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CFRC 道面板電熱效應模擬研究

2023-11-30 12:36:42支雁飛劉建穎
中國民航大學學報 2023年5期
關鍵詞:隔熱層碳纖維面板

支雁飛,王 輝,劉建穎

(中國民航大學校園建設保障部,天津 300300)

碳纖維具有質(zhì)量輕、強度高、導電性好等特點,常被用作混凝土的加筋材料,在道路工程領域被廣泛應用。相較于普通混凝土,碳纖維混凝土(CFRC,carbon fiber concrete)不但抗拉強度高、韌性好,且具備電熱性能,多應用于道面板鋪筑,以解決冬季道面凍害等問題[1]。但在實際工程中,許多環(huán)境因素會對CFRC 道面板的升溫速率產(chǎn)生影響,需要研究道面板在不同影響因素下的溫度變化情況,以得到相應的升溫規(guī)律。

在碳纖維混凝土電熱性能的研究方面,文獻[2-4]通過試驗對碳纖維混凝土道面的電熱升溫規(guī)律進行研究,建立電熱升溫微分方程并對其進行求解;張滇軍等[5]通過試驗研究碳纖維砂漿和混凝土導電性能與其齡期之間的關系;文獻[6-7]分別通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗得到不同輸入功率下碳纖維道面板的升溫規(guī)律;文獻[8-9]通過室內(nèi)試驗研究不同功率和風力條件下碳纖維發(fā)熱線的熱傳導性能;文獻[10-11]研究納米及微導電等材料的摻入對CFRC 導電性的影響;Wang等[12]通過室內(nèi)試驗探究試驗電壓和齡期對CFRC 電阻率的影響;Wang[13]對CFRC 的溫度敏感性進行研究,探究溫度對CFRC 道面板電阻率的影響。

此外,許多學者通過數(shù)值模擬方法對CFRC 道面板的電熱性能進行研究。徐慶軍等[14]基于有限元軟件ABAQUS 建立了溫度場數(shù)值模型,得到不同碳纖維發(fā)熱線布設工況下橋面的升溫規(guī)律;戴家傲等[15]使用COMSOL Multiphysics 軟件對碳纖維電熱線進行模擬分析,以探究碳纖維電熱線的發(fā)熱特性;王祖坤等[16]采用Matlab 建立二維碳纖維隨機分布模型,并運用COMSOL 對碳纖維混凝土模型的電熱性能進行數(shù)值模擬研究。

綜上所述,目前對于CFRC 道面板的研究大多是考慮單方面外界因素對升溫效果的影響,研究方法主要通過室內(nèi)試驗或數(shù)值模擬,有必要綜合多方面因素,結合試驗和模擬對CFRC 道面板的升溫規(guī)律進行研究。此外,隔熱層的鋪設對CFRC 道面板的電熱效應影響較大,而現(xiàn)有研究缺少對隔熱層的考慮。本文先通過室內(nèi)試驗驗證有限元模擬的可靠性,再對CFRC 道面板的電熱升溫過程進行ABAQUS 模擬,研究有、無隔熱層情況下,輸入電壓、初始溫度、風速等級以及碳纖維含量對CFRC 道面板升溫過程的影響,對比分析不同影響因素下道面板升溫速率的變化,從而為其在機場工程中的應用提供參考。

1 試驗與數(shù)值模擬

1.1 試驗過程

1.1.1 試驗材料

本試驗選用碳纖維、硅灰、水泥、砂、石子為制備原料,試驗選用6 mm 聚丙烯腈基短切碳纖維和鄭州匯豐新材料科技有限公司生產(chǎn)的90 級硅灰,其相關物理參數(shù)如表1 所示。參考文獻[17]選用0.3 mm 厚的不銹鋼板作為電極板,該板等間距鉆有3 個直徑為20 mm的孔洞,電極板貼合試塊側面;導線使用民用2.5 mm2規(guī)格。

表1 碳纖維和硅灰相關物理參數(shù)Tab.1 Related physical parameters of of carbon fiber and silica fume

1.1.2 試驗步驟

根據(jù)不同碳纖維含量,將碳纖維按體積分數(shù)0.7%、0.9%、1.1%、1.3%、1.5%、1.7%分別進行混合,水、水泥、砂、石按0.420∶1∶1.152∶2.449 的比例進行配比。設有隔熱層的CFRC 道面板尺寸為0.16 m×0.14 m×0.03 m,并利用數(shù)字顯示萬用表測量不同碳纖維含量混凝土的電阻值以便后續(xù)利用ABAQUS 電熱模擬,部分試驗測量儀器如圖1 所示。

圖1 試驗測量儀器Fig.1 Test measurement instrument

1)隔熱層道面板試驗

(1)選取碳纖維含量為1.3%的試塊置于冰柜中,調(diào)節(jié)溫度控制試塊表面和環(huán)境溫度為-16 ℃;

(2)為探究隔熱層對碳纖維板升溫效果的影響,在試樣底部墊上XPS 隔熱塑料板,如圖2 所示;

圖2 試樣及試驗裝置圖Fig.2 Diagram of specimen and test set-up

(3)對試塊加載20 V 輸入電壓,每隔10 min 測量1 次試樣上表面中心位置的溫度,將測得的數(shù)據(jù)繪制成相應升溫曲線。

2)無隔熱層道面板試驗

(1)為得到無隔熱層CFRC 道面板升溫曲線,制備1 塊碳纖維含量為0.9%,尺寸為1.30 m×1.30 m×0.05m 的CFRC 道面板,以及1 塊尺寸為1.30m×1.30m×0.20 m 的C50 素混凝土板;

(2)試驗時將制作的CFRC 道面板貼合在素混凝土板上并置于室外,上表面與下表面開放;

(3)在試樣上表面等間距設置5 個測點并連接溫度傳感器,布點方式如圖3 所示,測量道面板表面不同位置處的溫度變化,并取平均值作為道面板表面溫度值,測定外界溫度為10.5 ℃;

圖3 CFRC 板表面測點布置圖Fig.3 Measurement point arrangement of CFRC plate surface

(4)對道面板施加100 V 的輸入電壓,每隔10 min測量1 次試樣各測點與道面板中間厚度位置的溫度,共測量6 h,將數(shù)據(jù)繪制成相應曲線。

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 模擬參數(shù)

根據(jù)文獻[3]的研究可得到不同碳纖維含量混凝土的密度和比熱計算公式,不同碳纖維含量混凝土導電率表示如下

式中:K 為導電率;L 為電導體長度;R 為電阻值;A 為電導體橫截面積。導熱系數(shù)計算取其上限和下限的平均值,即

式中:λ3為混合物的導熱系數(shù);λ1為碳纖維的導熱系數(shù);λ2為C50 混凝土的導熱系數(shù);V 為碳纖維含量。

表2 為需要在ABAQUS 中輸入的參數(shù)。

表2 輸入?yún)?shù)Tab.2 Input parameter list

為模擬外界不同風速等級的影響,需輸入相應熱對流系數(shù)h 的計算公式[18]如下

式中:△T 為環(huán)境溫度與試塊表面溫度差值;v 為外界風速。模擬中設定對流系數(shù)對應二級風速,熱輻射系數(shù)設定為0.98。

1.2.2 ABAQUS 模擬過程

當?shù)撞吭O有隔熱層時,擬定CFRC 道面板的尺寸為0.16 m×0.14 m×0.03 m;當?shù)撞繘]有隔熱層時,CFRC 道面板與下部混凝土結構的尺寸為1.30 m×1.30 m×(0.05 m+0.20 m)。假設模型上表面不存在溫度梯度,四周存在絕熱邊界,分別建立有、無隔熱層的CFRC 道面板模型,如圖4 所示。參照表2 輸入相應的材料參數(shù)。

圖4 ABAQUS 道面板模型Fig.4 Pavement slab model of ABAQUS

對兩種模型中的CFRC 部分施加電勢差,如圖5所示,并在Interaction 模塊中定義環(huán)境溫度、模型溫度和熱輻射系數(shù)。對有、無隔熱層道面板模型均設置全局網(wǎng)格劃分,比例分別為0.005 和0.020,如圖6 所示。其中,設置隔熱層模型應用Element Types 命令,定義網(wǎng)格類型為Thermal Electric 的8 節(jié)點DC3D8E 單元。無隔熱層模型下部素混凝土塊只受到熱傳導作用,網(wǎng)格類型選擇Heat Transfer。無隔熱層模型需對上部CFRC 模型和下部素混凝土塊模型進行綁定。在試塊模型上表面中心取點建立集合,設置溫度場歷史輸出,模擬計算后可得到相應曲線。

圖5 電勢加載示意圖Fig.5 Schematic diagram of potential loading

圖6 道面板模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Grid division of the pavement slab model

1.3 結果對比

有、無隔熱層情況下CFRC 道面板試驗與模擬結果的對比如圖7 所示。

圖7 有、無隔熱層情況下CFRC 道面板試驗與模擬結果Fig.7 Testandsimulationresultsofpavementslabwithandwithout insulationlayer

從圖7 中可以看出,試驗與模擬結果曲線趨勢相同,且曲線基本擬合。由于室外試驗風速波動較大,而模擬中設置風速等級為二級恒定。所以將道面板中心位置的溫度變化曲線與模擬結果進行對比如圖7(b)所示,曲線之間較為擬合。

2 有限元模擬

由1.3 節(jié)中對比分析可知,通過有限元模擬CFRC道面板的電熱工況具有一定的可靠性,因此,通過對有、無隔熱層CFRC 道面板電熱過程進行數(shù)值模擬,進一步探究其在各個影響因素下的升溫規(guī)律,建模方法參照1.2 節(jié)。

2.1 設置隔熱層CFRC 道面板

2.1.1 輸入電壓與溫度變化的關系

將模型初始溫度和環(huán)境溫度都設定為-15℃,道面板兩側加載不同輸入電壓,得到1.5%碳纖維含量道面板溫度變化情況,如圖8 所示。輸入電壓越高,相同時間內(nèi)道面板的升溫速率越快。道面板的升溫速率隨時間增加而逐漸降低,這主要是因為道面板溫度不斷上升,與周圍環(huán)境的溫差不斷增加,相應的散熱功率不斷上升,由于輸入功率一定,當散熱功率等于電熱功率時,道面板最終會達到一個平衡溫度。

圖8 不同輸入電壓下的CFRC 道面板溫度變化情況Fig.8 Temperature change of CFRC pavement slab under different voltages

圖9 為不同碳纖維含量道面板達到0℃的時間變化曲線。從圖9 可看出,當碳纖維含量低于1.1%時,輸入電壓的變化對升溫速率的影響較大,但當輸入電壓增加至某一較大數(shù)值時,繼續(xù)加大電壓對道面板融冰時間的降低不明顯。如碳纖維含量為1.5%時,100 V電壓下道面板達到0 ℃的時間為64 min,110 V 電壓下為53 min,變化不大。因此,對于1.5%碳纖維含量的道面板,輸入電壓為100 V 最為適宜,繼續(xù)加大電壓不僅工作效率提升不明顯,還會帶來更高的能耗。

圖9 不同碳纖維含量道面板達到0 ℃時間變化曲線Fig.9 Time variation curve of pavement slab with different carbon fiber content reaching 0 ℃

2.1.2 初始溫度與溫度變化的關系

將模型初始溫度與外界環(huán)境溫度設定為-15、-10、-5℃,不同初始溫度下,CFRC 道面板達到0 ℃的時間隨電壓的變化情況如圖10 所示,當初始溫度低于-10℃時,0.7%碳纖維含量的道面板在低于70 V 輸入電壓作用下無法達到0 ℃以上,如圖10(a)所示。所以當環(huán)境溫度較低時,需要增加道面板的碳纖維含量,當碳纖維含量為1.3%時,道面板可在低電壓下較快升溫到0 ℃,如圖10(b)所示。

圖10 不同初始溫度下CFRC 道面板達到0℃時間變化曲線Fig.10 Time variation curve of CFRC pavement slab reaching 0°C at different initial temperatures

2.1.3 風速與溫度變化的關系

外界風速會影響CFRC 道面板表面的對流換熱,將風速換算成對流換熱系數(shù),可在ABAQUS 中還原相應的對流環(huán)境。對碳纖維含量為1.5%的道面板進行模擬,模擬結果如圖11 和圖12 所示。

圖11 不同風速等級下的CFRC 道面板升溫曲線Fig.11 Temperature rise curves of CFRC pavement slab under different wind speed levels

圖12 不同風速等級下道面板達到0 ℃時間變化曲線Fig.12 Time variation curve of CFRC pavement slab reaching 0 ℃under different wind speed levels

由圖11 可知,風速等級越高,道面板的表面熱交換速率越快,相應的升溫速率越慢,最終達到的平衡溫度越低。由圖12 可知,當風速等級高于三級時,電壓對道面板升溫速率影響較大;當風速等級為六級時,低于90 V 的電壓作用下,道面板最終達到的平衡溫度低于0 ℃。所以當外界風速較大,需要提高輸入電壓才能使道面板溫度達到0 ℃以上。當風速低于四級時,碳纖維含量1.5%的道面板最適宜的輸入電壓為100 V,道面板融冰時間均低于100 min,繼續(xù)加大輸入電壓對融冰效率的提升不明顯。

2.2 有、無隔熱層CFRC 道面板對比

2.2.1 有、無隔熱層輸入電壓與溫度變化的關系

將模型初始溫度與外界環(huán)境溫度都設定為-15℃,對1.5%碳纖維含量的無隔熱層CFRC 道面板外加不同數(shù)值的輸入電壓,模擬得到升溫曲線如圖13 所示。各電壓下CFRC 道面板達到0℃的時間如圖14 所示。由圖13 與圖8 對比可知,有隔熱層道面板的升溫速率更高,這主要是因為隔熱層減少了道面板熱量損耗。由圖14 可知,當碳纖維含量為1.5%,外加輸入電壓為60 V 時,有隔熱層的道面板達到0℃的時間為132 min。無隔熱層情況為989 min,時間相差7 倍左右。而相同碳纖維含量,輸入電壓為120 V 時,有隔熱層道面板達到0 ℃的時間為44 min,無隔熱層為59 min,差距較小。

圖13 不同輸入電壓下無隔熱層的CFRC 道面板升溫曲線Fig.13 Temperature rise curves of CFRC pavement slab under different voltages

圖14 不同碳纖維含量及有、無隔熱層CFRC 道面板達到0 ℃時間變化曲線Fig.14 Time variation curve of CFRC pavement slab reaching 0 ℃with different carbon fiber content and with or without insulation layer

2.2.2 有、無隔熱層初始溫度與溫度變化的關系

輸入電壓為90 V,有、無隔熱層時不同初始溫度下CFRC 道面板達到0 ℃時間變化曲線如圖15 所示,對比圖10(b)和圖15(b)可知,當初始溫度為-15 ℃,碳纖維含量為1.3%,外加輸入電壓為70 V 時,有隔熱層的道面版達到0 ℃的時間為250 min,而無隔熱層道面板達到0 ℃的時間超過1 000 min,是加設隔熱層的4 倍甚至更長。當初始溫度為-5 ℃,碳纖維含量為1.3%,外加輸入電壓為70 V 時,有隔熱層道面板達到0 ℃的時間為64 min,無隔熱層情況為100 min,相差不大,所以當初始溫度較高時,有、無隔熱層對道面板達到0℃的時間影響較小。

圖15 不同初始溫度下及有、無隔熱層CFRC 道面板達到0 ℃時間變化曲線Fig.15 Time variation curve of CFRC pavement slab reaching 0 ℃under different initial temperatures and with or without insulation layer

2.2.3 有、無隔熱層風速與溫度變化的關系

設定外界環(huán)境和模型初始溫度為-10 ℃,道面板外加輸入電壓為100 V,碳纖維含量為1.5%,不同風速下有、無隔熱層道面板達到0 ℃時間變化曲線如圖16 所示。由圖16 可知,無隔熱層道面板達到0 ℃的時間較有隔熱層的更長,且隨著風速的增加,這種差距也在大幅度增加,當風速低于三級風時,有、無隔熱層的道面板升溫至0 ℃的時間相差并不大。由于隔熱層一般是由等擠塑性材料制成,且一般埋置深度要求為0.5~0.6 m[19],而用于CFRC 道面板的隔熱層明顯埋深不夠,所以實際使用中容易被壓壞,導致維護成本較高,所以風速較低的地區(qū)可以考慮使用無隔熱層的CFRC 道面板降低成本。

圖16 不同風速等級下有、無隔熱層CFRC 道面板達到0 ℃時間變化曲線Fig.16 Time variation curve of CFRC pavement slab reaching 0 ℃with or without insulation layer under different wind speed levels

3 結語

本文通過室內(nèi)試驗和有限元模擬,研究有、無隔熱層情況下,輸入電壓、初始溫度、風速等級以及碳纖維含量對CFRC 道面板升溫過程的影響,對比分析探究不同影響因素下道面板升溫速率的變化,總結出以下規(guī)律。

(1)CFRC 道面板在外加輸入電壓作用下溫度逐漸升高至平衡溫度。輸入電壓越高,CFRC 道面板表面溫度上升越快,達到的平衡溫度越高。碳纖維含量越高的CFRC道面板升溫速率受電壓的影響越小,當碳纖維含量達到1.7%時,道面板升溫速率基本不受電壓影響。

(2)外界風速等級越高,CFRC 道面板的升溫速率越慢。當風速較高時,低電壓無法使道面板達到0℃。當風速低于四級時,對于1.5%碳纖維含量的道面板,輸入電壓應設置為100 V,相應的融冰時間均低于100 min,具有較高的融冰效率,繼續(xù)增加電壓不會進一步縮短融冰時長。

(3)在低溫環(huán)境下,無隔熱層CFRC 道面板升溫速率可達設置隔熱層工況的4 倍左右。當環(huán)境溫度較低、道面板碳纖維含量較高,且輸入電壓較大時,有、無隔熱層融冰效果差別不大。當外界風速等級低于三級時,有、無隔熱層CFRC 道面板達到0℃的時間相差不大,可不鋪設隔熱層,以降低建設成本。

綜上所述,在實際工程中,合理配置道面板碳纖維含量、外加輸入電壓等可有效提高CFRC道面板的融冰效率。

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