吸波混凝土在道面微波除冰中的研究综述

姚天麟 姜 波 刘志群

(1.长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710021；2.西部战区空军甘宁片区工程指挥部，甘肃 兰州 730020； 3.空军工程大学供应保障处，陕西 西安 710051)

0 引言

军用机场是为航空兵提供作战、训练场地的军事保障设施和重要作战组成。时刻保证机场跑道处于良好状态，对战时展现空军作战实力、掌握军事斗争主导权具有重要意义。我国很多军用机场处于季节性冰冻地区，降雪结冰会降低机场道面的摩擦系数高达70%～80%[1-4]，导致飞机无法正常起飞、着陆容易造成侧翻、冲出跑道等后果，导致机场正常使用效率严重影响我军战时作战效能。

目前道路除冰常用方法主要为化学法、热力法、机械法和自应力法四种。化学法通过撒布NaCl等化学剂降低冰雪融点的方法提高除冰效率，该方法容易对道面产生腐蚀且低温下除冰效果不理想；热力法通过直接加热融化的方法除冰，该方法去除厚冰层时效果不理想且十分消耗能源；机械法通过机械装置直接除冰，该方法容易导致路面的损坏；自应力除冰法将具有较大弹性的颗粒材料不均匀地掺入混凝土，使道面的弹性性能产生位置上的差异，道面不均匀形变产生自应力，最终实现道面除冰，该方法混合料制备难度大、混凝土力学性能变差且路面试验寿命较短。

传统的除冰方法存在除冰效率低、除冰效果不理想、易损坏道面等不足。因此，为实现机场快速除冰，保障飞机正常起降，对新型除冰方法的研究显得尤为重要和紧迫。

微波除冰加热均匀、便于控制并且不会对环境造成污染，是目前道面除冰方法的一个研究方向。微波几乎不被冰层吸收，而是穿过冰层之后被道面大量吸收并发热，使贴近道面的冰层融化，进而达到除冰的效果。但是该方法除冰效率受微波频率和路面吸波性能限制，因此，研制吸波性能强的混凝土材料是目前各国研究的热点方向之一。

本文介绍了目前吸波混凝土研究现状，并简要介绍了吸波性能较强的磁铁矿的掺量对混凝土电磁特性的影响，探讨了掺磁铁矿的混凝土的吸波性能及除冰效率研究方向。

1 吸波混凝土研究现状

Osborne等[5](1989)在试验中发现当掺入磁铁矿对沥青路面进行修补后，路面在微波照射作用下升温效果有明显改善，因此提出利用将磁铁矿掺入沥青混凝土中来提高微波除冰的构想。采用2.45 GHz微波对混凝土进行照射，试验发现混凝土路面的发热性能随磁铁矿质量分数掺量增加而提高，但当掺量超过5%后，升温发热性能增长不明显。

Wuori[6](1993)对混凝土路面吸波发热性能进行了试验研究，研究了基于微波加热的非接触式除冰。结果表明微波对普通混凝土路面的加热效果不理想，普通混凝土路面不满足实际融雪除冰要求，微波除冰法仍无法投入实际工程应用。

Lindroth[7](1995)配制了煤颗粒沥青混凝土，通过微波除冰试验对沥青路面的除冰效果进行了分析。试验中发现微波加热混凝土路面后冰层与路面交接部位最先发生融化，最终冰层整块脱落，通过分析得出结论，路面冰层不吸收微波，微波作用在道面混凝土中，混凝土升温导致结合部冰层融化，达到除冰效果。

Hopstock[8](2003)将铁燧岩作为一种新型骨料掺入到沥青混凝土当中制备出铁燧岩沥青混凝土，微波加热试验结果表明，铁燧岩吸波混凝土的吸波发热能力更强，具有较高的发热效率，吸波性能远远优于普通沥青混凝土。其在后续的研究中[9,10]对铁燧岩沥青混凝土的吸波特性参数进行了试验测试并建模分析。基于此项研究，美国学者认为提高微波除冰效率的关键一环是找出吸波性能良好的材料对道面组分进行改善并对具有良好吸波性能的新型材料开展了广泛研究。

陈颖等[11](2013)提出利用低品位磁铁矿石铺筑微波除冰路的构想，并采用室内试验研究了可行性。结果表明：磁铁矿各项指标符合路用要求且能够大大提升路面的微波除冰效率。

高杰[12](2014)研究了碳纤维—水泥乳化沥青砂浆加热带的微波除冰效率，并结合纤维掺量及分散程度进行了相关研究。结果表明当纤维体积掺量为0.4%～1%、微波作用30 s时，微波生热速率最佳。

现有文献大多集中在沥青混凝土的微波除冰研究，对水泥混凝土的微波除冰性能研究相对较少，并且许多学者采用的微波炉等密闭微波设备与实际除冰环境不符，仍需要进行更加贴合实际施工操作环境的试验研究。

2 磁铁矿成分及技术指标

综上所述，微波除冰具有良好的选择性加热特点，冰层不完全融化，在加热过程中冰层与试件上表面逐渐分离是微波加热除冰的主要特点及优势。与此同时，微波除冰方法除冰效果良好，操作过程中不产生污染物，吸波材料加入对路面材料吸波发热除冰性能具有良好的改善效果。

为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，掺铜矿渣路面混凝土能显著提高微波除冰效率，磁铁矿骨料混凝土也能提高混凝土吸波性能进而提升道面微波除冰效率。可以对不同的磁铁矿掺量混凝土的电磁参数，如复介电常数实部、复介电常数虚部、复磁导率实部和复磁导率虚部平均值等进行测定，观察混凝土吸波性能与磁铁矿掺量的关系。混凝土的吸波性能可以通过试件表面中心点温度温升速率的快慢来反映。

磁体矿的主要成分是Fe3O4晶体属等轴晶系的氧化物矿物，晶体常呈八面体和菱形十二面体，多为粒块状集合体具有强磁性，被称为“磁石”，颜色为铁黑色，条痕呈黑色，金属光泽或半金属光泽，自然磁铁矿往往还含有赤铁矿Fe2O3，如图1所示。

3 结语

1)微波除冰技术能够通过加热道面，使冰层与道面交接部位融化，实现冰层与路面的脱离，进而达到除冰的效果，是道面除冰的一个重要发展方向。微波除冰具有加热均匀、不伤害道面、不污染环境等优点，但其除冰效率受混凝土吸波性能影响较大，普通混凝土难以实现微波除冰的实际应用。

2)目前国内外对吸波混凝土均有研究，思路大多是在混凝土中掺加一定量的外加剂，提高混凝土的吸波性能。

3)掺加磁铁矿能有效提高混凝土的吸波性能，但是掺加磁铁矿的混凝土的力学特性及耐磨性等有待进一步研究。