用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土研究现状

用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土研究现状

【摘要】目前广泛使用的融雪剂化雪方法不仅对路面及设施造成损害，而且破坏环境。文章对目前用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土的研究现状进行了综述,从应用材料、融雪化冰机理、外部环境的影响等方面进行了分析,提出了实际应用中还需解决的问题,为今后的进一步研究奠定了基础。

【关键词】导电混凝土；公路桥梁；融雪除冰

0.引言

如何有效地解决公路冰雪天不封路或少封路，避免交通事故或少出交通事故，形成良好的安全管理模式，己成为交通管理部门的重要工作之一。如何及时清除冰雪，保证城市生命线的畅通，把损失降到最低限度，也是政府及城市管理部门的重要课题。因此在一些重要场合如高速公路以及城市环路坡道、大桥桥面、机场跑道等采取融雪化冰措施具有非常重要的现实意义。

1.国内外研究现状

目前国内外常用的融雪化冰方法包括清除法和融化法。清除法又可分为人工清除法和机械清除法两种;融化法包括化学融化法和热融化法。

1.1清除法

人工清除法即通过人工的方法清除积雪。该法对积雪清除较彻底，但效率低、费用高、

影响交通通行及行车安全、且不能长时间作业，主要适用于小雪及重难点路段的积雪清除，且这种方法是被动方式操作，具有滞后性。

采用机械设备铲雪(机械车辆铲、推以及扫等)设备效率高，适合于大面积机械化清除作业。这种情况虽然铲除了路面上的大量积雪，但当气温较低时，由于冰与路面之间的粘结力较大，单独使用机械除雪效果并不好，对冰面清除不彻底，国内生产的铲雪机功能单一，设备利用率较低，国外综合性的除雪机械价格昂贵，维修保养费用高;铲雪需要大量的人力、物力和设备，且属于被动式滞后操作，需要一定时间才能使交通恢复正常;除雪机械受季节影响较强，使用频率低，经济效益较差。

1.2融化法

1.2.1化学融雪法是通过在路面上撒布化学药剂使冰雪融化，目前世界各国主要通过撒盐来融雪化冰。这一方法是利用盐降低冰雪的融点，使积雪融化，通常适合路面积雪厚度较小，环境温度较高的地域。

1.2.2热融雪法是采用加热的方法使冰雪融化，如地热管法、红外线灯照加热法、电热丝法、流体加热法、导电混凝土法等。本文将重点介绍导电混凝土法。

2.导电混凝土的研究现状

导电混凝土是一种新型的特种功能混凝土，是在普通混凝土中添加一定含量的导电组分材料而制成的一种新型水泥基复合材料。

2.1导电混凝土材料的研究

导电混凝土要求在满足工程强度的基础上，具有良好的导电性及稳定性。其主要性能指标包括强度、电导率或电阻率以及满足一些特殊性能要求的干缩性、导热性、耐久性等。当前，常用于制作水泥基复合导电材料的导电组份基本可分为三类：聚合物类、炭类和金属类。其中，最常用的是炭类,如石墨粉、焦碳、碳纤维、钢纤维及钢屑。石墨、炭黑和焦炭等常用做导电相细骨料。

石墨是一种较易获取的无机材料，它不仅具有良好的导电性、导热性，而且有良好的化学惰性。研究表明，粉末状石墨的长径比小，在水泥混凝土内难以形成相互连通的导电网络，必须掺加较高含量才能使混凝土具有良好的导电性，这将使混凝土的强度大幅度降低。因此，石墨导电混凝土只适合用于对强度要求不高的领域。

相对而言，焦炭则具有电阻率小、质量轻、价廉等优点，它虽然有一定的孔隙率和吸水性，但吸水率稳定，且吸水后体积不膨胀，是一种理想导电相，但其自身强度较低。

钢纤维具有阻滞基体混凝土裂缝开展的能力，在混凝土中掺入体积含量为1%~2%的钢纤维，将使混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善。钢纤维同时还具有良好的导电性，在混凝土中掺入一定含量的钢纤维，也可以提高混凝土的导电能力。因此钢纤维混凝土在建筑、公路路面、桥梁、隧道、水工等工程中得到越来越广泛的应用。

碳纤维是20世纪50年代~60年代发展起来的纤维状材料，具有比模量高、室温下耐腐蚀性好、空气中耐氧化、耐高温、导电、传热和热膨胀系数小等诸多优点，已广泛应用于航天、航空、交通、化工、文体器材及建筑材料等领域。研究表明，短切碳纤维是制备路面除冰用导电混凝土的一种理想的导电组分。

2.2导电混凝土融雪化冰机理及其实验的研究

碳纤维导电混凝土涂层，当电源连通后，导电混凝土产生热量,温度升高，并通过混凝土与冰的接触面向上传导。冰吸收热量后温度逐渐升高，当温度达到0℃时，冰开始融化。在冰融化的过程中，温度保持0℃不变，直到冰全部融化成水。在忽略热量损失的条件下，由能量守恒定律知，碳纤维混凝土通电所产生的热量，应等于混凝土升温的蓄热量、冰升温吸收的热量和冰融化成水吸收的热量之和。由能量守恒定律可得，碳纤维混凝土通电所产生的热量应相等。显然，只要知道碳纤维导电混凝土涂层的厚度、面积、温度；冰的厚度、温度；化冰所需的时间限制，即可求出所需的发热功率P。冰的温度越低,所需要的功率越大；冰的厚度越大；所需要的功率越大。

2.3外部环境对导电混凝土融雪化冰效果影响的研究

导电混凝土在发热融雪化冰时会受到外部环境的影响。通过实验分析从无风到六级风的情况，得到了输入功率与化冰时间的关系。从分析结果看出，当风力为无风、1级、2级时相差不大。当输入功率较大时，如为1 000 W/m2，七种风级所需的化冰时间相差最小，而当输入功率较小，如400 W/m2时，七种风级所需的化冰时间相差最大。这是因为功率较小时,本身化冰所需的时间就长，在这样一个相对较长的时间内被风带走的能量就越多，所以最后所需的化冰时间将比无风时多很多。因此在设计导电混凝土融雪化冰系统时应充分考虑到风力的影响。

从对有无隔热层的研究可以看出，当输入功率较低时，有、无隔热层所需的化冰时间相差较大，当输入功率较高时，这种差别变小。比如当输入功率为1 000 W/m2时，无隔热层所需化冰时间约为有隔热层时的2倍；当输入功率只有400 W/m2时，无隔热层所需化冰时间约为有隔热层时的3倍。因此，设计导电混凝土时需要考虑隔热层的影响。

3.结论与展望

目前，对发热混凝土尤其是碳纤维混凝土的研究较多，对其使用材料、融雪化冰机理、外部影响因素、导电混凝土板的制作都作了很多研究。但是很多研究都是以小面积或小块混凝土板为研究对象，导电层的铺设和电极的制作、安置比较容易实现。而实际应用中，道路、桥梁路面都是狭长带状的大面积混凝土，整个工作比较复杂。在如何铺设导电混凝土覆层,电极的制作和安置，电极安置间距的确定，导线连接的方式与铺设上会遇到实际困难，这些都是需要进一步研究的问题。鉴于存在的问题，有必要对导电混凝土在道路、桥梁上的实际应用进行深入地讨论与研究。最好是能通过利用一段试验路面来进行这几方面的研究，通过实地观察与实验取得详细可靠的研究数据和资料。■