碳纤维导电混凝土在路面结构中的应用研究

论文摘要

在我国北方的寒冷地区,冬季降雪、路面冰冻是导致交通事故和影响道路使用寿命的重要原因。相对于传统的化学除雪和机械除雪等道路除冰雪方法,利用碳纤维导电混凝土的电热性能使路面的积雪或积冰融化是一种可行且环保的方法。本文拟在前人的研究基础上,研究以PCC（水泥混凝土）+AC（沥青混凝土）复合式路面为基础,采用高强全轻混凝土做保温层的碳纤维导电混凝土在道路、桥梁、隧道以及人行道路面结构中的应用。首先制作了各结构层的材料,组合后进行升温试验、冰柜除冰试验及全轻混凝土的保温效果试验,记录试验过程中各层的温度变化和电热层的电阻率变化加以分析。探索在实际路用工程中合适的碳纤维掺量和电热除冰雪效果。最后利用ANSYS有限元软件模拟在环境迅速降温时电热混凝土通电工作给路面温度场带来的改善。试验表明:水泥、沙、石的比例为1:1:2,PAN基短切碳纤维掺量为配比水泥质量的6.0%时,混凝土综合性能最好;使用密度800级的碎石型页岩陶粒与陶砂,可以制作出满足路用性能且导热系数只有0.44（W/m·℃）的全轻保温混凝土,仅为普通混凝土的1/4;将材料进行结构组合后的升温试验中通电约30分钟时沥青层表面开始升温,经过300分钟最终升高24℃,升温效果明显;除冰试验中500分钟后可以完全溶化初始温度-16℃,厚度1.5cm冰块,具有除冰效果;试验中全轻混凝土保温层的设置,相对于普通混凝土垫层,使电热混凝土与全轻混凝土之间的温度增加了8℃,沥青表面温度提高了6℃,保温效果明显;在人行道中的应用试验中,大理石表面温度经过5个小时的升温,升高了35℃,升温效果较好。采用ANSYS有限元分析软件进行分析发现:如采用降温前预加热的措施,甚至可以改变环境降温时沥青表面温度的下降过程,始终保持上升状态维持在0℃。本文的研究一切从工程实际出发,目的是为了拓宽电热混凝土在道路工程中的应用领域,为碳纤维电热混凝土最终在工程实际中应用进行实验性探索。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 冰雪给我国交通带来的影响
• 1.1.2 当前国内外道路除冰雪的主要方法
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国外电热混凝土研究现状
• 1.2.2 国内电热混凝土研究现状
• 1.2.3 当前国内外研究的缺陷
• 1.3 本文的研究内容、方法及优势
• 1.4 本章小结
• 2 电热试验各结构层的制备方法
• 2.1 改性沥青混合料SMA-13的制备
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 原材料、设备及制作
• 2.1.3 路用性能试验
• 2.2 电热混凝土的制备
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 原材料、设备及制作
• 2.2.3 力学性能及导电性能试验实验
• 2.3 全轻保温混凝土的制备
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 原材料、设备及制作
• 2.3.3 力学性能试验
• 2.4 本章小结
• 3 电热原理及组合结构的电热试验
• 3.1 碳纤维电热混凝土的电热原理
• 3.1.1 导电机理
• 3.1.2 产热机理
• 3.2 模拟的路面结构层组合方式
• 3.3 试验结构组合
• 3.4 升温试验所用主要仪器
• 3.5 试验过程及结果分析
• 3.5.1 电热混凝土在复合式路面结构中的应用试验
• 3.5.2 电热混凝土在人行道结构中的应用试验
• 3.6 本章小结
• 4 对路面温度场改善的有限元分析
• 4.1 有限元软件ANSYS介绍
• 4.1.1 ANSYS传热分析的特点
• 4.1.2 ANSYS传热分析的计算原理与方法
• 4.2 计算模型的建立及验证
• 4.2.1 建模步骤及相关参数
• 4.2.2 模型的验证
• 4.3 对降温时路面温度场的模拟
• 4.3.1 模拟外界急剧降温时的温度变化
• 4.3.2 模拟表面温度基本不变，且电热层持续工作时的温度变化
• 4.3.3 模拟外界急剧降温，且电热层持续工作时的温度变化
• 4.3.4 模拟采用预加热措施时的温度变化
• 4.3.5 对理论计算结果的综合分析
• 4.4 本章小结
• 5 电热混凝土工程应用的探讨
• 5.1 电热混凝土铺筑前的准备工作
• 5.2 电热混凝土板的铺筑方法
• 5.3 电极间距和布置方法
• 5.4 温度测量与控制系统
• 5.5 建造及运营成本分析
• 5.6 本章小结
• 6 主要结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献