详情

原文传递混杂纤维发热格栅力学与电热性能研究

论文题名：	混杂纤维发热格栅力学与电热性能研究
关键词：	道路面层;混杂纤维发热格栅;力学性能;电热性能
摘要：	冬季降雪是常见的自然现象，道路积雪的及时清理对于机场跑道和道路安全至关重要。传统的融雪化冰方法如人工机械除雪、化学融雪法、地热法等存在对人力物力需求较大、除雪滞后、污染环境、受地区限制大等问题，兼具加筋增强和电热效应的混杂纤维发热格栅布设于道路面层进行融雪化冰成为近年来一个重要的研究方向。本文针对目前混杂纤维发热格栅碳纤维保护不足、固化后不易盘卷等问题，通过试验研究选取了一种碳纤维发热芯与格栅基材协同变形一致、绝缘效应良好的混杂纤维发热格栅形式，研究混杂纤维发热格栅增强砂浆/混凝土板力学性能和在实际应用中的升温和化冰效果，并对工程中的实际应用提出了相关建议。本文主要研究内容和结论如下：　　（1）研究了碳纤维发热芯、混杂纤维发热格栅的静力拉伸性能及力阻效应，包括环氧树脂/丁苯胶乳乳液/聚氨酯树脂3种涂层和无捻/有捻2种编织方式共6种CFRP浸胶纱，经/纬向玄武岩纤维格栅，碳纤维发热芯与玄武岩纤维格栅复合的混杂纤维发热格栅，结果表明：聚氨酯树脂有捻CFRP浸胶纱作为碳纤维发热芯与玄武岩纤维格栅复合效果良好，这种混杂纤维发热格栅弹性模量为87GPa，强度利用率达到93.6%，在0~10000με之间电阻变化率保持在1%以内，满足工程应用要求。　　（2）研究了混杂纤维发热格栅增强砂浆/混凝土板力学性能，主要包括：1）界面粘结性能，包括水泥砂浆/混凝土2种基体材料，15mm/30mm/55mm3种埋入深度，玄武岩纤维格栅/50%碳混杂率格栅/100%碳混杂率格栅3种格栅形式对应拉拔试件，结果表明：格栅与混凝土基体界面粘结性能优于与砂浆基体界面粘结性能；界面粘结性能随着碳混杂率增加而提升，粘结应力水平随着埋入深度增加而降低。2）弯曲性能及过程中电阻变化，包括水泥砂浆/混凝土2种基体材料，素基体板/玄武岩纤维格栅增强板/50%碳混杂率格栅增强板/100%碳混杂率格栅增强板共4种板件形式，结果表明：格栅大幅提高了素基体板的极限承载力、极限挠度和延性，100%碳混杂率格栅增强砂浆板分别提升141.8%、93倍、延性系数为9.34，100%碳混杂率格栅增强混凝土板分别提升108.5%、23倍、延性系数为8.70；砂浆增强板破坏时碳纤维发热芯未破坏，电阻变化率保持在3.4%以内；混凝土增强板破坏时大部分100%碳混杂率格栅碳纤维发热芯未破坏，电阻变化率保持在1.1%以内；在施加20000次往复荷载作用后，50%极限荷载水平对应的混凝土增强板跨中挠度和电阻变化率趋于稳定，后者保持在0.6%以内。　　（3）研究了混杂纤维发热格栅增强砂浆/混凝土板电热性能，主要包括2种基体板发热试验：1）研究了室温下格栅增强砂浆薄板不同工况下升温情况，包括输出功率、发热间隔2个参数，结果表明：在发热间隔为25mm、输出功率为274W/m2以上时，砂浆板在12.8℃室温下具有稳定升温能力，随着输出功率增加，升温时间减少，热量利用率提高；发热间隔为50mm格栅的总体发热效率与同水平输出功率发热间隔为25mm格栅相近，平面发热均匀度有一定程度下降。2）研究了零下温度格栅增强混凝土板不同工况下升温和化冰情况，包括输出功率、冰层厚度、环境温度、发热间隔4个参数，结果表明：随着输出功率增加，升温化冰时间减少，热量利用率整体水平提高；在发热间隔为25mm、输出功率为647W/m2时，能够在-16℃环境温度下融化3mm冰层、-9℃环境温度下融化6mm冰层，在此输出功率下环境温度对升温化冰过程影响较小；随着冰层厚度增加，升温化冰时间增加，热量利用率提高；发热间隔为50mm格栅各方面升温指标与同水平输出功率发热间隔为25mm格栅相近。在2种基体板各工况升温和化冰试验中，负载电阻阻值保持相对稳定，电阻变化率在3.6%以内。
作者：	沈君乾
专业：	建筑与土木工程
导师：	Mohamed F.M.Fahmy;汪昕;刘蒲云
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021