融雪除冰用钢纤维石墨导电混凝土电热及温敏性能研究.pdf

2 0 1 1年 第 6期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb 6i n 2 0 l 1 ( T o t a 1 No 2 6 0 ) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 1 6 融雪除冰用钢纤维石墨导电混凝土电热 及温敏性能研究 赵若红 ，傅继阳 ，段永定 ，高金盛 ( 1 广州大学 广州大学一 淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心，广东 广州 5 1 0 0 0 6 ； 2 台湾淡江大学，台湾) 摘要 ： 制备了使用 于融雪除冰的钢纤维石墨导电混凝土 ， 钢纤维掺量为 3 5 。进行了不同交流电压下导电混凝土升温试验 ， 通过在混 凝土表面布设 1 2 个温度传感器观察升温过程的温度场。 试验结果表明， 该配合比混凝土发热均匀， 不存在局部过热现象。 计算不同电压下 的混凝土升温能耗 ， 探讨该混凝土最小能耗电压。 通过检测混凝土升温过程 中电流变化 ， 给出混凝土温度与电流之间的拟合关 系， 结果表 明两者之间基本呈二次抛物线关系 。 关键词 ： 钢纤维 ；导电混凝 土；融雪除冰 ；温敏性 中图分类号 ： T U5 2 8 叭 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 5 2 0 3 E l ec t r i c t h e r ma I and per f o r manc e s r e s ea r c h of c o nduc t i v e c o nc r e t e c ont a i ni ng s t e el fibe r a nd gr a phi t e u s ed i n mel t i ng s no w ZHAO Ru o - h o n g ， FUJ i - y a n g ， Al e x T u a n ， GAO J i n s h e n g ( 1 Gu a n g z h o u Un i v e r s i t y Gu a n g z h o u Unive r s i t y Ta mk a n g Unive r s i t y J o i n t Re s e a r c h Ce n t e r f o r En g i n e e rin g S t r uc t u r e Di s a s t e r Pr e v e n t i o n a n dC o n t r o l ， G u a n g z h o uU n i v e r s i ty， Gu a n g z h o u5 1 0 0 0 6 C h i n a ； 2 T a mk a n gU n i v e rsi ty， T a i wa n ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： A c o n d u c t i v e c o n c r e t e c o n t a i ni n g 3 5 s t e e l fib e r wa s p r e p are d a n d 1 2 K- t y p e t e mp e r a t u r e t r a n s mi t t e r wa s a r r a n g e d o n t h e s u r f a c e o f t h e c o n c r e t e Th r o u g h o h m i c h e i n g， i t wa s f o u n d tha t the c o n c r e t e i s h o mo g e no us i n h e a t i n g Th e c o n s u mp t i o n o f t h e h e a t i n g a t d i ffe r e n t v o l t a g e s wa s c a l c u l a t e d a n d the mi n i mu m o ft h e c o n s u mp t i o n wa s d i s c u s s e d T he c u r r e n t v a r i a t i o n d u rin g t h e h e a t i n g p r o c e s s wa s o b s e r v e d and t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t e mpe r a t u r e an d c u r r e n t wa s fi t t e d wi t h a e x po n e n t i a l f o r mu l a Key wor ds ： s t e e l fib e r ； c o n d u c t i v e c o n c r e t e； me l t i n g s n o w； t h e rm o s e n s i t i v e 0 引言 混凝土是使用最广泛的建筑材料， 但随着科技的发展， 仅使 用混凝土的力学性能已不能满足人们生产生活的需要。 每年我 国北方均会遭受不同程度的雪灾， 采用传统的撒盐或者机械方 法进行道路桥梁的融雪除冰， 存在机械费用高， 后遗症严重 ， 后 期维护费用高 的问题 。 如将混凝土通 电进行导 电发热 ， 则可 以实现低能耗， 无污染的融雪除冰f 。 另外此类混凝土也可用 于室内的采暖除湿， 从而节约大量的能源消耗。 国内外已经有许 多学者开展了此项研究 。 但 目前还存在成本过高， 导电混凝 土强度不足等问题。 采用前期大量试验所得到的优化配方制备 了导电混凝 土试块 ， 重点探讨 了不 同电压下混凝土 的升温性能 以及该混凝土最优能耗电压， 研究了该导电混凝土的温敏性能， 给出其温度与电流之 间的初步经验公式 。 1 试验材料 与设备 1 1 试验材料 根据前期试验结果 ， 发热率较高 的钢纤维含量为 3 5 ， 本次 试验选择该钢纤维掺量进行试件制作。 为了符合后期实际应用 的需要 ， 试件尺寸采用 4 0 mmx 3 0 mmx 5 1T I 1 T I 混凝土板。 导电混凝 土配合 比为水： 水泥： 细骨料： 粗骨料 = 0 6 ： 1 ： 1 9 5 ： 2 0 2 。 水泥采用 3 2 5 级水泥， 为了使混凝土具有更好的导电性 ， 加入 7 石墨 5 - 6 1 。 采用湿拌的方式制作混凝土。 外部保护层混凝土配合比为水：水 泥： 细骨料： 粗骨料 = 0 6 ： 1 ： 3 6 ： 2 8 9 。 为保证混凝土的流动性， 还加 入了高效减水剂 、 炉石和粉煤灰。 制作方法如下： 危制作内部导 电混凝土， 然后在混凝土试件的上下面铺 没钢丝 许浇 筑外部保护层混凝土， 具体尺寸如图 1 所示。 1 2 试 验设备 为了减小采用直流电源时混凝土试块所产生的极化效应 ， 本 次试验采用三科 T DG C 2 2 k可调式交流电源， 电流与电压的采集 采用数字万用表 ， 温度采集采用 型温度传感器与 D a t a T a k e r 8 0 数据采集系统。 为了避免室温对混凝土试件的影响， 试验过程中 将混凝土置于保温箱内。 2 混凝土 电热性 能试验及 结果讨论 2 1 试 验 电路 及 方法 试验分别采用 6 0 、 4 8 、 3 6 、 2 4 v交流 电压 。 为获得试件 表面 温度场分布， 同时验证混凝土试件发热是否均匀 ， 在混凝土表面 等间距粘贴 1 2个 型温度传感器 ， 如图 2 所示 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 1 2 1 0 基金项目：广东省科技计划 ( 国际合作 ) 项 目( 2 0 0 9 B 0 5 0 2 0 0 0 1 5 ； 2 0 1 O 8 O 5 叭o 0 l 8 ) 52 由2 5 0 钢丝 网 图 1 试件基本尺寸 图 2 导电混凝土 电热试验电路图 先将混凝土试件放人冰柜， 降温至少 1 2 h ， 使混凝土试件整 体温度达到一 1 0以下。 取 H 混凝土后， 放人保温箱 同时连接电 源 、 温度传感器与 D a t a T a k e r 8 0数据采集系统。 混凝土升温 2 0 则测试过程终止， 试验结束。 试块升温过程中， 每秒采集同步采 集 1 2 个测试点的温度值 1 次， 同时每 5 rai n 读取电流 1 次。 2 2试验 结果 图3 为红外热成像仪拍摄升温过程中混凝土表面温度分布。 图 4为不同电压作用下导电混凝土的升温曲线， 试验结果表明， 在 升温过程中试块表面温度分布均匀 ， 为曲线显示直观此处仅取 同 一 排测点2 5 、 8 、 l l 进行比较。 从图中可以看出，无论在何种电压 ( a )混凝 土刚从 冰柜中取 时 ( b ) 升温 段时 间后 图 3 红外热成像仪探测温度分布 30 25 ， 20 1 5 篓 1 0 5 O 一 5 时 目 mi n 时 间 mi n ( c ) 3 6 V电压( d ) 2 4 V电压 图 4 导 电混凝 土在不同电压下升温线 作用下， 该导电混凝土发热均很均匀 ， 不存在局部过热的问题。 图 5为测点 5在不同电压作用下升温曲线， 由图可见， 电 压越高 ， 则混凝土试块达到 2 O所需的升温时间越短 。 2 4 V 电 压所需的升温时间约为 2 2 0 min ， 而 6 0 v电压所需 的时 间仅为 9 0 mi n ，前者是后者的约 2 4 4倍。 6 O v电压的升温曲线斜率基 本保持不变， 事实上， 试验表明， 如果一直用 6 Ov电压给试块 通电， 约 3 h之内就可以使混凝土表面温度超过 1 0 0。 4 8 、 3 6 V 的电压与 6 0 V电压工况下的规律类似。 但在 2 4 v电压的作用 下， 混凝土的升温曲线到 2 O以上时， 曲线的斜率逐渐趋于 减小 ， 曲线趋 于平缓 ， 需要很长的时间才能使混凝土升高 1 。 这是由于当混凝土达到一定的温度之后， 其阻抗趋于稳定， 在低 电压的作用下， 混凝土的功率始终保持在一个较低的水平， 因此 其发热曲线趋于平缓。 时 问 mi n 图 5 测点 5在不 同电压下升温曲线 混凝土发热耗能按 照式( 1 ) 进行计算 l5 _ ： 7 尸 =i U I ( t ) d t ( 1 ) J 0 式 中： P 电流所做的功 ： 电压 ： ， 电流 ； f 时间。 低电压下升温所需的时间远远长于高电压下升温， 因此有 必要计算最低能耗的优化电乐。 表 1 为不同电压作用下， 每平方 5 3 米该导电混凝 土升温 2 0所需 的功 。 从表 中可 以看 出 3 6 v 电 压作用下能耗最小， 为最优升温电压。 事实上， 3 6 v电压也是人 体所能承受的安全电压限值， 因此该电压应用于实际工程既能 够保证耗能最优， 也能够保证使用安全。 表 1 每平方米 混凝土在不同电压作用下升温 2 O所需耗能 3 混凝土温敏 性能试验及 结果讨论 导电混凝土的温敏性为其重要性质， 随着混凝土温度的变 化其本身的阻抗值会产生一定的变化。 国内外有许多学者做过 此方 面的研究 7 - 9 1 ， 但 目前 尚未见 明确 的拟合公式 。 本研究 就温 度 与电流之间的关系进行了初步拟合。 试验结果表明 ， 导电混凝土电流随温度 的增加而单调增加 ， 且呈现 明显的指数律规律 。 这是 由于导电混凝土特有 的导 电机 理所导致的。 导电混凝土的导电机制可分为 3 种 ： 漏电、 隧道导 电与粒子导电。 导电相材料添加入混凝土时， 有部分导电相材料 互相连通形成导电通路， 但也有部分的导电相材料被绝缘的水 泥基体所隔绝。 当混凝土温度升高时， 导电相材料电子由于热振 动获得了较高的能量 ， 从而能穿过绝缘的水泥基体 ， 形成导电 通路， 从而使得导电混凝土本身阻抗下降 ， 因此电流会随着温 度 的升高而增加。 但当温度增加到一定程度之后 ， 电流 的增长减 缓 。 这是 由于混凝土 内部可连通 的电路 已基本处 于稳定状态 ， 阻抗不会再进一步下降。 如果能得知混凝土温度与电流之 间的相对关系 ， 则可 以通 过量测 电流来基本确 定混凝土 的温度 。根据本次升温试 验 曲 线 ， 初步确定拟合公式为： l = a l 吨 斗 ( 2 ) 图 6 为电流与温度的拟合曲线。 表 2为不同电压下温度与 电流的拟合参数， 可以看出温度与电流之间基本呈 2次抛物线 的关系。 但各参数随着电压的不同会产生变化 ， 后期将开展电压 与温度耦合条件下电流变化规律的研究。 、 避 删 温 度 ( d ) 2 4 V电压 图 6 不 同电压下电流与温度 曲线拟合 4结 论 本研究在前期大量实验的基础上 ， 选择 3 5 掺量钢纤维制 5 4 表 2 不同电压下电流与温度 曲线拟合 系数 备钢纤维石墨导电混凝土， 在其表面均匀布置了 1 2个温度传感 器 ， 获得不 同电压工况下升温过程 中的混凝土表面温度分布及 电流变化。 试验结果表明 ： ( 1 ) 该配方导 电混凝 土在各种 电压 下发热均匀 ， 没 有出现 局部过热现象 。 ( 2 ) 评估 了 2 4 、 3 6 、 4 8 、 6 0 V共 4中不同 电压工况下混凝土 升温 2 O所需 的耗能 ， 结果表 明 3 6 v电压耗能最 低 ， 同时该 电压也能保证使用安全， 适用于实际工程。 ( 3 ) 研究了升温过程中电流随温度变化的规律 ， 结果表明 电流随着混凝土温度的升高而增加， 分析认为这是由于混凝土 的阻抗会随着混凝土温度的升高而下降， 且电流与温度之间大 致呈 2次抛物线关系。 参考文献 ： 【 1 HE ND R S O N D J E x p e ri me n t a l r o a d w a y h e a t i n g p r o j e c t o n a b ri d g e fd p p r o a c h p J Hi g h w a y R e s e a r c h R e c o r d ， 1 9 6 3 ( 1 4 ) ： 1 5 1 -1 7 8 2 】B I E NE R T W B， P R A VD A H J ， DA V I D A Wo l f s n o w a n d i c e r e mo v a l f r o m p a v e me n t s u s in g s t o r e d e a r t h e n e r g y J Wa s h i n g t o n ，D C F e d e r a l Hi g h w a y a d mi n i s t r a t i o n ， 1 9 7 4 ( 5 ) ： 7 5 7 6 3 唐祖全， 李卓球， 钱觉时 碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的应用 研究I J 】 建筑材料学报， 2 0 0 4 ， 7 ( 2 ) 2 1 5 2 1 9 ， 2 3 0 【 4 唐祖全， 李卓球， 侯作富 导电混凝土路面材料的性能分析及导电组 分选择 J 1 _混凝土， 2 0 0 2 ( 4 ) ) ： 2 8 3 1 5 】 谭宏斌， 冯小明， 郭从盛 不锈钢纤维石墨导电混凝土的研究 J 混凝 土 ， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 3 5 3 7 6 】 沈刚， 董发勤 石墨导电混凝土的研究 J 1 混凝土， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 2 1 2 4 7 】WE N S i - h a l ， C HU A N G D D L S e e k b e c k e ff e c t i n e R F b o n fi b e r r e i n f o r c e d c e me n t J 1 C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9， 2 9 ( 1 2 ) ： 1 9 8 9 1 9 9 9 【 8 孙明清， 李卓球 ， 沈大荣碳纤维水泥基复合材料 S e e b e c k 效应 J 1 材 料研究学报， 1 9 9 8 ( 3 ) ： 3 2 9 3 3 1 9 S U N Mi n g - q i n g ， L I Z h u o - q i u ， MAO Q i - z h a o ， e t a 1 S t u d y O U t h e h o l e c o n d u c t i o n p h e n o m e n o n i n c arb o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 4 9 5 5 3 作者简介： 赵若红( 1 9 8 0 一 ) ， 女， 博士， 主要从事的研究方向为新型建 筑材料开发与工程结构抗风。 联 系地址 ： 广州市 大学城外环 西路 2 3 0号 广州 大学联 合研究中 心 ( 5 1 0 0 0 6 ) 联 系电话 ： 1 8 6 2 0 0 9 8 5 2 4