碳纤维混凝土机场道面融雪化冰的影响因素

（滨州学院 建筑工程学院， 山东 滨州）

在寒冷地区的冬季，积雪结冰给机场道面带来了一系列影响，影响了飞机起降，从而影响机场的经济效益。现有的机场道面融雪除冰方法，可以分为清除法（包括人工除雪和机械除雪），融雪剂除雪法，电热融雪法三类，其中清除法和融雪剂除雪法应用较为普遍。清除法除雪效率低，而且费用比较高； 融雪剂除雪法，常用的化冰盐因其价格低廉,融雪效果好,短期内仍然难以被完全取代，但化冰盐中的氯化物会腐蚀机场道面，进而影响道面混凝土的耐久性，甚至使其安全性难以保证。

电热融雪法是利用热能将道面的冰雪融化的方法，包括地热管法、导电混凝土法、发热电缆法、导电沥青法等。将一定组分的碳纤维掺入混凝土中制作成碳纤维混凝土，可以使碳纤维混凝土具有良好的导电性能，接通外部电源，在试件中会产生热量，这些热量可以加速冰雪融化。这是一种利用新材料、新技术的高效、快速、无污染的热融除冰雪方式。此外，碳纤维混凝土具有良好的力学性能，并且碳纤维可以显著改善混凝土的抗裂性能，使得碳纤维混凝土完全可以应用于机场道面融雪化冰工作。经过相关研究，影响碳纤维混凝土机场道面融雪化冰的因素主要有以下几个方面。

1 碳纤维混凝土层厚度

在普通混凝土道面结构层上，覆盖一层碳纤维混凝土作为铺层，并在铺层与普通混凝土结构层之间设置热绝缘层，主要目的是在通电过程中，使存储在混凝土中的热量的损失减少到最低，防止热能向下流失，从而可以保证碳纤维混凝土铺层产生的热量大部分由道面上的冰雪吸收，可以更快速地融雪化冰。试验研究表明，在功率一定的条件下，碳纤维混凝土铺层厚度越大，在升温过程中由铺层自身吸收的热量越多，道面上的冰雪无法吸收到大部分热量，反而使得融雪化冰的效果变差。因此碳纤维混凝土铺层厚度不能过大；另一方面，从施工角度考虑，机场道面混凝土施工有拉毛刻槽工艺特殊性的要求，碳纤维混凝土铺层厚度不能过小，大量试验证明，碳纤维混凝土铺层厚度在40 ～50 mm 之间较佳。

2 通电时间及碳纤维掺量

通过试验表明，随着通电时间增加，碳纤维混凝土试块表面温度增加，融雪效果显著增加，通电时间400min左右时，试块温度在51℃上下浮动，继续通电，温度不再增加，试块表面温度均达到某一个稳定值。碳纤维掺量从 0.3%增加到1.0%时，试块达到的最高温度值增加，当碳纤维掺量从1.0%增加到1.2%时，试块所能达到的最高温度反而减小。试分析出现以上结果的原因，试块的电热特性与试块的电阻值变化是相关的，试块电阻越大，导电性能越差，其电热性能相应的也差，温升就低。碳纤维掺量对碳纤维混凝土试块的电阻的影响与对其电热效应的影响是相一致的。

3 碳纤维混凝土层粗骨料粒径

研究表明，碳纤维混凝土铺层采用粒径太大的粗骨料是不合适的，若按配制普通混凝土的原则选取骨料，会使得碳纤维混凝土导电通路被粗骨料截断，使其导电性很差，甚至可以被看作是绝缘的；此时，即使掺入再多的碳纤维，也无法提高其导电性，进而影响碳纤维混凝土融雪化冰的性能。只有使铺层混凝土粗骨料之间保持一定的距离，才能保证形成较好的导电通路，碳纤维导电混凝土粗骨料平均粒径以控制在15 mm 左右为最佳。

4 裂缝宽度

导电混凝土铺层中的裂缝会对碳纤维的相互搭接产生影响，进而影响铺层融雪化冰的效果。丁汀等人利用哑铃法结合刀口法的测试方法有效地测试了裂缝宽度对碳纤维混凝土导电性能的影响。试验证明，碳纤维混凝土开裂初期，碳纤维在裂缝两侧的“桥梁作用”并未切断，混凝土导电通路未被阻断，电阻增幅较小，碳纤维混凝土电阻变化率与裂缝宽度呈线性关系，此时，即使存在裂缝，碳纤维混凝土仍具有良好的导电性能；当裂缝宽度超过临界裂缝宽度后，电阻变化率大幅度上升，裂缝两侧碳纤维无法继续相互搭接，“桥梁作用”逐渐被切断，碳纤维混凝土导电性能急剧下降，直至导电失效。研究表明，机场碳纤维混凝土道面的有效临界宽度值约为 0.65 mm，道面裂缝宽度超过此值，融雪化冰的速率大大降低，因此，应尽量减少导电通路上裂缝的数量，并严格控制裂缝宽度在临界裂缝宽度以内。

5 环境温度与冰层厚度

王琦等学者通过试验证明，在冰层厚度与电加热功率一定的条件下，环境温度升高，冰雪层融化所需要的时间和能量消耗呈线性地减少。另一方面，当环境温度和电加热功率一定的条件下，冰层越厚，融雪化冰所需时间越长，需消耗的能量越多。值得注意的是，除冰时间、能量消耗和冰层厚度之间的关系并不呈线性。

6 除冰功率

试验证明，冰层厚度及环境温度一定时，随着功率的增加，碳纤维混凝土铺层产生的热量就更多，导电混凝土和冰的温度增加的更快，冰层开始融化的时间变短，冰完全融化的时间也变短，耗能也随之变少。因此采用较大的除冰功率，一方面可以加快融化速度，另一方面还可以节约电能。

结束语：通过外加电场作用使碳纤维混凝土具有良好的电热性能，可以使冰或雪自动融化，相信碳纤维混凝土在机场跑道融雪化冰中的应用会越来越广泛。目前国内外学者对于碳纤维导电混凝土进行了大量的理论研究，也进行了一系列试验，大部分试验都局限于室内的小板试验和室外单一大板的融雪化冰试验分析，实际工程试验的分析研究相对较少，要想使碳纤维混凝土在机场除融雪化冰中得到更广泛的推广和应用，应开展一系列关于机场道面实际工程融雪化冰的试验研究。

[1]马世宁，刘晓军，张元龙.碳纤维导电混凝土道面机场除冰雪的应用研究[J].路基工程，2011 (3) : 182－184.

[2]王琦.谈导电混凝土路面除冰性能的影响因素[J].工程建设与设计，2014 (7) : 99－102.

[3]李龙海，仝晔. 机场用导电混凝土除冰雪热功率优化研究[J].中国民航大学学报，2016 (3) : 22－27.

[4]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[J].建筑材料学报,2004,02:215-220.

[5]侯作富,李卓球,唐祖全.融雪化冰用碳纤维混凝土的导电性能研究[J].武汉理工大学学报,2002,08:32-34.