碳纤维导电混凝土电热性能的有限元分析及试验研究.pdf

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 ) 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 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 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 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 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 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 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 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 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 ， 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 。 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。 这主要是因为在相 同的输人功率条件下 ， 导 电混凝 土层越厚 ， 单位体积 的热生成率越小 ， 因此其上表面达到 0时所需时间增大 ， 即温升速率减小 。 ( 3 ) 有无保温混凝土时 的有限元分析 。 为了分析保温 混凝土对导 电混凝土上表面温升规律的影响 ， 在 A NS Y S 分 析 中对有保温混凝土和无保温混凝土分别作温度场的有 限元分析 ， 并且在输人功率为 3 0 0 、 5 0 0 、 7 0 0 、 9 0 0 W m 2 时分 别对有无保温混凝土进行分析 ， 分析结果列于 5 。 由表 5 可知 ， 在输入功率为 3 0 0 W m ， 有保 温混凝土 时 ， 导 电混凝土上表面温度达到 0需要 5 3 mi n ， 而无保 温混凝土时需要 7 5 mi n ， 温 升速率降低 了 3 1 6 。 无保 温 混凝土与有保温混凝土时相 比， 随着输人功率的增大 ， 导电 混凝土上表 面温升速率 降低的百分比逐渐减小。 尤其是当 输入功率为 9 0 0 W m 时 ， 无保温混凝土时导电混凝 土上表 面温升速率仅 比有保温混凝土时降低 了 5 4 。 由此表明 ， 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 。 2试 验研 究 2 1试 验 概 况 试验采用短切碳纤维 ， 碳纤维 的性能参数见表 6 。 试验采用 P O4 2 5 级水泥 、 河砂 、 碎石 、 水 、 减水剂 。 为 了提高碳纤维在混凝土基体中的分散性， 制作时加入分散 剂 ， 此外 由于碳纤维 的加入 ， 在搅 拌混凝 土时会 产生大量 表 5有 无保 温混凝 土 下的温 升规 律 功率 ( w m ： ) 保温混凝土 时间 min温升速率 ( C mi n )降低 气泡 ， 因此制作 时需要加入一定量 的消泡剂 ， 从而保证碳 纤维导 电混凝土的强度。 将碳纤维导电混凝土料倒入木模板中， 在平板振动台 上振捣 密实后抹平 ， 放人标准养护室 内养护 2 8 d 。 制作的 试件平面尺寸为 4 0 0 m mx 4 0 0 n l r r l ， 厚度为 4 0 n l l ， 如 图 4 所示 。 需要说 明的是 ， 在试件制作过程中 ， 在垂直于地面的 试件两侧需预置打孔的不锈钢片作为电极 。 由于试验 中经 过电极的电流会 比较大 ， 因此 ， 电极采用不锈钢的螺杆 、 螺 母与垫片与粗导线连接。 图 4导 电混凝 土试件 试验设备采用2 5 0 V 2 0 A交流 电源 ， 数字万用表以及 数字温度表 。 2 2 电热性能试验研 究 2 2 1 不同输入功率下的试验结果与有限元结果 试验和有限元 中均无绝热或保温层 ， 在试验 中直接将 导 电混凝土板置于地面 ， 在有 限元模 型中导电混凝土板的 各 面均 与空气发生热交换 。 此外 ， 为保证试 验过程 中环境 的一致性 ， 试验在室 内环境下进行 。 输入功率分别为 3 0 0 、 5 0 0 、 7 0 0 W m ， 相应 的室 内温度分别为 2 2 9 、 2 3 4 、 2 4 7 ( 在试验过程中室温有 0 2的变动 ， 可视 为保持不变 ) 。 在不同的输入功率下 ， 导电混凝土上表面温升规律 的试验 结果和有限元分析结果如图 5所示 。 由图 5 可知 ，除了输入功率 为 7 0 0 W mz 时的开始 阶 段外 ， 试验结果均与有 限元分析结果相差 不大。 对 于在输 入功率为 7 0 0 W m 时前 7 0 m i n 的时间段 中试验结果高于 有 限元分析结果 的现象 ， 这是因为在较大 的输入功率下 ， 导 电混凝土 内部蓄热迅速增多 ， 但混凝土的内部蓄热需要 - 65 +3 0 0 W m 试验结果 3 0 0 W m 有限元结 果 +5 0 0 W m 试验结果 时 l 司 mi n 图 5 不同输入功率下温升规律的试验结果与有限元分析结果 经过一定的时间才能与空气完成热交换 ， 此时就会使试验 结果高于有限元分析结果 。 由图 5 还可知 ， 在输入功率分别为 3 0 0 、 5 0 0 W m 时 ， 经过 1 2 0 mi n的升温 ， 导电混凝土上表面中心温度分别达 到 2 9 7 、 3 3 4 ， 比有 限元分析结果仅低 了 0 3 、 0 2 ， 吻 合 良好。 在输入功率为 7 0 0 W m 2 时， 经过 1 2 0 m i n的升温 ， 导电混凝土上表面中心温度分别达到 4 1 1 ， 比有限元分 析结果低 了 2 _ 3， 就温升速率而言 ， 试验结果 比有限元分 析结果低了 1 2 4 ， 吻合 较好 。 这主要是因为在有限元分 析中， 导电混凝土底面假定为与空气接触 ， 而在试验中， 导 电混凝土底 面与地面 的接触包含混凝土与地面之间和混 凝土与空气之间两种接触 ， 并且混凝 土与地面的接触将会 散失更多的热量。 此外， 从整体来看， 无论是有限元分析结 果还是试验结果 ， 随着输入功率的增大 ， 导电混凝土上表 面温升速率增大， 并且试验值与有限元分析值吻合良好。 2 2 2 有无隔热层时的试验结果与有限元结果 在试验 中， 导电混凝 土置于木模板 中， 此时木模具相 当于隔热层 ； 在有限元模型 中， 设置导 电混凝 土侧 面和底 面不与外界发生热量交换来实现隔热层 的布置 。 试验在室 内环境下进行 ， 在输入功率分别 为 3 0 0 、 7 0 0 W m： 时 ， 室温 分别为 2 4 2 、 2 4 9( 在试验过程中室温有 0 2的变动 ， 可视为保持不变 ) 。 有隔热层和无 隔热层时导 电混凝土上表 面温升规律的试验结果与有限元分析结果如图 6 所示。 蠢茎40 一 时 间 rai n 图 6 有无隔热层时温升规律的试验结果与有限元分析结果 由图 6 可知 ， 输入功率为 3 0 0 w m 时 ， 经过 1 2 0 mi n的 6 6 升温 ， 无隔热层时导 电混凝土上表 面中心温度的试验结果 从 2 4 4升高到 3 1 1 ， 而有隔热层 时从 2 4 4升高到 3 6 7 ， 比无隔热层时高出了 5 6 ， 温升速率提高了 8 3 6 。 增大输入功率到 7 0 0 W m ， 经过 1 2 0 mi n的升温 ， 无隔热层 时导电混凝土上表面中心温度的试验结果从 2 5 2 升高到 4 1 4， 而有隔热层时从 2 5 _ 2 升高到 4 8 6 ， 比无隔热层 时高出 7 2， 温升速率提高了 4 4 4 。 因此 ， 隔热层的布置 能显著提高导电混凝土上表面的温升速率 ， 并且随着输入 功率的增大 ， 温升速率的提高幅度有下降的趋势。 由图 6 还可知 ， 输入功率为 3 0 0 W m z 时 ， 经过 1 2 0 m i n 的升温 ， 无隔热层时导电混凝土上表面中心温度 的有 限元 分析结果从 2 4 4升高到 3 1 4 6， 有隔热层时从 2 4 4 升高到 3 8 5 7， 分别 比试 验结果 高 0 3 6 、 1 8 7， 吻合很 好。 当输入功率增大到 7 0 0 w m 2 ， 经过 1 2 0 m i n的升温 ， 无隔 热层时导电混凝土上表面中心温度的有限元结果从 2 5 -2 升高到 4 3 6 6 ， 而有隔热层时从 2 5 _2 升高到 5 2 0 6 ， 分 别比试验结果高 2 2 6 、 3 4 6 ， 吻合 良好。 在两种输入功率情 况下 ， 有隔热层时的有限元结果与试验结果的差值均比无隔 热层时大， 这主要是因为在试验过程中将木模板充当了绝热 层 ， 但导电混凝土与木模板之间也会发生一定的热交换所致 。 3结 论 ( 1 ) 由有限元分析可知 ， 随着输入功率的增大 ， 导 电混 凝土上表面达到 0所需的时问缩短 ， 温升速率增大。 ( 2 ) 根据有限元分析数据 ， 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所需时间逐渐增 大 ， 温升速率逐渐减小。 ( 3 ) 有 限元分析表明 ， 保温混凝土 可以使 导电混凝 土 上表面的温升速率加快。 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 。 ( 4 ) 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 限元分析数据吻合 良好。 参考文献 ： 1 】 侯作富 融雪化冰用碳纤维导电混凝土的研制及应用研究 武 汉 ： 武汉理工大学， 2 0 0 3 【 2 】洪乃丰撒盐融化冰雪的利弊与趋势分析 J J_ 工业建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 7 ) ： 8 2 8 4 3 沈刚， 董发勤 石墨导电混凝土的研究 混凝土， 2 0 H0 8 ( 2 ) ： 2 1 2 5 4 】XI E P i n g ， GU P i n g ， B EA DO I N J J E l e c t r i c a l p e r c o l a t i o n i n c e me n t c o mp o s i t e s c o n t a i n i n g c o n d u c t i v e f i b e r s J J o u rna l o f Ma t e r i a l s S c i e n e e ， 1 9 9 6 ， 3 1 ( 1 5 ) ： 4 0 9 3 4 0 9 7 【 5 】YE HI A S ， T UA N C Y， F E RD ON D， e t a 1 C o n d u c t i v e c o n c r e t e o v e d a y f o r b r i d g e d e c k de i c i “ g ： mi x t u r e p r o po rti o ni n g， o p t i mi z a t i o n， a n d P r o p e r t i e s J A C I M a t e r i a l s J o u r n al， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 2 ) ： 1 7 2 1 8 1 【 6 】 缪小平 ， 訾冬毅 ， 范良凯 碳纤维导电混凝土在机场道面的应用 研究 J 1 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 4 1 4 5 7 】 刘照球 混凝土结构表面对流换热研究 D 1 上海： 同济大学， 2 0 0 6 作者简介 联 系地址 联系电话 邓宗才( 1 9 6 1 一 ) ， 男 ， 教授， 研究万向 ： 主要从事智能混 凝土结构 、 土木工程材料与结构的研究。 北京市朝阳区平乐园 1 0 0 号 北京工业大学( 1 0 0 1 2 4 ) 1 31 61 0 31 91 0