本發(fā)明涉建材領(lǐng)域和碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域，具體是一種用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土及其制備方法。
背景技術(shù)：
：我國(guó)地域遼闊，寒冷地區(qū)分布范圍廣，冬期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，氣溫常年處于負(fù)溫，致使路面結(jié)冰，大大降低了路面的摩擦系數(shù)，車輛行駛，制動(dòng)困難，極易發(fā)生交通事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冬季道路冰雪引起的交通安全事故占事故總量的35％，同時(shí)，結(jié)冰道路上車輛行駛的速度下降2/3，嚴(yán)重降低了工作效率。2008年，我國(guó)南方多省遭遇罕見(jiàn)持續(xù)低溫雨雪天氣，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)537.9億。因此，如何快速有效地清除道面積冰引起了人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的除冰方法主要有清除法、融化法和抑制法。清除法分為人工清除法和機(jī)械清除法，人工清除法比較靈活但是勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，需要耗費(fèi)較多的人力物力，而且對(duì)交通通行影響較大；機(jī)械清除法燃油消耗較大，冰層除凈率較低，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用較高。融化法分為化學(xué)融化法和物理融化法，化學(xué)融化法中的融雪劑污染環(huán)境，腐蝕鋼筋，對(duì)道面耐久性能夠產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)破壞；物理融化法主要有撒布砂石料和熱力融化法，撒布砂石料除冰方法效率較低；熱力融化法是指利用太陽(yáng)能、紅外線、電能、地?zé)崮艿葻崮芮宄缆贩e冰的方法，熱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，并且能耗較大。抑制法是指在道面鋪裝材料摻入彈性顆粒，在行車荷載作用下路面產(chǎn)生自應(yīng)力達(dá)到除冰目的，但是當(dāng)冰層達(dá)到一定厚度后，除冰效果不顯著，同時(shí)，彈性顆粒道面的耐久性也有待提升，在一些對(duì)道面性能要求較高的道路工程中，如機(jī)場(chǎng)跑道，高等級(jí)高速公路等，其應(yīng)用受到限制。針對(duì)傳統(tǒng)除冰方法的不足，目前已經(jīng)提出了道路微波除冰技術(shù)。微波除冰技術(shù)是利用微波加熱路面，使冰層與路面脫離，然后通過(guò)機(jī)械裝置破碎并清除冰層，從而實(shí)現(xiàn)路面除冰的目的。冰層基本不吸收微波，微波能夠透過(guò)冰層加熱道面，道面材料吸收微波后溫度逐漸升高，然后再將熱量傳遞給冰層。貼近道面的冰層首先融化形成水膜，降低了冰層與道面之間的粘結(jié)應(yīng)力，再利用機(jī)械裝置就可以將脫離的冰層輕易地清除，實(shí)現(xiàn)道面除冰。道路微波除冰自提出以來(lái)，由于除冰效率較低，一直未得到實(shí)際的推廣應(yīng)用。從道路微波除冰的過(guò)程可以看出，研究開(kāi)發(fā)一種具有高效吸波升溫性能的路面材料是提高微波除冰效率的關(guān)鍵所在。在公開(kāi)號(hào)為cn106082876a的發(fā)明創(chuàng)造中公開(kāi)了一種適于微波除冰的混凝土及銅礦渣在混凝土方面的應(yīng)用，其質(zhì)量組分為水泥379kg、水144kg、碎石1270kg、外加劑7.58kg、砂312-500kg、銅礦渣125-313kg。將銅礦渣應(yīng)用于混凝土，提供微波對(duì)混凝土路面的除冰效果。該材料的微波除冰效率得到提升，除冰效果比較好，提高了工業(yè)冶金銅礦渣肥料的利用價(jià)值，但是銅礦渣的摻入能夠降低拌合物的和易性，并且在一定程度上能夠降低材料的抗折強(qiáng)度。在公開(kāi)號(hào)為cn106223254a的發(fā)明創(chuàng)造中公開(kāi)了基于電磁超材料的路面除冰方法，包括以下步驟，設(shè)計(jì)周期性材料；將周期性材料放置在路面冰層上；再在周期性材料的上方放置微波加熱裝置，調(diào)節(jié)駐波比至2以下，對(duì)路面冰層進(jìn)行除冰。該方法加強(qiáng)了路面附近分布的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，大大增加熱損耗能量，提高了微波熱轉(zhuǎn)化效率，但是該方法對(duì)路面的平整度要求比較高，周期性材料直接接觸路面冰層上，難以實(shí)現(xiàn)道路的連續(xù)除冰。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的微波除冰效率低的不足，本發(fā)明提出了一種用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土及其制備方法。本發(fā)明中，每1m3所述適用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)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減水劑和2.67～4.45kg碳纖維組成。所述石料包括大石、中石和小石，并且大石與中石的重量相同，小石為所述大石或中石重量的50％。所述石料中，大石為561.07～575.14kg，中石為561.07～575.14kg，小石為280.53～287.57kg。所述砂的細(xì)度模數(shù)為2.8，堆積密度為1.45g/cm3，表觀密度為2.58g/cm3；所述碎石為石灰?guī)r，堆積密度為1.68g/cm3，表觀密度為2.71g/cm3。所述大石粒徑為20～40mm，中石粒徑為10～20mm，小石粒徑為5～10mm。所述的碳纖維為瀝青基短切碳纖維，單絲直徑為7μm，短切長(zhǎng)度為6mm，密度1.76g/cm3，拉伸強(qiáng)度4107mpa，拉伸彈性模量239gpa。所述的聚羧酸高效減水劑為pca型聚羧酸減水劑，減水率為35％。本發(fā)明提出的制備1所述用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土的具體過(guò)程是：步驟1：稱料，按照配比稱量各物料；步驟2：纖維分散，將聚羧酸高效減水劑和水混合攪拌120s，得到聚羧酸高效減水劑混合液；將碳纖維摻入到該混合液中并超聲波振動(dòng)15min，得到碳纖維均勻分布的混合液；步驟3：制備碳纖維水泥砂漿，將水泥灰和砂倒入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌30s；將得到的混合液倒入攪拌機(jī)內(nèi)繼續(xù)攪拌30s，得到分布均勻的碳纖維水泥砂漿；步驟4：制備碳纖維混凝土拌合物，將所述大石、中石和小石按配比摻入到攪拌機(jī)內(nèi)，與步驟3獲得的碳纖維水泥砂漿繼續(xù)攪拌120s，得到分布均勻的碳纖維混凝土拌合物；步驟5：制備碳纖維增強(qiáng)混凝土，將得到的纖維混凝土拌合物裝入模具內(nèi)并振動(dòng)120s密實(shí)成型；在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24h脫模，脫模后再在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)27d，即得到碳纖維增強(qiáng)混凝土。利用本發(fā)明鋪筑的路面，具有吸波升溫速率快，除冰效率高等優(yōu)點(diǎn)，提高了道路微波除冰效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得的有益效果是：(1)水泥基體中碳纖維的分散性比較好：這主要具有兩方面的原因，一方面是聚羧酸高效減水劑具有分散纖維的功能，由于聚羧酸高效減水劑還有強(qiáng)極性的羥基、羧基和磺酸基，這些強(qiáng)極性基團(tuán)可以吸附在碳纖維表面，增大碳纖維間的相互斥力，從而提高分散度；另一方面是超聲波分散儀產(chǎn)生超聲波的空化作用使碳纖維在混合液中進(jìn)一步分散。本發(fā)明采用這種碳纖維分散方式，可以避免傳統(tǒng)方法中將水溶性纖維素醚帶入水泥基體中，從而減少對(duì)混凝土的強(qiáng)度的影響。(2)強(qiáng)度得到提升。本發(fā)明制備的碳纖維增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到52.18-56.57mpa，抗折強(qiáng)度達(dá)到6.63-7.48mpa，而不摻碳纖維的普通混凝土抗壓強(qiáng)度為48.77mpa，抗折強(qiáng)度為5.98mpa。這主要是由于混凝土內(nèi)部分散均勻的碳纖維具有增強(qiáng)作用?；炷潦芰Ξa(chǎn)生微裂縫后，因微裂紋強(qiáng)度與碳纖維相交，碳纖維可以跨越微裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用，從而微裂縫尖端的應(yīng)力集中，延緩裂縫的發(fā)展；同時(shí)也可以改變微裂縫的發(fā)展方向，產(chǎn)生更多的微裂縫，從而耗散外部能量。(3)吸波性能增強(qiáng)，微波作用下材料表面升溫速率明顯大幅增大。在微波(頻率2.45ghz，功率1000w)作用下，不摻碳纖維混凝土在覆蓋15mm冰層的情況下，混凝土表面的吸波升溫速率為0.37℃/s；相同條件下，本發(fā)明制備的碳纖維增強(qiáng)混凝土表面吸波升溫速率達(dá)到1.27～1.67℃/s，提升了3.4～4.5倍。這主要是因?yàn)樘祭w維具有極強(qiáng)的吸波和發(fā)熱作用，碳纖維在混凝土基體中隨機(jī)分布，在與微波作用時(shí)成為偶極子或諧振子，這些隨機(jī)分布的偶極子在電磁場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生極化耗散電流，在周圍基體的作用下，耗散電流被衰減，從而將微波能轉(zhuǎn)化為其他形式的能(熱能)。具體實(shí)例方式實(shí)施例1本實(shí)施例是一種適用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土。每1m3所述適用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土包含330.00kg水泥、135.30kg水、1437.85kg石料、562.55kg砂、3.33kg減水劑和2.67kg碳纖維；所述的石料分為大石、中石和小石三種，其中，大石為575.14kg，中石為575.14kg，小石為287.57kg。所述的水泥為p.o42.5普通硅酸鹽水泥；砂為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，堆積密度為1.45g/cm3，表觀密度為2.58g/cm3；碎石為石灰?guī)r，堆積密度為1.68g/cm3，表觀密度為2.71g/cm3，大石粒徑范圍為20～40mm，中石粒徑范圍為10～20mm，小石粒徑范圍為5～10mm。所述的碳纖維為瀝青基短切碳纖維，單絲直徑為7μm，短切長(zhǎng)度為6mm，密度1.76g/cm3，拉伸強(qiáng)度4107mpa，拉伸彈性模量239gpa。所述的聚羧酸高效減水劑為pca型聚羧酸減水劑，減水率達(dá)35％。制備所述適用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土的具體過(guò)程是：步驟1：稱料，按照配比采用電子稱稱量各組分的重量；步驟2：纖維分散，將聚羧酸高效減水劑和水混合攪拌120s得到聚羧酸高效減水劑混合液，然后將碳纖維摻入到混合液中，再將ycfs28-800型超聲波分散儀的超聲波振動(dòng)桿插入混合液中振動(dòng)15min，得到碳纖維均勻分布的混合液；步驟3：制備碳纖維水泥砂漿，將水泥灰和砂倒入hjw-60型單臥軸砼強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)攪拌30s，然后將步驟2中獲得的混合液倒入攪拌機(jī)內(nèi)繼續(xù)攪拌30s，得到分布均勻的碳纖維水泥砂漿；步驟4：制備碳纖維混凝土拌合物，將所述大石、中石和小石按配比摻入到攪拌機(jī)內(nèi)，與步驟3獲得的碳纖維水泥砂漿繼續(xù)攪拌120s，得到分布均勻的碳纖維混凝土拌合物；步驟5：制備碳纖維增強(qiáng)混凝土，將步驟4中獲得的纖維混凝土拌合物裝入模具內(nèi)，并在hzj磁力振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)120s，密實(shí)成型，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24h脫模，脫模后再在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)27d，即得到碳纖維增強(qiáng)混凝土。所述的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件為濕度≥95％，溫度為20±2℃。實(shí)施例2本實(shí)施例是一種適用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土。，每1m3所述的適用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土包含348.00kg水泥、142.68kg水、1412.52kg石料、552.63kg砂、3.48kg減水劑和3.56kg碳纖維；所述的石料分為大石、中石和小石三種，其中，大石為565.01kgkg，中石為565.01kgkg，小石為282.50kg。所述的水泥為p.o42.5普通硅酸鹽水泥；砂為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，堆積密度為1.45g/cm3，表觀密度為2.58g/cm3；碎石為石灰?guī)r，堆積密度為1.68g/cm3，表觀密度為2.71g/cm3，大石粒徑范圍為20-40mm，中石粒徑范圍為10-20mm，小石粒徑范圍為5-10mm。所述的碳纖維為瀝青基短切碳纖維，單絲直徑7μm，短切長(zhǎng)度6mm，密度1.76g/cm3，拉伸強(qiáng)度4107mpa，拉伸彈性模量239gpa。所述的聚羧酸高效減水劑為pca型聚羧酸減水劑，減水率達(dá)35％。具體制備方法同實(shí)施例1。實(shí)施例3本實(shí)施例是一種適用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土。每1m3所述的適用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土中包含355.00kg水泥、145.55kg水、1402.67kg石料、548.78kg砂、3.55kg減水劑和4.45kg碳纖維；所述的石料分為大石、中石和小石三種，其中，大石為561.07kg，中石為561.07kg，小石為280.53kg。所述的水泥為p.o42.5普通硅酸鹽水泥；砂為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，堆積密度為1.45g/cm3，表觀密度為2.58g/cm3；碎石為石灰?guī)r，堆積密度為1.68g/cm3，表觀密度為2.71g/cm3，大石粒徑范圍為20-40mm，中石粒徑范圍為10-20mm，小石粒徑范圍為5-10mm。所述的碳纖維為瀝青基短切碳纖維，單絲直徑7μm，短切長(zhǎng)度6mm，密度1.76g/cm3，拉伸強(qiáng)度4107mpa，拉伸彈性模量239gpa。所述的聚羧酸高效減水劑為pca型聚羧酸減水劑，減水率達(dá)35％。具體制備方法同實(shí)施例1。對(duì)上述實(shí)施例的適用于道路微波除冰的碳纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行了性能測(cè)試，數(shù)據(jù)如下表：抗壓強(qiáng)度/mpa抗折強(qiáng)度/mpa試件表面吸波升溫速率/(℃·s-1)實(shí)施例152.186.871.27實(shí)施例256.577.481.42實(shí)施例353.656.631.67當(dāng)前第1頁(yè)12