碳纤维混凝土在机场跑道中的应用

杨 杨 郎东莹



碳纤维混凝土在机场跑道中的应用

杨 杨 郎东莹

（滨州学院 建筑工程学院 山东滨州）

目前，碳纤维混凝土作为一种高性能的应用材料，在各方面都有所应用。碳纤维混凝土具有良好的电热效应且较普通混凝土在实际在应用中有很大的稳定性及可行性。通过外加电场作用使其具有良好的到电热性能，可以解决冬季机场跑道的融雪除冰所遇到的难题。

碳纤维混凝土；电热效应；融雪除冰

1.理论分析

当混凝土掺入碳纤维材料后，混凝土的导电性有很大的改善，这种功能材料称为碳纤维导电混凝土。这种效应成为碳纤维混凝土的电热效应又被称为焦耳效。普通混凝土在干燥的状态其电阻率大约为106-108Ω·m，而在潮湿的状况下其电阻值约为101-103Ω·m。由此带来了普通混凝土在利用其电热效应方面的问题。而碳纤维混凝土在这两种状态下都具有稳定的电阻率，从而可以利用其此方面的优势解决寒冷季节机场跑道的融雪除冰问题。

2.试验研究

2.1试验材料及试件制备

材料：42.5级普通硅酸盐水泥、滨州地区河沙、硅微粉（消泡剂）、聚丙烯腈(PNA)纤维。

甲基纤维素CMC（分散剂）、6mm×6mm铜网（电极）、铜质导线若干。

实验仪器：15V交流电、苯板、热电偶、智能手持式数字多用表。

试件制备：碳纤维混凝土试块的尺寸为70mm×70mm×70mm，碳纤维的掺和量分别为水泥质量的0.3%,0.6%,0.8,1.0%,1.2%每组试件为3个，配合比为水泥：砂：水=1:1:0.5，CMC溶液的浓度为0.8%,消泡剂（水泥+微硅粉），标准养护28天。

2.2实验目的

碳纤维的掺和量及通电时间对碳纤维混凝土电热效应的影响，根据碳纤维混凝土通电后可以发热的性能，解决机场跑道等方面的融雪除冰问题。

2.3实验方案

本试验研究不同碳纤维掺和量对碳纤维混凝土试块的电热效应，试块初始温度为0℃，研究给初始试块两端通15V交流电压，试块的发热情况。用于试验的试块在冷冻箱中冷冻，使其温度降低到19℃将热电偶的探头固定于试块的表面，来测量试块表面的温度，用苯板将试块包裹起来，从而防止试块热量散失影响试验结果。试验中用热电偶来测量试块的温度，每30分钟测量并记录一次温度，连续记录时间为6个小时。

图2.1电热效应试验布置图

2.4试验结果与分析

表2.1 试块温度与通电时间关系表

图2.2掺和量为0.8%时试块温度和通电时间关系图

从图2.2中可以发现，随着通电时间的延长，碳纤维混凝土试块表面的温度也随之增加，通电时间在336min左右时，试块温度在36.5℃上下浮动，若继续通电则温度不在继续增加。

碳纤维的掺和量对碳纤维混凝土试块电热效应的影响如下图所示：

图2.3碳纤维掺和量对电热效应的影响

从试验得出的图形中可以观察到，在通电时间336min试件表面温度均达到某一个稳定值，达到这个数值后继续通电时间温度不再有很大的上升，而是出现一个稳定的波动。另一个方面，在碳纤维掺和量在0.8%-1.0%时所测得试块所达到的最高温度随着碳纤维掺和量的增加而增高，当掺和量在1.0%-1.2%时所测得的试块所达到的最高温度随着碳纤维掺和量的增加而减小。通过观察分析这种现象，可以发现试块的电热效应与试块的电阻值的变化是相关的。结论为：试块电阻越大，其导电性能就越差，从而导致试块的电热性能也越差，所达到的最高温度也相应的变低。碳纤维的掺合量对试块电阻的影响导致了对试块电热效应的影响继而可以影响到温度的提高。

2.5试验结论：

试验研究了碳纤维混凝土的电热效应，通过试验可以得到以下结论：

给碳纤维混凝土试块两端通电后，试块明显发热，在通电336分钟后会达到一个稳定的值，在通电试块温度不再升高。而且由于碳纤维的掺和量会对电阻产生影响，所以碳纤维的掺合量会对碳纤维混凝土的电热效应产生影响，当碳纤维掺和量在1%时试块温度能达到最高值。

3.碳纤维混凝土用于北方寒冷冬季机场跑道除雪化冰工作的意义及其可行性

在北方各地每年都有因为机场跑道被冰雪覆盖而造成的航班大面积晚点或者航班的取消，给乘客和机场都带来很大的损失。

通过试验证实了碳纤维混凝土具有良好的电热性能，在对其进行通电后温度有明显的上升。可以再对机场跑道施工时加入碳纤维材料（掺合量为1%最为合适），这样可以利用碳纤维混凝土的电热效应在最短的时间内除去机场跑道的冰雪。而且利用计算机技术控制通电时间可以实现机场除冰化雪工作的智能化，不仅可以在短时间内除去冰雪，而且可以做到随时清理，另外利用这项技术还可以大大减少机场除冰化学工作对人力、机械的需求，做到利用机场跑道自身清雪化冰，在此同时依然能够保证飞机的正常起降，大大改善由于跑道冰雪造成的飞机延误及安全隐患。

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杨杨（1992-），男，山东济宁人，滨州学院建筑工程学院，学生。

指导教师：郎东莹（1986-），女，山东滨州人，滨州学院建筑工程学院，助教。

项目来源：滨州学院国家级大学生创新创业训练计划项目 项目编号201510449010

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1007-6344（2017）03-0329-01