陸松，許金余, 2，白二雷，劉俊良

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機(jī)場混凝土道面微波除冰仿真與試驗研究

陸松1，許金余1, 2，白二雷1，劉俊良1

(1. 空軍工程大學(xué) 機(jī)場建筑工程系，陜西 西安，710038； 2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安， 710072)

分析微波頻率和道面材料特性對機(jī)場道面微波除冰效率的影響。運用COMSOL Multiphysics建立微波除冰仿真模型，采用自主設(shè)計的微波除冰裝置進(jìn)行試驗研究。以混凝土表面升溫至0 ℃的升溫速率作為除冰效率的評價指標(biāo)。研究結(jié)果表明：微波能夠透過冰層加熱混凝土，使冰層與混凝土表面脫離；相對于頻率為2.45 GHz微波，頻率為5.8 GHz微波穿透深度降低到45%，除冰效率提高了5倍左右；相對于普通混凝土，摻入“鐵黑”吸波材料的混凝土除冰效率提高了1.8倍左右；仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較接近，驗證了仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性，微波除冰方法具有一定的可行性。

機(jī)場道面；混凝土路面；微波除冰；COMSOL Multiphysics；道面材料

冬季結(jié)冰會使道面摩擦因數(shù)大大降低，在結(jié)冰路面上，汽車制動困難容易發(fā)生交通事故，飛機(jī)滑跑距離增大極易發(fā)生沖出跑道事故，道面結(jié)冰嚴(yán)重威脅到交通運輸安全[1]。因此，有效清除道面積冰，尤其是對高速公路、機(jī)場等重要交通設(shè)施，具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的除冰方法中，機(jī)械法需要較多的人力和物力，且容易造成道面機(jī)械性破壞[2]；化學(xué)法中的融雪劑滲入到道面內(nèi)部后容易腐蝕道面，降低道面力學(xué)性能，且融雪后的融雪劑流動到道面旁邊后容易造成環(huán)境污染[3]；熱力法有內(nèi)加熱法和外加熱法，內(nèi)加熱法是指將發(fā)熱體埋在道面內(nèi)部，這種方法施工困難、能耗大，對厚冰除冰效果不理想[4]；外加熱法是指利用舊航空發(fā)動機(jī)噴出的高溫氣流來融化冰雪，效率較高，但是航空發(fā)動機(jī)耗油量大，噴出的氣流溫度高達(dá)400~500 ℃，容易造成道面高溫?fù)p傷[5]。陳淵召等[6]提出了采用橡膠顆粒瀝青路面進(jìn)行除冰的方法，但是橡膠顆粒不適用于機(jī)場跑道等對強(qiáng)度要求較高的混凝土道面。微波加熱具有熱慣性小，加熱速度快，環(huán)保無污染等特點，冬季在機(jī)場中應(yīng)用微波加熱進(jìn)行除冰具有較好的前景。20世紀(jì)80年代美國就提出了微波除冰的研究，但是由于除冰效率較低，一直未得到推廣應(yīng)用[7]。HOPSTOCK等[8]為了提升路面吸波升溫能力，提出了將鐵燧巖作為路面材料進(jìn)行道路施工，并修筑了“微波路”，目前除冰效果正在檢測中。關(guān)明慧等[9]采用家用微波爐加熱結(jié)冰路面試件，表明了微波除冰方法具有一定的可行性，但是對于微波除冰效率及其影響因素缺少深入分析。焦生杰等[10?11]針對瀝青路面應(yīng)用微波除冰，分析了影響除冰效率的關(guān)鍵因素，并進(jìn)行了仿真和試驗研究，由于水的吸波升溫性能較強(qiáng)，部分冰融化成水后對路面溫度場分布影響較大，但是在仿真過程并沒有考慮這部分水的影響。COMSOL Multiphysics 是一款綜合性多物理場耦合仿真軟件，范圍涵蓋從流體流動、熱傳導(dǎo)、到結(jié)構(gòu)力學(xué)、電磁分析等多種物理場，本文作者采用 COMSOL Multiphysics 軟件建立微波除冰仿真模型來進(jìn)行機(jī)場道面微波除冰的仿真研究，分析微波除冰機(jī)理及影響微波除冰效率的關(guān)鍵因素；為了提高機(jī)場道面微波除冰效率，建立微波仿真模型，對微波頻率和道面材料這2個關(guān)鍵因素進(jìn)行了深入分析；為了驗證仿真模型的準(zhǔn)確性，采用自行設(shè)計的微波除冰裝置進(jìn)行了試驗研究，以混凝土表面升溫至0 ℃的升溫速率作為除冰效率的評價指標(biāo)，得到了微波頻率和道面材料與微波除冰效率的關(guān)系。

1 微波除冰機(jī)理分析

機(jī)場道面微波除冰是指利用微波的熱效應(yīng)加熱混凝土，使冰與道面表層脫離，再利用機(jī)械除冰裝置輕易地將脫離的冰層清除干凈，從而達(dá)到除冰的目的。大部分介質(zhì)在微波作用下都會吸收微波，產(chǎn)生熱量。被加熱的介質(zhì)一般可以分為有極性電介質(zhì)和無極性電介質(zhì)。有極性電介質(zhì)在沒有電場時不顯示極性，如果將這種極性電介質(zhì)放在外加電場中，每個極性分子會沿著電場方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成有序排列，產(chǎn)生極化，在介質(zhì)表面感應(yīng)相反的電荷，當(dāng)電場方向發(fā)生改變時，這種極性分子的極化方向會沿著電場方向的改變而改變。有極性分子極化示意圖如圖1所示。

(a) 無電場時；(b) 有電場時

根據(jù)微波加熱原理，微波在單位體積介質(zhì)內(nèi)消耗的功率可以表示為[12]：

根據(jù)式(1)，介質(zhì)吸收微波的升溫性能與多種因素有關(guān)。不同頻率微波在介質(zhì)內(nèi)部作用的深度和效率各不相同，一般來說，微波頻率越高，介質(zhì)內(nèi)作用深度越小，加熱效率越高[12]，因而微波頻率是影響介質(zhì)升溫性能的重要因素。介質(zhì)內(nèi)的電場強(qiáng)度與微波功率有關(guān)，電場強(qiáng)度越大，介質(zhì)極化程度越大，介質(zhì)吸波升溫越快。相對介電常數(shù)和損耗角常數(shù)是介質(zhì)材料的固有屬性，表征介質(zhì)吸收微波能量的能力，其值越大，介質(zhì)的吸波升溫性能越強(qiáng)。相關(guān)物質(zhì)的特性參數(shù)如表1所示，其中冰的損耗角常數(shù)非常低，冰層對于微波幾乎是透明的，幾乎不吸收微波[1]，因而在微波除冰過程中，微波可以透過冰層加熱混凝土道面，從而使冰層與道面脫離。

表1 相關(guān)物質(zhì)的特性參數(shù)

2 微波除冰仿真模型和試驗裝置

2.1 仿真模型

微波除冰車的加熱墻是由多個磁控管和波導(dǎo)并列分布的，為了簡化分析，不考慮多個波導(dǎo)微波之間的耦合，以單個磁控管和波導(dǎo)為研究對象。2.45 GHz微波在混凝土中的穿透深度約為112 mm[13]，5.8 GHz微波在混凝土中的穿透深度更小，因此試件厚度選擇為150 mm，冰層的厚度選擇為15 mm。采用COMSOL建立仿真模型如圖2所示，仿真模型由混凝土試件、冰層、波導(dǎo)和空氣域組成，混凝土試件長×寬×高為150 mm×150 mm×150 mm，2.45 GHz微波波導(dǎo)口長×寬為109.2 mm×54.6 mm，5.8 GHz微波波導(dǎo)口長×寬為40.4 mm×20.2 mm。采用完美匹配層模擬自然開放環(huán)境下的微波輻射特性，采用相變傳熱模擬冰融化成水的過程，冰融化成水的潛在熱為333 kJ/kg。由表1可知：水的相對介電常數(shù)和損耗角常數(shù)遠(yuǎn)比冰的大，因此冰融化成水后，就不得不考慮水的吸波升溫影響，本研究中考慮這部分水的影響。坐標(biāo)系原點位于混凝土表面中心，軸正方向指向波導(dǎo)，定義路徑1為點(0，0，?150)到點(0，0，15)，即混凝土底面中心到冰層表面中心。

圖2 微波除冰模型

2.2 試驗研究

采用自主設(shè)計的微波除冰試驗裝置進(jìn)行試驗研究，如圖3所示，試驗裝置由磁控管、波導(dǎo)、波導(dǎo)口高度調(diào)節(jié)桿、冷卻系統(tǒng)及電路系統(tǒng)組成。試件長×寬×高為150 mm×150 mm×150 mm，冰層厚度15 mm，在冰層與混凝土表面中心接觸處粘貼熱電偶，記錄混凝土表面溫度變化規(guī)律。

圖3 微波除冰試驗裝置

3 微波頻率對除冰效率的影響

頻率為2.45 GHz微波在微波爐及工業(yè)加熱中應(yīng)用比較廣泛，但是在微波除冰應(yīng)用中，僅僅關(guān)注道面表層的溫度變化，頻率為5.8 GHz微波加熱效率高，穿透深度低，本研究中將頻率為2.45 GHz和5.8 GHz微波應(yīng)用到微波除冰中進(jìn)行仿真和試驗研究。

3.1 仿真研究

設(shè)定環(huán)境溫度、混凝土溫度及冰層溫度為?10 ℃，波導(dǎo)口高度為20 mm。設(shè)定波導(dǎo)端口激勵功率為1 500 W，采用 COMSOL Multiphysics 軟件模擬微波除冰過程。

圖4所示為在2種頻率下混凝土表面最高溫度隨時間的變化規(guī)律。由圖4可知：頻率為2.45 GHz微波作用下混凝土表面溫度達(dá)到0 ℃時，微波作用時間為28 s，溫升速率為0.36 ℃/s；而頻率為5.8 GHz微波作用下混凝土表面溫度達(dá)到0 ℃時，微波作用時間為5 s，溫升速率為2 ℃/s。因此，頻率為5.8 GHz微波的除冰效率是頻率為2.45 GHz微波的5.6倍，這主要是因為在頻率為5.8 GHz微波作用下，介質(zhì)極化方向變化快，極化分子摩擦大，從而使得介質(zhì)內(nèi)部生熱快，溫度高。同時可以看出：在微波作用下，混凝土表面溫度達(dá)到0 ℃后，溫升速率明顯增大，這主要是因為冰融化水后，水的吸波升溫性能較強(qiáng)，產(chǎn)生較多的熱量，因而混凝土表面溫升速率增大。從圖4可以看出：在頻率為5.8 GHz微波作用下溫度曲線的增長率是先增加后減小再增加，在作用時間為12 s和18 s時，溫度曲線有明顯的轉(zhuǎn)折。這主要是因為已經(jīng)融化的水升溫到一定程度時，被周圍溫度較低的冰層吸收較多的熱量，使得升溫速率減??；冰融化成水后增大了吸波升溫能力，從而使升溫速率繼續(xù)增大。

以路徑1為例分析混凝土內(nèi)部的電場模，圖5所示為不同頻率微波在混凝土內(nèi)部的電場分布。根據(jù)微波穿透深度e?1(=0.368)標(biāo)準(zhǔn)[12]，把混凝土內(nèi)部某處電場模衰減為混凝土表面電場模e?1時，將某處以上的部分稱為穿透深度。由圖5可知：頻率為2.45 GHz微波在混凝土表面的電場模為8.21 kV/m，則其穿透深度為118 mm(電場模為3.02 kV/m)；頻率為5.8 GHz微波在混凝土表面的電場模為12.38 kV/m，則其穿透深度為53 mm(電場模為4.56 kV/m)。頻率為5.8 GHz微波穿透深度僅為2.45 GHz微波的44.9%，表明頻率為5.8 GHz微波更有利于除冰應(yīng)用。

以路徑1為例分析2種頻率微波作用下，混凝土表面達(dá)到0 ℃時，混凝土內(nèi)部的溫度場分布，如圖6所示。在這2種微波頻率作用下，混凝土內(nèi)部垂直方向溫度場分布規(guī)律比較接近，冰層表面的溫度不高，隨著深度增加，溫度逐漸升高，直到混凝土內(nèi)部深度約10 mm處，溫度達(dá)到峰值；然后隨著深度增加，溫度逐漸降低。同時可以看出：頻率為5.8 GHz微波穿透深度小，混凝土內(nèi)部升溫區(qū)域基本集中在混凝土表面附近；而頻率為2.45 GHz微波穿透深度大，混凝土內(nèi)部升溫區(qū)域較大，相對于頻率為5.8 GHz微波，表面區(qū)域吸收熱量占總生成熱量比例小，除冰效率相對較低。

微波頻率/GHz：1—2.45；2—5.8。

微波頻率/GHz：1—2.45；2—5.8。

微波頻率/GHz：1—2.45；2—5.8。

3.2 試驗研究

依據(jù)機(jī)場配合比設(shè)計原理制備混凝土試件，并在冰箱凍制冰層，如圖7所示。設(shè)定磁控管功率為1 500 W，波導(dǎo)口高度為20 mm，采用微波除冰實驗裝置進(jìn)行微波除冰試驗，分別測試在頻率分別為2.45 GHz和5.8 GHz微波作用下混凝土表面的升溫規(guī)律，微波作用后的冰層如圖8所示。由圖8可知：微波作用后，混凝土表面接觸處的冰層首先融化，在冰層內(nèi)部形成一層液體空間，從而使冰層與混凝土表面脫離，即可快速去除冰層。表明冰層吸收微波能力較弱，微波能夠透過冰層加熱混凝土，從而達(dá)到微波除冰的目的。

通過熱電偶檢測混凝土表面與冰層接觸處的溫度變化，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知：試件的初始溫度(即環(huán)境溫度)能夠影響微波除冰效率，初始溫度越低，微波加熱時間越長；在頻率為2.45 GHz微波作用下，試件表面的平均升溫速率為0.34 ℃/s，在頻率為5.8 GHz微波作用下，試件表面的平均升溫速率為1.72 ℃/s，則頻率為5.8 GHz微波的除冰效率頻率為2.45 GHz微波的4.99倍，與仿真結(jié)果比較接近，表明仿真研究具有一定的可靠性。另外，試驗研究得到的除冰效率略低于仿真研究時的除冰效率，這主要是因為仿真研究中將材料的電磁參數(shù)及熱參數(shù)定義為常數(shù)，而實際中材料的電磁參數(shù)與熱參數(shù)與材料的溫度有關(guān)，尤其是電磁參數(shù)還與微波的頻率有一定關(guān)系。

圖7 覆蓋冰層試件

圖8 微波作用后的冰層

4 道面材料對除冰效率的影響

物料的吸波升溫能力與相對介電常數(shù)和損耗角常數(shù)有關(guān)?！拌F黑”吸波材料是一種等軸晶系的氧化物礦物，其化學(xué)成分主要為Fe3O4，具有較強(qiáng)的磁性，由磁鐵礦制備而來。鐵及其氧化物，在微波作用下具有較強(qiáng)的吸波升溫性能[14?15]。為了提高混凝土的吸波升溫性能，將“鐵黑”以一定比例摻入到混凝土中，本研究中取“鐵黑”摻量為水泥摻量的10%。經(jīng)過計算，得到10%摻量的鐵黑混凝土的新介電常數(shù)為28，損耗角常數(shù)為0.075。對普通混凝土和鐵黑混凝土進(jìn)行仿真和試驗研究。

4.1 仿真研究

設(shè)定冰層和混凝土的初始溫度為?10 ℃，微波端口激勵頻率為2.45 GHz，功率為1 500 W，波導(dǎo)口高度為20 mm，采用 COMSOL Multiphysics軟件分別模擬普通混凝土和鐵黑混凝土微波除冰過程，混凝土表面最高溫度隨時間的變化規(guī)律如圖9所示。在頻率2.45 GHz，功率1 500 W的微波作用下，鐵黑混凝土表面最高溫度達(dá)到0 ℃的時間為15 s，升溫速率為0.67 ℃/s，是普通混凝土除冰效率的1.87倍。由鐵黑混凝土表面升溫曲線可知，表面溫度達(dá)到0 ℃一段時間后，升溫速率逐漸增大，后又逐漸降低，然后又逐漸增大，這主要是因為冰融化的水達(dá)到一定量后吸波性能增強(qiáng)，升溫速率增大，然后升溫后的水融化周圍冰層，使升溫速率降低。

1—普通混凝土；2—鐵黑混凝土。

以路徑1為例，在混凝土表面最高溫度達(dá)到0 ℃時，分析這2種混凝土內(nèi)部垂直方向的溫度場分布，如圖10所示。在2類混凝土表面最高溫度達(dá)0 ℃時，混凝土內(nèi)部溫度場分布規(guī)律基本類似，但是鐵黑混凝土內(nèi)部最高溫度為7.9 ℃，普通混凝土內(nèi)部最高溫度為12.4 ℃，且在相同深度下鐵黑混凝土內(nèi)部溫度低于普通混凝土。這是由于摻入“鐵黑”吸波材料后，混凝土介電常數(shù)增大，微波滲透深度降低，表面升溫速率較快，因而當(dāng)試件表面達(dá)到0 ℃時，鐵黑混凝土微波加熱時間短，相同深度下鐵黑混凝土內(nèi)部溫度低于普通混凝土。

1—普通混凝土；2—鐵黑混凝土。

4.2 試驗研究

分別制備普通混凝土和10%摻量的鐵黑混凝土，設(shè)定微波頻率為2.45 GHz，采用微波除冰實驗裝置進(jìn)行試驗，分別測試這2組試件的除冰效率，試驗結(jié)果如表3所示。由表2和表3可知：在頻率為2.45 GHz微波作用下，普通混凝土表面的升溫速率為0.34 ℃/s，鐵黑混凝土表面的升溫速率為0.58 ℃/s，表明鐵黑混凝土微波除冰效率為普通混凝土的1.71倍，與仿真結(jié)果比較接近，驗證了仿真結(jié)果的合理性。

表3 鐵黑混凝土的微波除冰效率

5 結(jié)論

1) 微波頻率和道面材料類型是影響微波除冰效率的關(guān)鍵因素，并以混凝土表面升溫至0 ℃的升溫速率作為除冰效率的評價指標(biāo)。

2) 冰層幾乎不吸收微波，微波能夠透過冰層加熱混凝土，表明微波除冰方法具有一定的可行性。

3) 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果較為接近，表明COMSOL Multiphysics軟件建立的微波除冰仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性。

4)相對于頻率為2.45 GHz微波，頻率為5.8 GHz微波具有較高的微波除冰效率，相對于普通混凝土，鐵黑混凝土具有較高的微波除冰效率。

5) 微波除冰方法是一種綠色環(huán)保，應(yīng)用前景廣闊的新型智能除冰方法，能夠克服傳統(tǒng)除冰方法中的諸多缺點。在未來微波除冰方法的研究和推廣應(yīng)用中，應(yīng)該重點研究除冰效率較高的頻率為5.8 GHz微波以及吸波性能較強(qiáng)的路面材料。

[1] 楊曉東, 金敬福. 冰的粘附機(jī)理與抗凍粘技術(shù)進(jìn)展[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報, 2002, 25(4): 17?19. YANG Xiaodong, JIN Jingfu. Development of ice adhesion theory and antifreeze technology[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology, 2002, 25(4): 17?19.

[2] 姚繼蔚, 孫寬. 路面除雪機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 建筑機(jī)械, 2013, 6(1): 68?73. YAO Jiwei, SUN Kuan. Current situation and development trend of the road snow removing machinery[J]. Construction Machinery, 2013.6(1): 68?73.

[3] 陳繼超, 李玉香, 朱曉燕, 等. 除冰劑對機(jī)場跑道混凝土抗凍性能影響[J]. 混凝土, 2015(2): 150?154. CHEN Jichao, LI Yuxiang, ZHU Xiaoyan, et al. Effects of deicing agent on freezing resistance of airfield pavement concrete[J]. Concrete, 2015(2): 150?154.

[4] 許庚. 基于內(nèi)置電加熱方式的路面表面物理除冰雪技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 2013: 7?12.XU Geng. Research on ice and snow removing technique on pavement surface through built-in electric heating[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology. School of Civil Engineering, 2013: 7?12.

[5] 唐相偉. 道路微波除冰效率研究[J]. 西安: 長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院, 2009: 3?15.TANG Xiangwei. Study of microwave deicing efficiency in pavement[J]. Xi’an: Chang’an University. School of Mechanical Engineering, 2009: 3?15.

[6] 陳淵召, 李振霞. 橡膠顆粒瀝青路面的除冰機(jī)理[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 44(5): 2073?2081. CHEN Yuanzhao, LI Zhenxia. Deicing mechanism for crumb rubber asphalt pavement[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(5): 2073?2081.

[7] MAKUL N, RATTANADECHO P, AGRAWAL D K. Applications of microwave energy in cement and concrete: a review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 37(3): 715?733.

[8] HOPSTOCK, D M, ZANKO, L M. Minnesota taconite as a microwave-absorbing road aggregate material for deicing and pothole patching applications[EB/OL]. 2005?08?01. http://hdl.handle.net/11299/974.

[9] 關(guān)明慧, 徐宇工, 盧太金, 等. 微波加熱技術(shù)在清除道路積冰中的應(yīng)用[J]. 北方交通大學(xué)學(xué)報, 2003, 27(4): 79?83.GUAN Minghui, XU Yugong, LU Taijin, et al. Application of microwave heating on removing ice on streets[J]. Journal of Northern Jiao Tong University, 2003, 27(4): 79?83.

[10] 焦生杰, 唐相偉, 高子渝, 等. 微波除冰效率關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 中國公路學(xué)報, 2008, 21(6): 121?126. JIAO Shengjie, TANG Xiangwei, GAO Ziyu, et al. Study of key technology on microwave deicing efficiency[J]. China Journal of Highway and Transport, 2008, 21(6): 121?126.

[11] TANG X W, JIAO S J, GAO Z Y, et al. Study of 5.8 GHz magnetron in microwave deicing[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2008, 22(10): 1351?1360.

[12] 張兆鏜, 鐘若青. 微波加熱技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1988: 45?60.ZHANG Zhaotang, ZHONG Ruoqing. Microwave heating technology foundation[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 1988: 45?60.

[13] 應(yīng)四新. 微波加熱與微波干燥[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1976: 9?22.YING Sixin. Microwave heating and microwave desiccation[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1976: 9?22.

[14] 周克省, 程靜, 鄧聯(lián)文,等. Z型鐵氧體Sr3(CuZn)Co2(1?x)Fe24O41的微波吸收性能[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015, 46(5): 1615?1621. ZHOU Kesheng, CHENG Jing, DENG Lianwen, et al. Microwave absorbing properties of Z-type hexaferrite Sr3(CuZn)Co2(1?x)Fe24O41[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(5): 1615?1621.

[15] 馬愛元, 張利波, 孫成余, 等. 高氯氧化鋅煙塵微波介電特性及溫升特性[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015, 46(2): 410?415. MA Aiyuan, ZHANG Libo, SUN Chengyu, et al. Microwave dielectric properties and temperature increasing characteristics on zinc oxide dust with high content of Cl[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(2): 410?415.

(編輯 趙俊)

Simulation and experimental study of microwave deicing in airport concrete pavement

LU Song1, XU Jinyu1, 2, BAI Erlei1, LIU Junliang1

(1. Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China; 2. College of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China)

The effects of microwave frequency and pavement material type on microwave deicing efficiency were investigated. The microwave deicing simulation model was established by using COMSOL Multiphysics. The experiment research was carried out with self-designed microwave deicing device to validate the rationality of simulation model. The temperature rising rate of concrete surface heating up to 0 ℃ was used to be as an evaluating indicator for deicing efficiency. The results show that the ice layer hardly absorbs microwave energy and microwave can penetrate through the ice layer to heat up concrete, then the ice and the concrete surface detach. Compared with 2.45 GHz microwave, 5.8 GHz microwave has a low heating depth and high deicing efficiency, with heating depth reduced by 45% and deicing efficiency increased by about 5 times. Compared with ordinary concrete, the incorporation of “iron black” in concrete can increase the deicing efficiency to about 1.8 times. The simulation results are similar to experiment results, which shows the simulation model has a high accuracy, and the microwave deicing is feasible.

airport pavement; concrete pavement; microwave deicing; COMSOL Multiphysics; pavement materials

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.030

U418.326

A

1672?7207(2017)12?3366?07

2016?01?22；

2016?03?29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51208507，51378497)(Projects(51208507, 51378497) supported by the National Natural Science Foundation of China)

陸松，博士，從事機(jī)場道面施工及維護(hù)管理方面研究；E-mail：lusong647@163.com