碳纤维导电混凝土电热性能的有限元分析及试验研究.pdf
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1、2 0 1 3年 第 1 2期 ( 总第 2 9 0期 ) 混 凝 土 N u mb e r 1 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l N o 2 9 0 ) Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 2 O l 7 碳纤维导电混凝土电热性能的有限元分析及试验研究 邓宗才 ,付建斐 。刘岩 ( 1 北京工业大学 建筑工程学院,北京 1 0 0 1 2 4 ;2 北京 中企卓创科技发展有限公司,北京 1 0 0 6 2 1 )
2、摘要: 碳纤维导电混凝土不仅具有良好的力学性能 , 而且具有优异的电热性能, 因此可用于道面的融雪化冰。 采用有限元进 行数值模拟 , 得到了不同输入功率 、 导电混凝土厚度以及有无保温混凝土下的碳纤维导电混凝土上表面的温升规律。 有限元分析 表明 , 输入功率的增大以及导电混凝土厚度的减小都会使导电混凝土上表面的温升速率增大; 此外 , 保温混凝土也可以使导电混 凝土上表面的温升速率增大 ; 随着输入功率的增大 , 保温混凝土对提高导电混凝土上表面温升速率的影响逐渐减小。 对 比不同输 入功率下以及有无隔热层时的导电混凝土上表面温升规律的试验数据与有限元分析数据 , 试验数据与有限元分析数据
3、吻合 良好。 关键词: 碳纤维;导电混凝土;电热性能 ;有限元 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 6 3 0 4 F i ni t e e l e m e n t a n a l y s i s a n d e x p e r i me n t a l s t u d y o n e l e c t r o t h e r ma l p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r e l e ctr i c a I c o n d u c
4、t i v e c o n c r e t e DENGZo n g c a i , FUJ i a n f e i , L U Ya n ( 1 T h e C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n dC i v i l E n g i n e e r i n g , B e i j i n g U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , B e ij i n g1 0 0 1 2 4 , C h i n a ; 2 C h i n a S u p e r - C r e a t i v e A
5、i r p o r t T e c h n i c a l L t d , B e ij i n g 1 0 0 6 2 1 , C h i n a ) Abs t r act: Ca r bo n fib e r e l e c t r i c a l c o nd uc t i ve c o nc r e t e no t o n l y ha s g o o d me c h an i c a l pr o p e rti e s , b u t a l s o e x h i b i t s e x c e l l e n t e l e c t r o t h e r - ma l
6、p e rfo r ma n c e, S O i t C an be us e d f o r d e i c i n g an d s no w me l t i n g o f r o a d s Th e t e mp e r a t u r e r i s i n g l a ws u n de r di f f e r e nt p owe r , t h i c k ne s s of e l e c t r i c a l c o n d u c t ive c o nc r e t e a nd i ns ul a t i o n c o n c r e t e s e t
7、t i n g a r e s i mul a t e d wi t h fin i t e e l e me n t Th e an a l ys i s s ho we d t h a t : i nc r e a s i n g the p o we r i n p u t an d r e d u c i ng t hi c k ne s s of e l e c t r i c a l c o nd u c t i v e c o n c r e t e i nc r e a s e the r a t e o f t e mp e r a t u r e r i s e o f e
8、 l e c t r i c a l c o n du c t i v e c o n c r e t e u p pe r s u r f a c e; i n s ul a t i o n c o nc r e t e c a n i mpr o ve the r a t e o f t e mp e r a t ur e r i s e o f e l e c t r i c a l c o n d uc t i v e c o n c r e t e u p pe r s urf a c e; wi t h t h e i n c r e a s e of po we r i n p
9、u t , i nfl ue n c e ofi n c r e a s i ng the r a t e of t e mp e r a t ur e r i s e o fe l e c t r i c a l c o n d u c t i v e c on c r e t e u p pe r s urf a c e c a u s e d b y i n s ul a t i o n c o nc r e t e g r a d u a l l y d e c r e a s e s By c omp a r i ng t e s t r e s uh s an d fin i t
10、e e l e me n t an a lys i s r e s ul t s u n d e r d i f f e r e nt p o we r i n put and h e a t i n s ul a t i o n, t e s t r e s u l t s an d f i ni t e e l e me n t a n a l y s i s r e s u l t s a r e i n g o o d a gre e me nt Ke y wor ds : c a r b o n fi be r; e l e c t r i c a l c o n d uc t i
11、v e c o nc r e t e; e l e c tro t h e r ma l pr o pe r t i e s ; fin i t e e l e me n t 0 引 言 道 路 的积雪 结冰给交通 运输带来 了诸 多问题 。 一方 面 , 因为道路 的积雪结冰导致高速公路禁止通行和机场航 班取消延误 , 不仅影响 了人 民正常 的生活和工作 , 而且对 我国的国 民经济也造成 了一定程度 的影响 ; 另一反面 , 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 , 寻求一种高效环保 的融雪化冰方法具有重要的现实 意义 。 目前 , 融雪化冰 的方法很多 ,
12、 归纳起来可分为两大类 , 即消除法和融化法 。 消除法包括人工消除法和机械消除法 。 该 方法需要消耗大量的劳动力和除雪工具 , 效率极低 , 并 长时间 占用交通道路 , 交通不能及时恢复 , 属被动式滞后 操作 1 。 融化法包括化学融化法和热融化法 。 化学融化法 即 使 用化 学物质如氯盐等融雪剂降低冰雪 的凝 固点 以达到 融雪化冰的 目的 , 但融雪剂形成 的含盐水加速 了路面混凝 收稿 日期 :2 0 1 3 0 6 - 2 0 土构件的老化 , 严 重影 响了道路 的使用寿命 , 且融雪剂溶 液汇流到土壤和城市水 管网 , 对 土壤结构 、 周 围植被和 区 域水源产生破坏嘲
13、 。 热融化法包 括地热 管法 、 电热丝法 、 流 体加热法 、 电缆加热法 、 导 电混凝土加热法等 。 其 中导 电混 凝 土加热法是将导 电相材料加入到混凝土中制备而成 的, 包括石墨导电混凝土加热法 、 钢纤维导电混凝土加热法 、 碳 纤维导电混凝土加热法等 。 其 中, 加入石墨导电相的混凝土 的抗压强度受 到明显削弱固 ; 钢纤维导电混凝 土虽然混凝 土强度得到提高, 也显著降低了混凝土的电阻率 , 但随着 时间的延长 , 钢纤维导 电混凝土的电阻率将显著增大 ; 碳 纤维导电混凝土加热法以其具 有 良好 的电热性能和 电阻 稳定性 , 足够 的强度保证网 而在将来的工程应用 中
14、有着 良 好 的发展前景 。 为了研究碳纤维导电混凝土板的电热 l生 能, 采用 A NS YS 有限元分析程序对碳纤 维导电混凝土板在不 同的输入功 6 3 表 3 不同输入功率下的温升规律 续增大输入功率到 7 0 0 W m z , 温升速率达到 0 4 3 m i n , 提 高了 1 2 6 3 , 此时再增大输 入功率 到 9 0 0 W m , 温 升速率 提高了 1 9 4 7 。 从温升速率 的整体变化情况来看 , 温升速 率的增长速度随着输入功率的提高基本保持一致。 在实际工 程应用中, 可根据经济 f生 和具体 情况选用合适的输入功率。 ( 2 ) 不 同导 电混凝土厚度
15、下 的有 限元分 析。 为 了研究 导 电混凝土层厚度对导 电混凝土层上表面温升规律 的影 响 , 因此设计 了 3 种导 电混凝土层 的厚度 , 分别为 4 0 、 6 0 、 8 0 ml n 。 建立的有 限元模型 中包含导 电混凝土层、 保温混凝 土层和普通混凝土层 , 输入功率均为 5 0 0 W m2 o 在不 同导电 混凝土厚度下对导 电混凝土上表面温升规律 的数值模拟 计算结果列于表 4 。 表 4 不同导电混凝土厚度下的温升规律 由表 4 可知 , 随着导 电混凝土厚度 的增 大 , 导 电混凝 土上表面温度达到 0所需 的时间逐渐增大 , 温升速率逐 渐减小。 这主要是因为
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- 碳纤维 导电 混凝土 电热 性能 有限元分析 试验 研究
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