导电混凝土融雪化冰路面设计及有限元分析

摘要

此项研究以路面除雪化冰为研究背景，导电混凝土的制备和融雪化冰路面设计为核心内容。采用短切碳纤维、炭黑作为导电组分材料制备导电混凝土。得到了制备导电混凝土的最佳配合比和制备工艺流程。设计了导电混凝土融雪化冰路面，并对此种路面结构融雪化冰的可行性进行研究。在此基础上结合有限元分析路面融雪化冰及路面受力(车载、热应力等)情况。通过有限元分析发现设计不足之处并加以改进，为日后融雪化冰路面在实际中的应用打下基础，同时也为制备性能稳定的导电混凝土材料提供可靠的加工工艺和配比选择。此文主要研究内容如下：
　　 (1)导电混凝土的研制：配制炭黑/碳纤维复掺导电混凝土，通过实验得到满足融雪化冰路面使用力学性能和电学性能的配合比。得到导电混凝土电阻率随导电相掺量变化规律以及在制备过程中加工工艺对混凝土力学、电学性能的影响，并研究其在长期使用中性能的稳定性。
　　 (2)性能测试：针对满足融雪化冰路面使用要求的导电混凝土进行电阻率、热导率、抗压强度、抗弯强度、冻融循环及电阻稳定性的测试。
　　 (3)导电混凝土路面结构设计：从路面使用安全性、可靠性及能量利用率等方面入手，进行路面结构设计。路面结构为三层复合式路面，分别为表面层、加热层、隔热层。并对路面的各层厚度、电极布置方式进行设计。校核此种路面结构在设计基准期内荷载疲劳应力和温度疲劳应力。
　　 (4)在室外进行实时化雪、融化冰层实验，对此种路面结构融雪化冰效果、升温规律、温度分布、隔热层效果、路表温度均匀度进行了研究。
　　 (5)借助ANSYS有限元对路面升温、温度分布、温度应力、车载应力进行分析，检验路面的可靠性。