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道路积雪结冰给交通运输带来了诸多问题。一方面,道路积雪结冰导致高速公路禁止通行和机场航班取消延误,影响人民正常生活和工作,而且对我国的国民经济也造成了一定影响;另一方面,道路积雪结冰也是我国冬季交通事故频发的重要原因之一。因此研究碳纤维导电混凝土用于融雪化冰具有重要的现实意义。 本文在国内外已有研究成果的基础上,对路面自动融雪化冰混凝土的关键技术开展了相关研究。具体而言,主要有以下内容: (1)对于碳纤维导电混凝土原材料的选取,一切以提高碳纤维在混凝土中的分散性为核心。通过对比试验研究,选取平均粒径12mm的碎石、长度12mm的碳纤维,制备时加入分散剂、减水剂和消泡剂。此外,制备方法也是关键。试验表明,在水泥砂浆中缓慢加入碳纤维,搅拌后加入石子的制备方法能使碳纤维更好地分散。 (2)在18天龄期以后,碳纤维导电混凝土的电阻基本能够保持稳定,并且电阻随通电时间和外加电压的变化基本保持恒定,表现了良好的电阻稳定性。通过对碳纤维体积掺量、砂率、单位体积水泥用量和水灰比的对比试验,以导电性能、抗折强度、抗压强度、施工性能、电热效应和经济合理性为指标,确定了碳纤维导电混凝土的最佳配合比为1m3混凝土中水泥∶水∶砂∶石子=499kg∶279kg∶532kg∶1240kg,碳纤维体积掺量为C4。 (3)利用ANSYS对碳纤维导电混凝土模型进行了有限元分析,对有无保温层、不同的输入功率和导电混凝土厚度进行了对比分析。分析表明:保温混凝土可以使导电混凝土上表面的温升速率加快,并且与无保温混凝土时相比,随着输入功率的增大,保温混凝土的设置对提高导电混凝土上表面温升速率的影响逐渐减小;输入功率越大,导电混凝土厚度越小,温升速率越快。对化冰和融雪模型分别进行了分析:功率较低时化冰时间很长,可适当的增大输入功率以缩短冰层的融化时间;采用下雪后再融雪的方法不能及时融雪,即使采用较大的功率融雪时间也很长,而采用实时融雪方法可以实现下雪即融。 (4)为了对比有限元分析的数值模拟结果,同时实际了解碳纤维导电混凝土板的实际温升情况,通过制作碳纤维混凝土板来测试实际的温升规律。隔热层的设置可以提高混凝土板上表面的温升速率;随着输入功率的增大,导电混凝土板上表面的温升速率加快。试验数据与有限元分析数据吻合良好。为了了解在碳纤维导电混凝土板通电加热过程中对周围电磁场强度的影响,对板在不同输入功率下的电磁场强度进行了测试。