自动融雪除冰碳纤维混凝土机场道面裂缝对导电稳定性的影响与测试方法研究

Carbon fiber reinforced concrete (CFRC) is the ideal heating media for automatic snow-ice melting in concrete airport pavement. The electrical conductivity stability of CFRC directly determines the effect of snow-ice melting, which is crucial for safety during planes takeoff and landing under the abominable climatic conditions such as blizzard and freezing climatic. Airport pavement belongs among large areas concrete structure of thin layer. The influence on electrical conductivity stability of crack of carbon fiber reinforced concrete is not clear and there is no test method, which seriously restrict the application of CFRC for snow-ice melting. But few studies have paid any attention to this research direction. Based on the characteristic of crack, this research project presents test method for the influence on electrical conductivity stability of crack (different length, width, depth, area) of carbon fiber reinforced concrete and shows the influencing law. This research project also puts forward the influence control measures to control the crack and ensure the effect of snow-ice melting without affecting electrical conductivity stability. It provides theoretical and practical foundation for automatic snow-ice melting in airport pavement of China. Therefore this research project has the important theoretical significance and engineering practical value.

碳纤维混凝土作为自动融雪除冰机场道面的理想加热介质，其导电稳定性直接决定自动融雪除冰的效果，对持续暴雪冰冻恶劣气候条件下飞机起降安全至关重要。但机场道面属于大面积薄层混凝土结构，其裂缝对碳纤维混凝土的导电稳定性的影响尚不明确且无评价测试方法，很大程度上制约了碳纤维混凝土在机场道面自动融雪除冰中的应用，国内外在该方向的研究基本空白。本项目针对机场道面裂缝特点出发，结合已有研究基础，创新建立机场道面裂缝扩展状态(裂缝长宽、深度、面积及条数等)对碳纤维混凝土温敏性与电热效应等导电稳定性影响的测试方法，揭示其重要影响因素与规律，进而提出机场道面裂缝对导电稳定性影响的控制措施，在不影响碳纤维混凝土导电稳定性前提下，将其开裂控制在可控范围之内，从而保证碳纤维混凝土机场道面融雪除冰效果，为实现我国机场道面碳纤维混凝土自动融雪除冰奠定理论与试验基础。项目研究具有较强的理论意义和实际应用价值。

混凝土裂缝极大制约了碳纤维导电混凝土在机场等自动融雪除冰领域中的发展与应用。本项目从材料、方法、规律三个方面开展研究：首先基于我国机场道面设计和施工要求，研制了适合机场大规模应用的碳纤维导电混凝土材料和制备工艺；然后创新发明了裂缝对碳纤维混凝土电热性能影响的测试方法，并开发了测试仪。该方法能有效地量化碳纤维混凝土的裂缝状态，并且能够测试指定裂缝条件下碳纤维混凝土的电热性能；在此基础上，对裂缝长度、宽度、深度以及对比裂缝干湿条件对碳纤维混凝土导电性以及电热稳定性的影响规律进行了分析。研究首次发现在一定条件下，碳纤维导电混凝土存在有效导电临界裂缝宽度，即当裂缝宽度必须控制在有效导电临界裂缝宽度以内，才能保证材料内部的导电网络的连贯性和有效性。同时研究还表明，裂缝对碳纤维混凝土电热效应造成的主要影响是由于裂缝的存在与扩展，使得碳纤维混凝土的发热效果趋于不均匀性。输入相同的功率情况下，随着裂缝扩展，更多的热量在裂缝处聚集，未开裂部分的碳纤维混凝土的热功率则趋于减小，导致裂缝过量升温，同时未开裂处升温不充分。通过对大量不同裂缝状态下碳纤维混凝土电热性试验数据的分析，带裂缝碳纤维混凝土的电阻会随着通电时间加长而逐渐上升。通过进一步对裂缝浸水状态下导电稳定性影响的研究发现，裂缝浸水相较裂缝干燥情况，有效导电临界宽度延缓出现，但也呈现出裂缝宽度变大，导电稳定性下降的规律。本项目为实现碳纤维导电混凝土混凝土材料在融雪除冰领域的应用奠定了理论与试验基础。