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石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土融雪及有限元模拟
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摘要
冬季冰雪严重影响了机场跑道、道路和桥梁的畅通,给人民生产生活带来巨大影响。传统的融雪化冰方法存在各种弊端,导电混凝土法是一种新型的环保、高效的方法。GSIFCON是一种水泥基复合材料,是在水泥砂浆基础上加入钢纤维、石墨和阻锈剂等组成的复相导电混凝土。本文在前人研究的基础上,对GSIFCON板电阻稳定、电热升温、冬季室外融雪进行了实验研究,同时根据传热学理论和材料参数,建立有限元模型进行了融雪实验模拟。本文的研究内容主要包括以下几个方面:
     1.通过对GSIFCON板在不同功率下多次通电实验,得出了GSIFCON在不同温度条件下的电阻变化规律;同时实验研究发现融雪实验前后,GSIFCON电阻率保持很好的稳定性。
     2.对GSIFCON板进行了交流升温实验,根据实验测得数据计算出电阻及电阻率。实验表明,在100W/m~2-300W/m~2的功率下板表面温度每小时可以升温6℃左右,说明了GSIFCON有着很好的电热效果。同时理论分析了PTC(正温度系数)效应和NTC(负温度系数)效应对GSIFCON板在升温过程的影响。
     3.用GSIFCON板进行了两次融雪实验,取得了较好的融雪效果,表明GSIFCON是一种很好的电热材料,可满足冬季融雪要求。
     4.根据传热学理论,确定了融雪模型传热边界条件;通过计算确定了GSIFCON材料相关参数。
     5.在以上工作的基础上,建立了融雪有限元模型,通过数值模拟计算得出了融雪过程中的温度场分布,并与实际实验结果进行了对比分析。
Ice and snow in winter make airport pavement,road and bridge can't flow freely,which are of much impact on production and living of people.There were various defects existing in conventional methods to deicing and snow-melting.The method of conductive concrete is new ,environmental and efficient. GSIFCON is one kind of cement based composites, which is diphase conductive concrete composed of cement mortar, steel fibre,graphite, the rust inhibit and so on.This paper studies resistance stabilization of GSIFCON slab,electroheat,outdoors snow melting in winter based on previous research.And finite element model is founded to simulate snow melting with heat transfer theory and parameter of material.The contents of this paper mainly include the several aspects:
     1.After a series of electrify experiments on GSIFCON slab with various power, the rules of resistance variation are found on various condition of temperature.At the same time it is concluded that resistivity of GSIFCON remain unchanged before and after snow melting based on research of experiments.
     2.Resistance and resistivity are worked out with data measured by experiments,which used alternating current for temperature rising. Experiments showed that surface temperature of slab can rise up to 6℃per hour under the power which ranges from 100 W/m~2 to 300 W/m~2.It indicates that GSIFCON is of perfect electrothermal effect. At the same time it was made sure how PTC (the positive temperature coefficient) effect and NTC (the negative temperature coefficient) effect affect GSIFCON during the process of temperature rising by theoretical analysis.
     3. Experiments of snow melting were carried out twice by GSIFCON slab,and snow was melt fine. It indicates that GSIFCON is a kind of fine electrothermal material.It can meet the requirement of snow melting in winter.
     4.Heat transfer boundary condition of snow melting model was made certain by heat transfer theory. Parameter of GSIFCON was also worked out.
     5.Finite model of snow melting is founded based on previous research.The distributing of temperature field was worked out by numerical simulation,and comparison was made with practical experiment of snow melting.
引文
[1]陈德明,管永良.国外导电混凝土的研究和应用.混凝土,1991(3):19-23.
    [2]周浩,陈隆道.导电混凝土及其应用.混凝土与水泥制品,1992,4:12-13.
    [3]蒋正武,孙振平,王新友.导电混凝土技术.混凝土,2000(9):55-58.
    [4]李文刚,刘乐平.导电混凝土研究现状.油气田地面工程,2006,25(7):47.
    [5]Sun Mingqing,Li Zhuoqiu,Mao qizhao,et al.Study on the hole conduction phenomenon in carbon fiber reinforced concrete.Cement and Concrete Research,1998,28(4):549-553.
    [6]Whittingtong H W,McCarter J,Forde M C.The Conduction of Electricity Through Concrete.Magazine of Concrete Research,1981,33(114):48-60.
    [7]Sherif Yehia,Christopher Y.Tuan,David,et al.Conductive Concrete Overlay for Bridge Deck Deicing:Mixture Proportioning,Optimization,and Properties.ACI Materials Journal,2000,97(2):172-181.
    [8]Xie Ping,Gu Ping,Beaudoin J J.Electrical Percolation Phenomenain Cement Composims Containing Conductive Fibres.Journal of Materials Science,1996,31(15):4093-4097.
    [9]雀部博之.导电高分子材料.北京:科学出版社,1989.
    [10]唐祖全,钱觉时,杨再富.导电混凝土研究进展.重庆建筑大学学报,2006,28(6):135-139.
    [11]沈刚,董发勤.导电混凝土及其发展趋势.工业建筑,2004,(34)3:62-64.
    [12]蒋正武,孙振平,王新友.导电混凝土技术.混凝土.2000:131(9):55-58.
    [13]黄园园.石墨砂浆渗浇钢纤维混凝土导电性能影响因素的研究:(硕士学位论文).大连:大连理工大学,2007.
    [14]周永祥,冷发光,何更新,纪宪坤.导电混凝土技术综述.中国建材科技,2009(1):42-49.
    [15]Fu Xuli,Chuang D.D.L.Self-monitoring of fatigue damage in Carbon fiber reinforced cement.Cem Concr Res,1996,26(1):15-20.
    [16]龙曦,孙明清,李卓球等.纳米炭黑水泥基复合材料的压敏性研究.武汉理工大学学报,2008,30(3):57-59.
    [17]王建军,宋显辉,李卓球.碳纤维水泥基复合材料压敏性应用研究.华中科技大学学报(自然科学版),2007,35(3):100-103.
    [18]郑立霞,宋显辉,李卓球.CFRC材料在准三向受压情况下的压敏性研究.硅酸盐通报,2004(4):40-43.
    [19]Tang zuquan,Li Zhuoqiu,Xu Dongliang.Influence of carbon fiber contents on the temperature sensibility of CFRC road material.Journal of Wuhan University of Technology.Mater.Sci.Ed.2002,17(3):75-77.
    [20]孙明清,李卓球,沈大荣.碳纤维水泥基复合材料的Seebeck效应.材料研究学报,1998,12(1):111-112.
    [21]Sun Mingqing,Li Zhuoqiu,Maoqizhao,et al.Study on the hole conduction phenomenon in carbon fiber reinforced concrete.Cement and Concrete Research,1998,28(4):549-553.
    [22]郑立霞,宋显辉,李卓球.碳纤维增强水泥压敏效应和温敏效应的解耦.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2004,28(4):533-535.
    [23]姚武,王婷婷.碳纤维水泥基材料的温阻效应及其测试方法.同济大学学报(自然科学版),2007,35(4):511--514.
    [24]吴科如,陈兵,姚武.碳纤维机敏水泥基材料性能研究.同济大学学报,2002,30(4):456-463.
    [25]龚振球.基于碳纤维水泥砂浆压敏性的交通监测系统研究:(硕士学位论文).汕头:汕头大学,2007.
    [26]韦文兵.基于碳纤维混凝土(粗骨料)压敏性的交通测速系统研究:(硕士学位论文).汕头:汕头大学,2003.
    [27]程庆国,徐蕴贤,卢祖文.钢纤维混凝土的应用及前景.中国铁路,1998(6):1-5.
    [28]赵国藩,彭少民,黄承逵.钢纤维混凝土结构.北京:中国建筑工业出版社,1999.
    [29]沈刚,董发勤.石墨导电混凝土的研究.混凝土,2004(2):21-24.
    [30]李仁福,戴成琴,于纪寿等.导电混凝土采暖地面.混凝土,1998(1):47-48.
    [31]吴献,李秀梅,吴勃,刘之洋.石墨混凝土导电性能的试验研究.建筑技术开发,2004,31(10):56-58.
    [32]吴献,秦桂娟,刘之洋.石墨混凝土电导率-应变与割线模量-应变关系.沈阳建筑大学学报(自然科学版),2006,22(2):248-251.
    [33]王燕锋.碳纤维/纳米碳黑复合材料的力学和电学性能研究:(硕士学位论文).汕头:汕头大学,2007.
    [34]Sherif Yehia,Christopher Y Tuan.Conductive Concrete Overlay for Bridge Deck Deicing.ACI Materials Joumal,1999,96(3):382-390.
    [35]Sherif Yehia,Christopher.Y Tuan.Conductive Concrete Overlay for Bridge Deck Deicing.ACI Materials Joumal,1999,96(3):382-390.
    [36]Christopher Y Tuan,Sherif Yehia.Evaluation of Electrically Conductive Concrete Containing Carbon Products for Deicing.ACI Material Journal,2004,101(4):287-293.
    [37]沈刚,董发勤.复相导电混凝土的研究.混凝土与水泥制品,2003(6),38-40.
    [38]呼素娟.渗浇纤维混凝土SIFCON导电性能研究:(硕士学位论文).大连:大连理工大学,2005.
    [39]呼素娟.砂浆渗浇钢纤维混凝土(SIFCON).结构工程师,2004增刊:158-161.
    [40]孙维才.石墨砂浆渗浇钢纤维混凝土的机敏性能研究:(硕士学位论文).大连:大连理工大学,2006.
    [41]洪雷,孙维才.石墨砂浆渗浇钢纤维混凝土的导电性能及机敏性能研究.混凝土,2006(11):16-19.
    [42]黄园园.石墨砂浆渗浇钢纤维混凝土导电性能影响因素的研究:(硕士学位论文).大连:大连理工大学,2007.
    [43]洪雷,黄园园.复合阻锈剂对改性渗浇钢纤维混凝土导电性能的影响研究.混凝土,2008(2),79-81.
    [44]洪雷,张健.石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土板融雪试验研究.建筑材料学报,2009,12(1):96-100.
    [45]张健.石墨砂浆注浆钢纤维混凝土融雪化冰研究:(硕士学位论文).大连:大连理工大学,2008.
    [46]管数园.电缆加热系统进行融雪的数值分析研究:(硕士学位论文).上海:上海交通大学,2008.
    [47]车广杰.碳纤维发热线用于路面融雪化冰的技术研究:(硕士学位论文).大连:大连理工大学,2008.
    [48]Bienert W.B.,Pravda H.J.,David A.Wolf.Snow and Ice Removal from Pavements Using Stored Earth Energy.Washington,D.C.-Federal Highway administration,May 31,1974:75-76.
    [49]Ferrara A.A.,R.Haslett.Prevention of Preferential Bridge Icing Using heat pipes.Washington D.C.Federal Highway Administration,July 1975,FHWA-RD-75-111.
    [50]Long D.C.,J.S.Baldwin.Snow and Ice Removal from Pavement Using Stored Earth Energy-Federal Highway Administration,FHWA-TS-84-227,1980,78.
    [51]高一平.利用太阳能的路面融雪系统.国外公路,1997,8:53-55.
    [52]李仁福,戴成琴,于纪寿等.导电混凝土采暖地面.混凝土,1998(1):47-48.
    [53]Christopher Y Tuan.Electrically Resistance Heating of Conductive Concrete Containing Steel Fibers and Shavings.ACI Material Journal,2004,101(1):65-71.
    [54]Christopher Y.Tuan,M.ASCE.The Implementation of an Innovative Deicing Technology.J.Cold Reg.Engrg.2008,Volume 22(1):1-15.
    [55]唐祖全,李卓球,钱觉时.碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究.建筑材料学报,2004,7(2):215-220.
    [56]李丹,董发勤,沈刚.钢纤维石墨导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究.新型建筑材料,2004(11),61-64.
    [57]赵国藩,秦明乐.新型高性能纤维混凝土一砂浆渗浇纤维混凝土的发展.纤维混凝土的研究与应用,赵国藩、黄承透主编,大连理工大学出版社,1992.
    [58]沈蒲生.我国钢纤维混凝土技术展望.中南公路工程,1992:200-207.
    [59]曲福进.高性能纤维硅SIFCON静动态特性研究.(博士学位论文),大连理工大学.1995.10.
    [60]D.R.Lankard.Slurry Infiltrated Fiber Concrete(SIFCON).Concrete International.Dec.1984.
    [61]洪雷.水泥基石墨钢纤维复合导电材料制备方法:中国,ZL2005102007576,2005,6.
    [62]洪雷.石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土智能性质研究.(博士学位论文),大连理工大学.2006.
    [63]唐祖全,李卓球,侯作富等.导电混凝土路面材料的性能分析及导电组分选择.混凝土,2002(4):28-31.
    [64]寇建兰,叶得胜.导电高分子材料.江西化工,2000(4):10-13.
    [65]侯作富,李卓球,胡胜良.融雪化冰用碳纤维导电混凝土的电阻率研究.长江大学学报(自然版),2005,2(7):264-266.
    [66]沈烈,徐建文,益小苏.聚乙烯/炭黑/碳纤维复合材料阻温特性.复合材料学报,2001,18(3):19-21.
    [67]杨海,余鸿飞,李曼义.金属PTC陶瓷复合材料结构及其导电机理.压电与生光,1997,19(3):196-200.
    [68]沈刚.多相复合导电致热混凝土的研究.(硕士学位论文),西南科技大学,2004.
    [69]楼浙栋.导电高分子复合材料的PTC/NTC效应研究.(硕士学位论文),浙江大学,2008.
    [70]李培基.中国季节积雪资源的初步评价.地理学报,1988,43(2):108-119.
    [71]陶文铨.传热学.西安:西北工业大学出版社,2006.
    [72]唐祖全,李卓球,侯作富等.导电混凝土电热除冰化雪的功率分析.重庆建筑大学学报,2002,24(3):101-105.
    [73]侯作富.融雪化冰用碳纤维导电混凝土的研制及应用研究:(博士学位论文).武汉:武汉理工大学,2003.
    [74]许彬.结构化网格中冰水相变传热过程的数值计算:(硕士学位论文).南京:南京理工大学,2008.
    [75]郭宽良等.计算传热学.北京:中国科学技术大学出版社,1988.
    [76]李卓球,宋显辉.智能复合材料结构体系.武汉:武汉理工大学出版社,2005.
    [77]侯作富,李卓球,唐祖全.导电混凝土除冰化雪系统输入功率的有限元计算.华中科技大学学报(城市科学版),2002,19(1):82-84.
    [78]刘照球.混凝土结构表面对流换热研究:(硕士学位论文).上海:同济大学,2006.
    [79]陶文铨.数值传热学.西安:西安交通大学出版社,1988.
    [80]唐兴伦.ANSYS工程应用教程热与电磁学篇.北京:中国铁道出版社,2003.
    [81]邢静忠,王永岗等.有限元基础与ANSYS入门.北京:机械工业出版社,2005.
    [82]张国智,胡仁喜等.ANSYS10.0热力学有限元分析实例指导教程.北京:机械工业出版社,2007.

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