机场跑道作为飞机起飞降落的基础设施，各项性能是否正常是飞机能否顺利起降的关键。做好机场跑道的各项保障工作，保证机场跑道时刻能够正常使用，对于保障国家财产安全及人员生命安全都有十分重要的意义^[1]。中国西北、东北等区地位处高寒地区，冬季持续时间长，冰雪周期往往持续半年之久，导致机场道面长期处于冰雪覆盖状态，道面摩擦系数减小，飞机无法正常起降。因此，高效、快速地对冰雪进行清除，保证机场道面畅通十分必要。现有的除冰方法均存在不可忽视的缺陷，距离高效、环保地除冰还有不小的差距^[2-3]。因此，为保障机场跑道在严寒天气能够正常使用，亟需一种能够快速高效除冰的新型除冰方法。

微波除冰作为一种新型除冰方式，具有除冰率高、绿色无污染等优点，逐渐得到了学者们的重视。微波是指频率为300 MHz~300 GHz的电磁波，是一种特殊能源，对其电磁场中的介质具有加热的特性。冰层对微波的吸收能力非常弱，具有透波特性。混凝土微波除冰就是利用冰层的透波特性，使微波透过冰层与混凝土相互作用，将电磁损耗能转化为热能，利用该热能来融化冰层与混凝土表面的冻黏层，从而使冰层与混凝土发生脱离。然而，微波除冰的效率问题成为了制约该技术应用的关键，传统的道面混凝土对微波的吸收发热效率低、除冰速度慢^[4-5]。因此，为提高道面混凝土的微波除冰性能，中外研究人员对其进行了大量研究^[6-7]。孟欣等^[8]将碳纤维掺入混凝土中，用于提高普通混凝土的微波除冰性能。陈昊雯等^[9]研究了不同吸波掺料对混凝土微波加热效率以及微波除冰效果的影响，发现掺入吸波掺料能有效提升混凝土的微波效应。孙凌等^[10]利用铜矿渣吸波能力强的特点，采用其代替部分砂，用于提高混凝土的微波除冰效率。Liu等^[11]研究了石墨对混凝土微波除冰性能的影响，发现石墨掺量为15%时，混凝土的微波除冰性能提高了1.50倍。上述研究多集中于在混凝土中掺加吸波掺料从而提高其微波除冰性能，此类研究对于待建机场道面具有较高的工程启示作用，而对于在用机场道面微波除冰技术应用的指导意义不大^[12]。

目前，学者们对吸波涂层用于提高沥青混凝土的微波除冰性能进行了相关研究^[13-14]，而水泥混凝土与沥青混凝土之间存在较大差异，相关研究结论不完全适用于水泥混凝土的微波除冰^[15]。因此，研究吸波涂层对水泥混凝土微波除冰性能的影响，对于推广微波除冰技术在已建机场道面中的应用具有重要意义。鉴于此，本研究将3种吸波掺料(Fe₃O₄，SiC，石墨)以一定掺量(0，3%，6%，9%，12%，15%)掺入涂层黏结溶剂中，制备混凝土吸波涂层，利用开放式微波发射系统进行无冰升温试验和微波除冰试验，针对吸波涂层对混凝土微波加热效率、微波除冰性能的影响进行了研究，并对比分析了不同吸波涂层对混凝土微波除冰性能的影响。

原材料包括150 mm×150 mm×150 mm的立方体混凝土试件、吸波掺料和涂层黏结溶剂。吸波掺料：选用Fe₃O₄，SiC，石墨3种材料作为吸波掺料(如图 1所示)。Fe₃O₄：分析纯，含量(以Fe计)62.0%~70.0%。SiC：密度3.2 g/cm³，含量99.9%。石墨：分析纯，含量98.0%。涂层黏结溶剂：选用水泥渗透剂作为涂层黏结溶剂，该溶剂由A料和B料组成。

图 1 3种吸波掺料 Fig. 1 Three kinds of microwave absorbing admixtures

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以水泥渗透剂作为涂层黏结溶剂，将吸波掺料以一定掺量加入水泥渗透剂中，并搅拌使吸波掺料分散均匀。为了保证吸波涂层的耐磨性，共涂刷两层水泥渗透剂，第1层涂刷时在水泥渗透剂中添加吸波掺料。水泥渗透剂的使用指标为：A料200 g/m²，B料200 g/m²，即每m²混凝土表面每层需涂刷400 g水泥渗透剂，A料与B料混合均匀后30 min内使用。涂刷完第1层后置于室内8 h，然后涂刷第2层，全部涂刷完成后置于室内24 h。Fe₃O₄，SiC，石墨的掺量均为第1层水泥渗透剂质量的3%，6%，9%，12%，15%。吸波涂层的具体制备流程如图 2所示。空白组试件和吸波涂层试件表面如图 3所示。

图 2 吸波涂层制备流程 Fig. 2 Process of absorbing coating preparation

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图 3 4种混凝土试件表面 Fig. 3 Surface of 4 kinds of concrete specimens

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采用自主设计的开放式微波发射系统进行无冰升温试验和微波除冰试验。该设备由磁控管、水冷装置、高度调节装置、红外温度测试器以及外接式微波操控箱等构成。

无冰升温试验：在混凝土试件表面中心点布设光纤温度传感器，使用开放式微波发射系统照射混凝土试件，采用无纸记录仪记录试件表面温度。

微波除冰试验：布设光纤温度传感器后，在混凝土表面冻结20 mm厚度的均匀冰层，而后发射微波、记录温度。微波频率为2.45 GHz，功率为2 kW，辐射腔端口距试件表面的高度为25 mm。

无冰升温试验中Fe₃O₄吸波涂层试件表面的温度-时间曲线如图 4所示。由图可知，随着微波作用时间的增加，试件表面的温度均不断增大。微波作用时间相同时，Fe₃O₄吸波涂层试件表面的温度均大于空白组试件。整个微波作用过程中，Fe₃O₄掺量为9%的试件表面温度最高。对不同掺量下Fe₃O₄吸波涂层试件表面的温度-时间曲线进行拟合，得到线性关系式(1)。式(1)中的斜率为温升速率，反映温度上升的快慢。由式(1)可知，空白组试件表面的温升速率为0.511 ℃/s，涂刷Fe₃O₄吸波涂层后，试件表面的温升速率均有所增大。随着涂层中Fe₃O₄掺量的增加，试件表面的温升速率先增大后减小。当Fe₃O₄掺量为9%时，试件表面的温升速率最大达到1.271 ℃/s，较空白组试件提高了148.73%。当Fe₃O₄掺量较小时，微波在吸波涂层处的反射较低，此时Fe₃O₄掺量越大，与微波作用产生的热量越大，从而使得试件表面的温升速率随着掺量的增大而增大。当Fe₃O₄掺量较大时，微波在吸波涂层处会产生强烈的反射，并且其掺量越大，产生的反射越强烈，因此，试件表面的温升速率随着掺量的增大而减小。

(1)

图 4 无冰升温试验中Fe3O4吸波涂层试件表面的温度-时间曲线 Fig. 4 Temperature-time curves of Fe3O4 microwave absorbing coating specimen surface in ice-free heating test

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无冰升温试验中SiC吸波涂层试件表面的温度-时间曲线如图 5所示。由图可知，在微波作用下，SiC吸波涂层可以提高试件表面的温度。微波作用时间相同时，SiC吸波涂层试件表面温度较空白组试件高。对不同掺量下SiC吸波涂层试件表面的温度-时间曲线进行拟合，得到线性关系式(2)。由式(2)可知，随着吸波涂层中SiC掺量的增加，试件表面的温升速率先增大后减小。当SiC掺量为9%时，试件表面的温升速率最大达到0.929 ℃/s，较空白组试件提高了81.8%。而后随着SiC掺量的增加，试件表面的温升速率逐渐减小，但仍较空白组试件大。当SiC掺量为15%时，试件表面的温升速率较空白组提高了59.9%。由此可见，在混凝土表面涂刷SiC吸波涂层有利于其微波加热效率的提高。

(2)

图 5 无冰升温试验中SiC吸波涂层试件表面的温度-时间曲线 Fig. 5 Temperature-time curves of SiC microwave absorbing coating specimen surface in ice-free heating test

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无冰升温试验中石墨吸波涂层试件表面的温度-时间曲线如图 6所示。由图可知，相同微波作用时间下，石墨吸波涂层试件表面的温度均较空白组试件高。对不同掺量下石墨吸波涂层试件表面的温度-时间曲线进行拟合，得到线性关系式(3)。由式(3)可知，石墨吸波涂层试件表面的无冰升温规律与Fe₃O₄吸波涂层、SiC吸波涂层基本相同。随着掺量的增大，试件表面的升温速率先增大后减小。当石墨吸波涂层中石墨掺量为12%时，试件的温升速率最大，为1.313 ℃/s，较空白组试件增大了1.57倍。由此可见，石墨吸波涂层能够显著提高混凝土的微波加热效率。

(3)

图 6 无冰升温试验中石墨吸波涂层试件表面的温度-时间曲线 Fig. 6 Temperature-time curves of graphite microwave absorbing coating specimen surface in ice-free heating test

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吸波涂层试件的微波除冰情况如图 7所示。由图可知，在微波作用范围内，吸波涂层上方的冰层基本与混凝土试件脱离，达到了微波除冰的目的。

图 7 吸波涂层试件的微波除冰情况 Fig. 7 Microwave deicing of microwave absorbing coating specimen

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微波除冰试验中Fe₃O₄吸波涂层试件表面的温度-时间曲线如图 8所示。由图可知，微波除冰过程中，以0 ℃为界限，试件表面温度变化可分为冰层融化前和冰层融化后。冰层融化前试件表面的温度近似于线性上升，与无冰升温试验中的温度-时间曲线相似。冰层融化后，试件表面温度线性变化规律不明显，与无冰升温试验中的温度-时间曲线有较大区别，主要因为试件表面持续产生液态水，光纤温度传感器测得的温度无法准确反映试件表面的实际温度。对不同掺量下Fe₃O₄吸波涂层试件冰层融化前(即温度小于0 ℃)表面的温度-时间曲线进行拟合，得到线性关系式(4)。由式(4)可知，冰层融化前Fe₃O₄吸波涂层试件的升温规律，与无冰升温试验结果相似。随着吸波涂层中Fe₃O₄掺量的增加，试件表面的升温速率先增大后减小。当Fe₃O₄掺量为9%时，试件表面的升温速率最大，较空白组试件增大了1.30倍。由此可见，涂刷Fe₃O₄吸波涂层可以提高混凝土的微波除冰效率。

(4)

图 8 微波除冰试验中Fe3O4吸波涂层试件表面的温度-时间曲线 Fig. 8 Temperature-time curves of Fe3O4 microwave absorbing coating specimen surface in microwave deicing test

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微波除冰试验中SiC吸波涂层试件表面的温度-时间曲线如图 9所示。由图可知，SiC吸波涂层试件与Fe₃O₄吸波涂层试件两者表面的温度-时间曲线相似，冰层融化前温度-时间曲线线性规律明显，冰层融化后温度变化波动较大。对不同掺量下SiC吸波涂层试件冰层融化前表面的温度-时间曲线进行拟合，得到线性关系式(5)。由式(5)可知，试件表面的升温速率随着吸波涂层中SiC掺量的增加呈现先增大后减小的趋势。与无冰升温试验结果一样，当SiC掺量为9%时，试件表面的升温速率最大为0.615 ℃/s，较空白组试件增大了67.12%。

(5)

图 9 微波除冰试验中SiC吸波涂层试件表面的温度-时间曲线 Fig. 9 Temperature-time curves of SiC microwave absorbing coating specimen surface in microwave deicing test

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微波除冰试验中石墨吸波涂层试件表面的温度-时间曲线如图 10所示。由图可知，涂刷石墨吸波涂层后，微波作用下试件表面达到0 ℃所需时间明显减小。对不同掺量下石墨吸波涂层试件冰层融化前表面的温度-时间曲线进行拟合，得到线性关系式(6)。由式(6)可知，试件表面的升温速率随着吸波涂层中石墨掺量的增加先增大后减小。当吸波涂层中石墨掺量为12%时，试件表面的升温速率最大，较空白组试件增大了245.11%。涂刷石墨吸波涂层，可以明显提高混凝土试件在微波作用下的升温速率，增强其微波除冰性能。

(6)

图 10 微波除冰试验中石墨吸波涂层试件表面的温度-时间曲线 Fig. 10 Temperature-time curves of graphite microwave absorbing coating specimen surface in microwave deicing test

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吸波涂层试件表面的升温速率如图 11所示。由图可知，无论是无冰升温试验，还是微波除冰试验，吸波涂层试件表面的升温速率均较空白组试件高，涂刷吸波涂层后能提高混凝土的微波加热效率和微波除冰性能。无冰升温试验中，吸波掺料掺量相同时，Fe₃O₄吸波涂层试件与石墨吸波涂层试件表面的升温速率均较SiC吸波涂层试件高。当涂层中Fe₃O₄，SiC掺量为9%时，试件表面的升温速率最大；当涂层中石墨掺量为12%时，试件表面的升温速率最大。对比Fe₃O₄吸波涂层试件与石墨吸波涂层试件表面的升温速率，发现仅当吸波掺料掺量为9%时，Fe₃O₄吸波涂层试件表面的升温速率大于石墨吸波涂层试件，其余掺量下均为石墨吸波涂层试件表面的升温速率大。石墨吸波涂层试件和Fe₃O₄吸波涂层试件表面的最大升温速率分别为1.313 ℃/s，1.271 ℃/s，石墨吸波涂层试件表面的最大升温速率更大。微波除冰试验中，吸波掺料掺量相同时，石墨吸波涂层试件表面的升温速率最大，其次为Fe₃O₄吸波涂层试件，SiC吸波涂层试件表面的升温速率最小。综上可见，石墨吸波涂层对混凝土微波除冰性能的改善效果最佳。对比无冰升温试验结果和微波除冰试验结果可知，相同吸波掺料掺量时，微波除冰试验中试件表面的升温速率均较无冰升温试验中小。微波除冰试验中试件温度低，微波产生的热量耗散速率快、利用率低，所以升温速度小。由此可见，试件表面的初始温度对混凝土的微波除冰性能也有较大影响。

图 11 吸波涂层试件表面的升温速率 Fig. 11 Heating rates of microwave absorbing coating specimen surface

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微波与介质相互作用下电磁损耗能被转化为热能，而介质和微波之间的电磁损耗与介质的相对介电常数密切相关^[16-17]。冰层的相对介电常数极小，微波穿过冰层几乎不发生损耗。Fe₃O₄、SiC、石墨的相对介电常数为20，10，84，而混凝土的相对介电常数仅为6.5^[18]，所以Fe₃O₄吸波涂层、SiC吸波涂层、石墨吸波涂层可以提高混凝土的微波除冰性能，且石墨吸波涂层的提高效果最佳。

根据吸波涂层反射吸收模型^[19]可知，当微波由空气或冰层入射到吸波涂层上表面时，一部分微波会直接被吸波涂层上表面反射回空气或冰层中，另一部分微波会透射进入吸波涂层内部，被吸波掺料损耗吸收后到达吸波涂层下界面。到达吸波涂层下界面的微波一部分透射进入混凝土，一部分被混凝土表面反射回吸波涂层中，经多次损耗、反射、透射后进入空气或冰层中^[20]。由以上分析可知，吸波涂层对微波的吸收主要来源于吸波掺料对进入吸波涂层内部微波的损耗。随着吸波掺料掺量的增加，一方面微波在吸波涂层的反射增多，进入吸波涂层内部的微波减少；另一方面，进入吸波涂层内部的微波损耗加强。因此，在两方面因素的共同影响下，随着吸波掺料掺量的增加，吸波涂层试件的微波除冰性能先增大后减小。

(1) Fe₃O₄吸波涂层、SiC吸波涂层、石墨吸波涂层均能提高混凝土表面的升温速率，增强混凝土的微波加热效率和微波除冰性能。

(2) 随着吸波涂层中吸波掺料掺量的增加，混凝土试件表面的升温速率先增大后减小，Fe₃O₄、SiC、石墨的最佳掺量分别为9%，9%，12%。

(3) 当吸波涂层中石墨的掺量为12%时，无冰加热试验和微波除冰试验中混凝土试件表面的升温速率分别是空白组试件的2.57倍，3.47倍。

(4) 石墨吸波涂层对混凝土微波除冰性能的改善效果最佳，其次为Fe₃O₄吸波涂层，最后为石墨吸波涂层。