碳纖維混凝土在融雪化冰中的應(yīng)用研究

■陳偉豪 ■廣東二廣高速公路有限公司，廣東 廣州 510000

混凝土路面由于具有強(qiáng)度高，耐久性好，造價低等優(yōu)點(diǎn)在我國廣泛應(yīng)用。我國北方大部分地區(qū)冬季溫度低，常有降雪，混凝土路面上大量的冰凍積雪給車輛造成了一定的行駛障礙，因此，路面的快速除冰化雪具有重要意義。目前，有關(guān)路面融雪化冰技術(shù)已經(jīng)開展了很多研究，并且取得了一定的研究成果，但實際應(yīng)用效果并不是很理想，達(dá)不到預(yù)期結(jié)果，有些甚至只是理論上的成熟，不具備工程實用的條件。本文在分析現(xiàn)有融雪化冰技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入碳纖維混凝土，旨在探討一種適合工程長期實用的混凝土路面融雪化冰技術(shù)，依此實現(xiàn)冬季混凝土路面的無障礙通行的目的。

1 常用方法探討

常用的路面融雪化冰技術(shù)有人工機(jī)械法，化學(xué)融化法，熱力學(xué)融化法以及導(dǎo)電混凝土法等。人工或者機(jī)械的方法起初得到過不少使用，但隨著交通運(yùn)輸任務(wù)的大量增加，由于效率低下不再適應(yīng);機(jī)械法，速度相對較快，但是卻容易破壞路面，并且機(jī)械投資大，閑置損耗大。此外，如果環(huán)境溫度太低，冰層較厚，由于道面和冰塊間粘結(jié)力增大，機(jī)械和人工并不能徹底的清除冰塊等。

化學(xué)融化法是在路面上鋪撒一些化學(xué)物質(zhì)，依此來降低水的冰點(diǎn)，使冰雪快速融化。此類方法目前比較常見的就是撒鹽融化技術(shù)，采用該方法材料來源比較容易，并且比較廉價，融雪破冰效果良好，但是由于鹽的化學(xué)屬性容易腐蝕路面，一定程度上影響了道面的使用質(zhì)量。盡管此方法目前在路面上比較常用，但是由于上述的一些缺點(diǎn)致使相關(guān)部門對此不是很滿意，所以出現(xiàn)更好的方法代替化學(xué)溶化法勢在必行［1］。

熱力學(xué)融化法是采用加熱的方法使冰雪融化，目前出現(xiàn)的此類方法有地?zé)峁芊ā⒘黧w加熱法、電熱絲法、紅外線管加熱法等。這些方法都普遍存在這樣或那樣的問題，如地?zé)峁馨惭b復(fù)雜，影響道面，流體加熱法需要熱水源，實施起來麻煩，電熱絲容易被拔出，紅外線管升溫比較遲緩等。所以這些方法也都不能有效的解決混凝土道面融雪化冰地問題。

導(dǎo)電混凝土法基本原理是在普通混凝土中添加某些導(dǎo)電材料使混凝土變成具有良好導(dǎo)電性能的導(dǎo)電體，當(dāng)聯(lián)通電源后，混凝土發(fā)生能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱量融化冰雪。目前常用的有鋼纖維混凝土導(dǎo)電法和碳纖維混凝土導(dǎo)電法，但是隨著使用發(fā)現(xiàn)鋼纖維作為導(dǎo)電材料，它的電阻率增大非?？?，使用一年增大近60倍，給長期使用帶來了困難，所以就出現(xiàn)了用碳纖維混凝土代替鋼纖維混凝土的趨勢，

但是用碳纖維混凝土代替后，其導(dǎo)電能力，強(qiáng)度等能否滿足要求，本文從碳纖維的力學(xué)性能、導(dǎo)電能力的穩(wěn)定性等方面來研究碳纖維混凝土能否適用路面融雪化冰。

2 原材料及碳纖維混凝土設(shè)計

采用短切碳纖維，技術(shù)指標(biāo)如下表2.1，混凝土配合比設(shè)計時，初步設(shè)計四組配合比，主要按照碳纖維摻量的不同研究碳纖維混凝土的強(qiáng)度和導(dǎo)電能力，配合比設(shè)計見下表2.2，配合比試驗測試結(jié)果見下表2.3。

表2.1 碳纖維技術(shù)性能

表2.2 碳纖維混凝土配合比設(shè)計

表2.3 配合比試驗結(jié)果

3 碳纖維混凝土力學(xué)性能試驗

混凝土路面受行車荷載和環(huán)境溫度的復(fù)雜作用，要求路面本身具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，本節(jié)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2002規(guī)范制作試件?？箟簭?qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×150mm，抗折強(qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×600mm，每個纖維摻量均準(zhǔn)備3組試件。

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

強(qiáng)度試驗嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)定的水泥混凝土抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度試驗方法，采用萬能試驗機(jī)進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果參考下面公式計算。

式中:fcu—混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(MPa);

F—極限荷載(N);A—受壓面積(mm2)。以三個試件測值的算術(shù)平均值為測定值，計算精確至0.1MPa。因為抗壓強(qiáng)度測試采用的是非標(biāo)準(zhǔn)試件，所以計算結(jié)果×尺寸換算系數(shù)(0.95)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)尺寸抗壓強(qiáng)度。

式中:ff是抗彎拉應(yīng)力(MPa);F為極限荷載(N);

L為支座間的距離(mm);b為試件寬度(mm);h為試件高度(mm)。同樣計算三個試件的平均值作為測定值。

3.2 結(jié)果分析

對四種配合比不同纖維摻量的碳纖維混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗，結(jié)果見下表2.4與2.5。

表2.4 碳纖維混凝土抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果

表2.5 碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

抗壓強(qiáng)度/MPa纖維摻量/% 試件1 試件2 試件3平均值1.0 50.0 52.5 55.6 52.7 1.5 53.6 56.8 57.1 55.9 2.0 53.8 55.9 56.7 55.5

分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著碳纖維摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有增大的趨勢，說明碳纖維的加入可改善混凝土的強(qiáng)度。同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖維摻量處于0.5～1.5%之間時，混凝土的強(qiáng)度增加的比較明顯，處于1.5～2.0%時，混凝土的強(qiáng)度并沒有顯著增加，說明碳纖維改善混凝土的強(qiáng)度存在一個摻量范圍，根據(jù)研究結(jié)果，從混凝土強(qiáng)度考慮，摻量宜在1.5～2.0%之間。

4 碳纖維混凝土導(dǎo)電性能分析

4.1 混凝土的導(dǎo)電性

導(dǎo)電混凝土作為一種導(dǎo)電材料，在兩端加上電極之后，能夠快速導(dǎo)電發(fā)熱，滿足融雪化冰需要。因此，導(dǎo)電性是衡量導(dǎo)電混凝土性能的一個重要參數(shù)，與其強(qiáng)度要求同等重要。對于導(dǎo)電性的要求是在一定的時間，允許荷載和環(huán)境條件下保持其導(dǎo)電的穩(wěn)定性。用來衡量混凝土導(dǎo)電性的一般參數(shù)是電阻率，電阻率的大小與混凝土自身的特性、所添加導(dǎo)電材料以及所加的電極都有關(guān)系［2］。一般情況下，混凝土的電阻率可以根據(jù)用途不同而不同。

4.2 碳纖維的優(yōu)勢

碳纖維一種良好的導(dǎo)電材料，它加入混凝土中形成碳纖維導(dǎo)電混凝土，其優(yōu)勢在于:(1)碳纖維混凝土的電阻率比較穩(wěn)定。電阻率的穩(wěn)定性是指隨著時間的延長、環(huán)境條件的反復(fù)變化，導(dǎo)電混凝土的電阻率應(yīng)該保持相對的穩(wěn)定;在使用過程中，隨著通電次數(shù)的增加和電壓高低的變化，其電阻率保持穩(wěn)定。碳纖維導(dǎo)電混凝土與同類型導(dǎo)電材料相比，電阻率穩(wěn)定性較強(qiáng)。(2)碳纖維由于自身特點(diǎn)，更容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。纖維越細(xì)，直徑越小，其電阻越小，在相同的混凝土板塊中穿插的碳纖維根數(shù)越多，這樣就容易形成互相連通的導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò)。因此，在導(dǎo)電混凝土中，要求碳纖維直徑小，單絲長度要大，一般要求為直徑0.05～7.50μm，長度2～40mm，這樣摻入較少體積含量就會出現(xiàn)導(dǎo)電滲流現(xiàn)象，保證了良好的導(dǎo)電能力。

正是由于碳纖維的上述特點(diǎn)，決定了它在導(dǎo)電混凝土中的適用性，但是碳纖維導(dǎo)電混凝土也有自身的缺點(diǎn):碳纖維本身具有疏水性，在水泥漿體中很難均勻分散，這就可能導(dǎo)致混凝土板塊導(dǎo)電性能不均勻。目前解決的辦法通常是加入纖維分散劑來提高碳纖維的分散性［3］，使用的分散劑通常有甲基纖維素(MC)、羧甲基纖維素(CMC)、羥乙基纖維素(HEC)。這些基團(tuán)能與碳纖維表面的極性羥基基團(tuán)或羰基基團(tuán)以及水分子之間形成氫鍵，增強(qiáng)了短碳纖維表面的親水性和侵潤性，從而提高了碳纖維的分散性。分散劑中極性基團(tuán)越多，與短碳纖維之間形成的氫鍵就越多，分子間作用力就越強(qiáng)，分散效果就越好，從而提高碳纖維混凝土的導(dǎo)電率。

5 結(jié)論

碳纖維導(dǎo)電混凝土有較高的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，并且有良好的導(dǎo)電能力和穩(wěn)定的電阻率，在路面融雪化冰方面有很好的應(yīng)用前景。同時發(fā)現(xiàn)碳纖維可能在混凝土中分布不均，在使用時有必要采取措施保證碳纖維在混凝土中均勻分散。

［1］侯作富，李卓球，等.融雪化冰用碳纖維混凝土的導(dǎo)電性能研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報.2002.24(8).

［2］王闖，李克智，等.短碳纖維在不同分散劑中的分散性［J］.精細(xì)化工，2007，24(1).

［3］朱志遠(yuǎn)，王碩太，等.新型機(jī)場道面混凝土性能研究［J］.新型建筑材料，2007(68).

［4］魏建強(qiáng).高速公路路面融雪化冰方法研究［J］.理論探討，2011(130).

［5］黃淑琴.路面加鹽除冰［J］.公路，1996(8):44～46.