低温下碳纤维混凝土电热效应实验

魏建强

(西安外事学院 应用技术学院，陕西 西安 710077)

0 引 言

碳纤维混凝土是在普通混凝土中均匀加入短切碳纤维而形成的新型功能材料，由于碳纤维具有比重小、韧性强、抗拉强度高、弹性模量大、导电性等特性[1-7]，使碳纤维混凝土具有导电发热、电磁屏蔽、压阻性等性能，能有效减少混凝土的干燥收缩，增加混凝土的抗弯拉性能，有感知自身应变、破坏的综合能力[8-10]，碳纤维混凝土的通电发热性能可应用于道路、机场的融雪化冰，具有广泛的应用前景。侯作富等研究了碳纤维导电混凝土融雪化冰的制作方法[11]，提出了化学外加剂、矿物外加剂及碎石粒径对碳纤维导电混凝土性能的影响，两电极法和四电极法对碳纤维导电混凝土发热性能的影响[12]，得到了两电极法能较科学的反应碳纤维混凝土电阻率的大小；胡克旭等研究了温度作用对碳纤维混凝土界面黏结性能的影响[13]，得到不同温度情况下碳纤维和混凝土界面剪切强度的大小，并且提出了碳纤维混凝土界面黏结应力滑移模型；闫忠明研究了导电碳纤维混凝土的性能[14]，得出了随着碳纤维掺量的增加碳纤维混凝土电阻率减小，随着时间的增加，电阻率增大的结论；Farhad等研究了电极对碳纤维混凝土导电性能的影响[15]，电极的布设形式和位置对电阻率和发热性能的影响；谢慧才研究了碳纤维混凝土对新老混凝土黏结性能的作用[16]，加入0.5%的短切碳纤维，抗剪强度最大可以增加85.6%，拉拔强度增加120%，劈拉强度增加80.0%.马婕、刘凯等研究了低温情况下碳纤维混凝土的性能测试成果较少[17-18]，但是只研究了低温情况下碳纤维混凝土的导电发热性能和电阻率的变化情况，低温下碳纤维混凝土的融雪化冰能力相关实验较少。

文中在碳纤维掺量2%的情况下，应用湿拌法制作碳纤维导电混凝土，采用两电极法测试碳纤维混凝土低温下的电热效应[19]。首先测试低温下碳纤维混凝土的发热性能，进而通过冰层模拟冬季下雪情况，研究了“中雪”情况下的融雪化冰性能、电热功率与除冰时间关系、冰层厚度与除冰时间及温度与除冰时间关系。通过融雪化冰的模拟实验，更加真实的反映冬季碳纤维混凝土的发热规律及影响因素，为进一步的工程应用奠定一定的基础。

1 实验

1.1 原材料和主要测量仪器

水泥：秦岭牌PO 32.5普通硅酸盐水泥，陕西耀县水泥厂；

砂：砂为河砂，中砂，细度模数为2.7；

碎石：碎石为5～20 mm碎石；

PAN基短切碳纤维：江苏恒神纤维材料有限公司，长度5 mm，主要技术指标见表1.

表1 短切碳纤维主要技术指标Tab.1 Properties of short carbon fibers

甲基纤维素：天津市福晨化学试剂厂；

磷酸三丁酯：天津市恒兴化学试剂制造有限公司；

TDGC2—2KVA型接触式调压器，中国爱克赛电气有限公司；

ST6 32型红外线测温仪，台湾先驰光电股份有限公司；

VC890D型万用表，深圳市胜利高电子科技有限公司；

冰柜：美的BCD-220VM，合肥美的电冰箱有限公司。

1.2 配合比

碳纤维混凝土的配合比为水泥∶砂∶石∶水=1∶1.88∶2.96∶0.46，萘系高效减水剂掺量为1%，碳纤维掺量为水泥质量的2%，碳纤维混凝土试块体积为150 mm×150 mm×550 mm，电极采用内埋50 mm×50 mm铜网，采用两电极法，电极间距450 mm.

1.3 试件制作工艺

为保证碳纤维在混凝土中分散的均匀性，采用湿拌法进行加工，首先将甲基纤维素和磷酸三丁酯融入水中，将碳纤维分散在水中，然后加入水泥、砂搅拌均匀，最后将碎石投入混凝土搅拌机中[20-23]，充分搅拌均匀，注入已经安置好电极的水泥混凝土抗折试模中，成型后放入标准养护箱，养护2 d后脱模(磷酸三丁酯有缓凝作用)，继续养护28 d.试件养护到期后即进行相关实验，为了实验的准确性，每个实验都做3次重复性实验，取3次实验数据的平均值作为最终结果，根据实验规划，考虑到试件的重复利用，做了3组共计9个试件。

1.4 测试方法

在碳纤维混凝土底部设置50 mm厚的塑料泡沫，防止热量向下传递，实验前先将试件在冰柜中冰冻24 h，保证整个碳纤维混凝土试件温度都在-25 ℃.通电加热，每隔一分钟记录一次温度数据。实验过程如图1所示。

图1 实验示意图Fig.1 Picture of the experiment

2 实验结果与分析

2.1 低温下碳纤维混凝土发热性能研究

试件在冰柜中冷却24 h后，接通36 V交流电，测试碳纤维混凝土温度变化情况，具体实验数据如图2所示。

图2 碳纤维混凝土温度变化曲线Fig.2 Temperature variation curve of carbon fiber reinforced concrete

从图2可以看出，在36 V电压持续通电作用下，随着时间的推移，碳纤维混凝土的温度不断升高，在80 min左右时，碳纤维混凝土温度到达0 ℃.由于混凝土表面没有冰雪覆盖，所以不存在融雪的热量抵消，碳纤维混凝土温度继续上升。但是温度上升不是直线型的，在前80 min内，温度由-25 ℃上升到-0.4 ℃，温度上升速率为0.3 ℃/min，80 min至180 min时，温度由-0.4 ℃上升到57.3 ℃，温度上升速率为0.6 ℃/min，远大于前80 min的温度上升速率。

2.2 除冰性能测定

为了验证碳纤维混凝土融冰雪的实际能力，对碳纤维混凝土进行融冰雪能力测试[24-26]。首先将150 mm×150 mm×550 mm的碳纤维混凝土放置在-25 ℃的冰柜中，表面黏贴温度传感器。将预先冻好的3 mm厚冰层放置在碳纤维混凝土表面，然后用橡皮泥密封碳纤维混凝土和冰层接触的所有缝隙，用针管从冰层上部的缝隙中注入水，直至水分从冰层表面溢出，保证碳纤维混凝土表面至冰层表面所有空隙都被水分填满，冷冻24 h后整个碳纤维混凝土和冰层温度一致，去掉橡皮泥密封，开始通电加热，具体实验数据如图3所示。

图3 碳纤维混凝土融冰温度变化曲线Fig.3 Ice melting temperature variation curve of carbon fiber reinforced concrete

从图3可以看出，通电加热后，随着时间的推移，碳纤维混凝土温度不断上升。在0～60 min时，温度上升速率较慢，由-25 ℃上升到-12.4 ℃，温度上升速率为0.2 ℃/min，主要原因是碳纤维混凝土试块在通电后，碳纤维组成的网络发热需要一个过程，当碳纤维发热至较高温度后，热量才传递到碳纤维混凝土，引起整个混凝土试块的温度上升，所以此阶段温度上升速率较慢。60至90 min时间段内，碳纤维混凝土温度由-12.4 ℃上升到-0.4 ℃，此阶段的温度上升速率为0.4 ℃/min，几乎是上一个阶段的2倍，原因如前所述，此阶段碳纤维发热效率较高，所以混凝土整体温度上升较快。同时在实验中观察到在90 min左右时，混凝土与冰层缝隙内有少量的水份渗出，说明混凝土表面个别地方温度已经上升到0 ℃以上，已经开始起到融冰的作用。90至120 min内，温度上升速率又变小，温度上升速率为0.05 ℃/min，主要原因是此阶段是融雪化冰阶段，虽然温度上升很小，但碳纤维导电发出的热量都用于融雪化冰，实验时观察到此阶段水份大量渗出，说明冰块不断融化，特别是110至120 min时观察最为明显。120 min后，碳纤维混凝土的温度急速上升，在10 min内就上升了4.2 ℃，原因是冰层已经全部融化完，碳纤维导电形成的热量几乎全部用于碳纤维混凝土，所以此阶段温度上升速率较高。

2.3 电热功率与除冰时间关系测定

碳纤维导电混凝土在其他参数一定的情况下，还可以通过电压变化来改变电热功率，为了模拟不同电热功率下的融雪效果，同样在覆盖3 mm厚的冰层，不同电热功率下的融雪化冰的时间关系，如图4所示。

图4 电热功率与除冰时间关系曲线Fig.4 Relationship between electric heating power and deicing time

从图4可以看出，随着电热功率的增加，碳纤维导电混凝土的发热量也随之增加，从而融雪化冰时间也不断减小。从水分开始渗出，到冰块基本融化完毕，表面开始有水蒸气大量出现为止，测试电热功率与除冰时间关系。电热功率从500 W/m2增加到700 W/m2时，融雪化冰时间减小的最明显，从110 min减少到76 min，减小速率为17 min/100 W/m2.电热功率从700 W/m2增加到1 000 W/m2时，融雪化冰时间从76 min减少到57 min，减小速率为6.3 min/100 W/m2，融雪化冰的“作用和效果”只相当于前者的1/3，分析原因认为是由于发热量的增加，对流和辐射损失的热量也增加，所以融雪化冰的热量就相对减少。电热功率从1 000 W/m2增加到1 200 W/m2时，融雪化冰减小速率为2.1 min/100 W/m2，融雪化冰的“经济性”就更差了。同时由本实验可以看出在融雪化冰时间不太紧迫的情况下，碳纤维导电混凝土的最经济导电功率为500～700 W/m2.

2.4 温度与除冰时间关系

在同样的“下雪”条件下，不考虑风速的情况下，外界温度不同，融雪化冰的时间也不相同，在3 mm厚度冰层下，不同温度时碳纤维混凝土达到0 ℃以上的时间，如图5所示。

图5 温度与除冰时间关系曲线Fig.5 Relationship between temperature and de icing time

从图5可以看出，在不同外界温度下，随着温度的“上升”，融雪化冰时间几乎成直线下降，且下降速率几乎相等，只有从-10 ℃到-5 ℃的变化过程中下降速率略大于其他温度区间。分析认为主要原因是温度越靠近0 ℃，整个碳纤维混凝土试块的温度上升速度越快，所以融雪速度也就显得越快。同时从实验中也可以观察出，整个实验过程当表面温度达到0 ℃时，即有水分从碳纤维混凝土表面渗出，说明已经开始进行融雪，达到了除雪的温度要求。

3 结 论

在36 V电压下碳纤维混凝土在80分钟左右时表面温度即达到0 ℃，在前80 min内，温度上升速率为0.3 ℃/min，80至180 min时，温度上升速率为0.6 ℃/min，远大于前80 min的温度上升速率。

在3 mm厚度冰层情况下通电加热，大约80 min的时候冰层开始融化，120 min的时候冰层基本融化完，说明在“中雪”情况下，通电120 min就能保证“旧雪”完全融化完毕，保证路面不会再有积雪形成。

随着电热功率的增加，碳纤维导电混凝土的发热量也随之增加，融雪化冰时间也不断减小，碳纤维导电混凝土的最经济导电功率为500～700 W/m2.

在不考虑风速的情况下，外界温度越接近于零度，同样厚度冰层情况下融雪化冰时间也越短。

以上研究结果为碳纤维混凝土在实际工程中的应用奠定了一定的基础，测试了“中雪”情况下所需要的融雪时间，反映了不同温度、不同功率情况下的融雪规律，下一步实验可以按照文中的结论，在户外制作碳纤维混凝土，冬季测试融雪化冰性能。

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