，該方法容易導(dǎo)致路面的損壞；自應(yīng)力除冰法將具有較大彈性的顆粒材料不均勻地?fù)饺牖炷粒沟烂娴膹椥孕阅墚a(chǎn)生位置上的差異，道面不均勻形變產(chǎn)生自應(yīng)力，最終實現(xiàn)道面除冰，該方法混合料制備難度大、混凝土力學(xué)性能變差且路面試驗壽命較短。

傳統(tǒng)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(xiàn)機(jī)場快速除冰，保障飛機(jī)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(huán)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(fā)熱，使貼近道面的冰層融化，進(jìn)而達(dá)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(xiàn)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(xiàn)狀

Osborne等[5](1989)在試驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻入磁鐵礦對瀝青路面進(jìn)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(gòu)想。采用2.45 GHz微波對混凝土進(jìn)行照射，試驗發(fā)現(xiàn)混凝土路面的發(fā)熱性能隨磁鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻量增加而提高，但當(dāng)摻量超過5%后，升溫發(fā)熱性能增長不明顯。

Wuori[6](1993)對混凝土路面吸波發(fā)熱性能進(jìn)行了試驗研究，研究了基于微波加熱的非接觸式除冰。結(jié)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(yīng)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(jìn)行了分析。試驗中發(fā)現(xiàn)微波加熱混凝土路面后冰層與路面交接部位最先發(fā)生融化，最終冰層整塊脫落，通過分析得出結(jié)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(dǎo)致結(jié)合部冰層融化，達(dá)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(dāng)中制備出鐵燧巖瀝青混凝土，微波加熱試驗結(jié)果表明，鐵燧巖吸波混凝土的吸波發(fā)熱能力更強，具有較高的發(fā)熱效率，吸波性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通瀝青混凝土。其在后續(xù)的研究中[9,10]對鐵燧巖瀝青混凝土的吸波特性參數(shù)進(jìn)行了試驗測試并建模分析。基于此項研究，美國學(xué)者認(rèn)為提高微波除冰效率的關(guān)鍵一環(huán)是找出吸波性能良好的材料對道面組分進(jìn)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(gòu)想，并采用室內(nèi)試驗研究了可行性。結(jié)果表明：磁鐵礦各項指標(biāo)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(jié)合纖維摻量及分散程度進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)果表明當(dāng)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(xiàn)有文獻(xiàn)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(xué)者采用的微波爐等密閉微波設(shè)備與實際除冰環(huán)境不符，仍需要進(jìn)行更加貼合實際施工操作環(huán)境的試驗研究。

2 磁鐵礦成分及技術(shù)指標(biāo)

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(yōu)勢。與此同時，微波除冰方法除冰效果良好，操作過程中不產(chǎn)生污染物，吸波材料加入對路面材料吸波發(fā)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(jìn)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(shù)，如復(fù)介電常數(shù)實部、復(fù)介電常數(shù)虛部、復(fù)磁導(dǎo)率實部和復(fù)磁導(dǎo)率虛部平均值等進(jìn)行測定，觀察混凝土吸波性能與磁鐵礦摻量的關(guān)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(jié)語

1)微波除冰技術(shù)能夠通過加熱道面，使冰層與道面交接部位融化，實現(xiàn)冰層與路面的脫離，進(jìn)而達(dá)到除冰的效果，是道面除冰的一個重要發(fā)展方向。微波除冰具有加熱均勻、不傷害道面、不污染環(huán)境等優(yōu)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(xiàn)微波除冰的實際應(yīng)用。

2)目前國內(nèi)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(xué)特性及耐磨性等有待進(jìn)一步研究。