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CN107140906A - 用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土及其制备方法 - Google Patents

用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土及其制备方法 Download PDF

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CN107140906A CN201710305180.8A CN201710305180A CN107140906A CN 107140906 A CN107140906 A CN 107140906A CN 201710305180 A CN201710305180 A CN 201710305180A CN 107140906 A CN107140906 A CN 107140906A
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白二雷
刘俊良
王谕贤
任韦波
聂良学
李启帆
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Abstract

一种用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土及其制备方法。该混凝土包括水泥、水、碎石、砂、碳纤维和聚羧酸高效减水剂。将水泥粉末和砂倒入搅拌机中搅拌均匀，并将碳纤维在聚羧酸高效减水剂混合液中分散均匀；将分散均匀的混合液和石料倒入搅拌机中一起搅拌至出现均匀的混凝土拌合物，浇注密实成型。本发明利用碳纤维对微波具有极强的吸波和发热作用，将碳纤维掺入到混凝土中后能够极大地提高混凝土的吸波升温性能。具有抗折强度高、吸波性能强、升温速率快的特点。将该混凝土用于铺筑混凝土路面，在微波作用下结冰道路冰层结合处能够快速融化，从而实现高效快速的道路微波除冰，应用前景广。

Description

用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉建材领域和碳纤维应用领域，具体是一种用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土及其制备方法。
背景技术
我国地域辽阔，寒冷地区分布范围广，冬期持续时间长，气温常年处于负温，致使路面结冰，大大降低了路面的摩擦系数，车辆行驶，制动困难，极易发生交通事故。据统计，冬季道路冰雪引起的交通安全事故占事故总量的35％，同时，结冰道路上车辆行驶的速度下降2/3，严重降低了工作效率。2008年，我国南方多省遭遇罕见持续低温雨雪天气，直接经济损失达537.9亿。因此，如何快速有效地清除道面积冰引起了人们的广泛关注。
传统的除冰方法主要有清除法、融化法和抑制法。清除法分为人工清除法和机械清除法，人工清除法比较灵活但是劳动强度大，作业时间长，需要耗费较多的人力物力，而且对交通通行影响较大；机械清除法燃油消耗较大，冰层除净率较低，设备维护费用较高。融化法分为化学融化法和物理融化法，化学融化法中的融雪剂污染环境，腐蚀钢筋，对道面耐久性能够产生不可逆转破坏；物理融化法主要有撒布砂石料和热力融化法，撒布砂石料除冰方法效率较低；热力融化法是指利用太阳能、红外线、电能、地热能等热能清除道路积冰的方法，热力融化法清除道路薄冰效果好，但是清除道路厚冰效果不理想，并且能耗较大。抑制法是指在道面铺装材料掺入弹性颗粒，在行车荷载作用下路面产生自应力达到除冰目的，但是当冰层达到一定厚度后，除冰效果不显著，同时，弹性颗粒道面的耐久性也有待提升，在一些对道面性能要求较高的道路工程中，如机场跑道，高等级高速公路等，其应用受到限制。
针对传统除冰方法的不足，目前已经提出了道路微波除冰技术。微波除冰技术是利用微波加热路面，使冰层与路面脱离，然后通过机械装置破碎并清除冰层，从而实现路面除冰的目的。冰层基本不吸收微波，微波能够透过冰层加热道面，道面材料吸收微波后温度逐渐升高，然后再将热量传递给冰层。贴近道面的冰层首先融化形成水膜，降低了冰层与道面之间的粘结应力，再利用机械装置就可以将脱离的冰层轻易地清除，实现道面除冰。道路微波除冰自提出以来，由于除冰效率较低，一直未得到实际的推广应用。从道路微波除冰的过程可以看出，研究开发一种具有高效吸波升温性能的路面材料是提高微波除冰效率的关键所在。
在公开号为CN106082876A的发明创造中公开了一种适于微波除冰的混凝土及铜矿渣在混凝土方面的应用，其质量组分为水泥379kg、水144kg、碎石1270kg、外加剂7.58kg、砂312-500kg、铜矿渣125-313kg。将铜矿渣应用于混凝土，提供微波对混凝土路面的除冰效果。该材料的微波除冰效率得到提升，除冰效果比较好，提高了工业冶金铜矿渣肥料的利用价值，但是铜矿渣的掺入能够降低拌合物的和易性，并且在一定程度上能够降低材料的抗折强度。
在公开号为CN106223254A的发明创造中公开了基于电磁超材料的路面除冰方法，包括以下步骤，设计周期性材料；将周期性材料放置在路面冰层上；再在周期性材料的上方放置微波加热装置，调节驻波比至2以下，对路面冰层进行除冰。该方法加强了路面附近分布的场强强度，大大增加热损耗能量，提高了微波热转化效率，但是该方法对路面的平整度要求比较高，周期性材料直接接触路面冰层上，难以实现道路的连续除冰。
发明内容
为克服现有技术中存在的微波除冰效率低的不足，本发明提出了一种用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土及其制备方法。
本发明中，每1m3所述适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土中包含330.0～355.0kg水泥、135.30～145.55kg水、1437.85kg石料、548.78～562.55kg砂、3.33～3.55kg减水剂和2.67～4.45kg碳纤维组成。所述石料包括大石、中石和小石，并且大石与中石的重量相同，小石为所述大石或中石重量的50％。
所述石料中，大石为561.07～575.14kg，中石为561.07～575.14kg，小石为280.53～287.57kg。
所述砂的细度模数为2.8，堆积密度为1.45g/cm3，表观密度为2.58g/cm3；所述碎石为石灰岩，堆积密度为1.68g/cm3，表观密度为2.71g/cm3。
所述大石粒径为20～40mm，中石粒径为10～20mm，小石粒径为5～10mm。
所述的碳纤维为沥青基短切碳纤维，单丝直径为7μm，短切长度为6mm，密度1.76g/cm3，拉伸强度4107MPa，拉伸弹性模量239GPa。
所述的聚羧酸高效减水剂为PCA型聚羧酸减水剂，减水率为35％。
本发明提出的制备1所述用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土的具体过程是：
步骤1：称料，按照配比称量各物料；
步骤2：纤维分散，将聚羧酸高效减水剂和水混合搅拌120s，得到聚羧酸高效减水剂混合液；将碳纤维掺入到该混合液中并超声波振动15min，得到碳纤维均匀分布的混合液；
步骤3：制备碳纤维水泥砂浆，将水泥灰和砂倒入搅拌机内搅拌30s；将得到的混合液倒入搅拌机内继续搅拌30s，得到分布均匀的碳纤维水泥砂浆；
步骤4：制备碳纤维混凝土拌合物，将所述大石、中石和小石按配比掺入到搅拌机内，与步骤3获得的碳纤维水泥砂浆继续搅拌120s，得到分布均匀的碳纤维混凝土拌合物；
步骤5：制备碳纤维增强混凝土，将得到的纤维混凝土拌合物装入模具内并振动120s密实成型；在标准养护条件下养护24h脱模，脱模后再在标准养护条件下养护27d，即得到碳纤维增强混凝土。
利用本发明铺筑的路面，具有吸波升温速率快，除冰效率高等优点，提高了道路微波除冰效率。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)水泥基体中碳纤维的分散性比较好：这主要具有两方面的原因，一方面是聚羧酸高效减水剂具有分散纤维的功能，由于聚羧酸高效减水剂还有强极性的羟基、羧基和磺酸基，这些强极性基团可以吸附在碳纤维表面，增大碳纤维间的相互斥力，从而提高分散度；另一方面是超声波分散仪产生超声波的空化作用使碳纤维在混合液中进一步分散。本发明采用这种碳纤维分散方式，可以避免传统方法中将水溶性纤维素醚带入水泥基体中，从而减少对混凝土的强度的影响。
(2)强度得到提升。本发明制备的碳纤维增强混凝土抗压强度达到52.18-56.57MPa，抗折强度达到6.63-7.48MPa，而不掺碳纤维的普通混凝土抗压强度为48.77MPa，抗折强度为5.98MPa。这主要是由于混凝土内部分散均匀的碳纤维具有增强作用。混凝土受力产生微裂缝后，因微裂纹强度与碳纤维相交，碳纤维可以跨越微裂缝起到传递荷载的桥梁作用，从而微裂缝尖端的应力集中，延缓裂缝的发展；同时也可以改变微裂缝的发展方向，产生更多的微裂缝，从而耗散外部能量。
(3)吸波性能增强，微波作用下材料表面升温速率明显大幅增大。在微波(频率2.45GHz，功率1000W)作用下，不掺碳纤维混凝土在覆盖15mm冰层的情况下，混凝土表面的吸波升温速率为0.37℃/s；相同条件下，本发明制备的碳纤维增强混凝土表面吸波升温速率达到1.27～1.67℃/s，提升了3.4～4.5倍。这主要是因为碳纤维具有极强的吸波和发热作用，碳纤维在混凝土基体中随机分布，在与微波作用时成为偶极子或谐振子，这些随机分布的偶极子在电磁场的作用下，会产生极化耗散电流，在周围基体的作用下，耗散电流被衰减，从而将微波能转化为其他形式的能(热能)。
具体实例方式
实施例1
本实施例是一种适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土。每1m3所述适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土包含330.00kg水泥、135.30kg水、1437.85kg石料、562.55kg砂、3.33kg减水剂和2.67kg碳纤维；所述的石料分为大石、中石和小石三种，其中，大石为575.14kg，中石为575.14kg，小石为287.57kg。
所述的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；砂为中砂，细度模数为2.8，堆积密度为1.45g/cm3，表观密度为2.58g/cm3；碎石为石灰岩，堆积密度为1.68g/cm3，表观密度为2.71g/cm3，大石粒径范围为20～40mm，中石粒径范围为10～20mm，小石粒径范围为5～10mm。
所述的碳纤维为沥青基短切碳纤维，单丝直径为7μm，短切长度为6mm，密度1.76g/cm3，拉伸强度4107MPa，拉伸弹性模量239GPa。
所述的聚羧酸高效减水剂为PCA型聚羧酸减水剂，减水率达35％。
制备所述适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土的具体过程是：
步骤1：称料，按照配比采用电子称称量各组分的重量；
步骤2：纤维分散，将聚羧酸高效减水剂和水混合搅拌120s得到聚羧酸高效减水剂混合液，然后将碳纤维掺入到混合液中，再将YCFS28-800型超声波分散仪的超声波振动杆插入混合液中振动15min，得到碳纤维均匀分布的混合液；
步骤3：制备碳纤维水泥砂浆，将水泥灰和砂倒入HJW-60型单卧轴砼强制式搅拌机内搅拌30s，然后将步骤2中获得的混合液倒入搅拌机内继续搅拌30s，得到分布均匀的碳纤维水泥砂浆；
步骤4：制备碳纤维混凝土拌合物，将所述大石、中石和小石按配比掺入到搅拌机内，与步骤3获得的碳纤维水泥砂浆继续搅拌120s，得到分布均匀的碳纤维混凝土拌合物；
步骤5：制备碳纤维增强混凝土，将步骤4中获得的纤维混凝土拌合物装入模具内，并在HZJ磁力振动台振动120s，密实成型，然后在标准养护条件下养护24h脱模，脱模后再在标准养护条件下养护27d，即得到碳纤维增强混凝土。所述的标准养护条件为湿度≥95％，温度为20±2℃。
实施例2
本实施例是一种适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土。，每1m3所述的适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土包含348.00kg水泥、142.68kg水、1412.52kg石料、552.63kg砂、3.48kg减水剂和3.56kg碳纤维；所述的石料分为大石、中石和小石三种，其中，大石为565.01kg kg，中石为565.01kg kg，小石为282.50kg。
所述的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；砂为中砂，细度模数为2.8，堆积密度为1.45g/cm3，表观密度为2.58g/cm3；碎石为石灰岩，堆积密度为1.68g/cm3，表观密度为2.71g/cm3，大石粒径范围为20-40mm，中石粒径范围为10-20mm，小石粒径范围为5-10mm。
所述的碳纤维为沥青基短切碳纤维，单丝直径7μm，短切长度6mm，密度1.76g/cm3，拉伸强度4107MPa，拉伸弹性模量239GPa。
所述的聚羧酸高效减水剂为PCA型聚羧酸减水剂，减水率达35％。
具体制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例是一种适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土。每1m3所述的适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土中包含355.00kg水泥、145.55kg水、1402.67kg石料、548.78kg砂、3.55kg减水剂和4.45kg碳纤维；所述的石料分为大石、中石和小石三种，其中，大石为561.07kg，中石为561.07kg，小石为280.53kg。
所述的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；砂为中砂，细度模数为2.8，堆积密度为1.45g/cm3，表观密度为2.58g/cm3；碎石为石灰岩，堆积密度为1.68g/cm3，表观密度为2.71g/cm3，大石粒径范围为20-40mm，中石粒径范围为10-20mm，小石粒径范围为5-10mm。
所述的碳纤维为沥青基短切碳纤维，单丝直径7μm，短切长度6mm，密度1.76g/cm3，拉伸强度4107MPa，拉伸弹性模量239GPa。
所述的聚羧酸高效减水剂为PCA型聚羧酸减水剂，减水率达35％。
具体制备方法同实施例1。
对上述实施例的适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土进行了性能测试，数据如下表：
抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 试件表面吸波升温速率/(℃·s-1)
实施例1 52.18 6.87 1.27
实施例2 56.57 7.48 1.42
实施例3 53.65 6.63 1.67

Claims (7)

1.一种用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土，其特征在于，每1m3所述适用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土中包含330.0～355.0kg水泥、135.30～145.55kg水、1437.85kg石料、548.78～562.55kg砂、3.33～3.55kg减水剂和2.67～4.45kg碳纤维组成；所述石料包括大石、中石和小石，并且大石与中石的重量相同，小石为所述大石或中石重量的50％。
2.如权利要求1所述用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土，其特征在于，所述石料中，大石为561.07～575.14kg，中石为561.07～575.14kg，小石为280.53～287.57kg。
3.如权利要求1所述用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土，其特征在于，所述砂的细度模数为2.8，堆积密度为1.45g/cm3，表观密度为2.58g/cm3；所述碎石为石灰岩，堆积密度为1.68g/cm3，表观密度为2.71g/cm3。
4.如权利要求1所述用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土，其特征在于，所述大石粒径为20～40mm，中石粒径为10～20mm，小石粒径为5～10mm。
5.如权利要求1所述用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土，其特征在于，所述的碳纤维为沥青基短切碳纤维，单丝直径为7μm，短切长度为6mm，密度1.76g/cm3，拉伸强度4107MPa，拉伸弹性模量239Gpa。
6.如权利要求1所述用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土，其特征在于，所述的聚羧酸高效减水剂为PCA型聚羧酸减水剂，减水率为35％。
7.一种制备权利要求1所述用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1：称料，按照配比称量各物料；
步骤2：纤维分散，将聚羧酸高效减水剂和水混合搅拌120s，得到聚羧酸高效减水剂混合液；将碳纤维掺入到该混合液中并超声波振动15min，得到碳纤维均匀分布的混合液；
步骤3：制备碳纤维水泥砂浆，将水泥灰和砂倒入搅拌机内搅拌30s；将得到的混合液倒入搅拌机内继续搅拌30s，得到分布均匀的碳纤维水泥砂浆；
步骤4：制备碳纤维混凝土拌合物，将所述大石、中石和小石按配比掺入到搅拌机内，与步骤3获得的碳纤维水泥砂浆继续搅拌120s，得到分布均匀的碳纤维混凝土拌合物；
步骤5：制备碳纤维增强混凝土，将得到的纤维混凝土拌合物装入模具内并振动120s密实成型；在标准养护条件下养护24h脱模，脱模后再在标准养护条件下养护27d，即得到碳纤维增强混凝土。
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