碳纖維瀝青路面電磁波吸收層性能研究

劉士全

摘要：為了研究碳纖維對(duì)碎石封層材料電磁波性能的影響，將碳纖維摻入瀝青碎石封層，對(duì)不同摻量的試樣進(jìn)行微波加熱性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：在瀝青碎石封層中摻入碳纖維制備電磁波吸收層能大幅提高其微波加熱性能，試樣升溫速率是基準(zhǔn)樣的2倍；瀝青路面上設(shè)置電磁波吸收層能大幅提高路面表層微波加熱性能、微波除冰速率，抗早期荷載、抗水損害性能。

關(guān)鍵詞：碳纖維；電磁波吸收層；微波加熱；除冰雪

中圖分類(lèi)號(hào)：U418.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Electromagnetic Wave Absorbing Properties of Carbon Fiber Reinforced Asphalt Pavement

LIU Shiquan

（Traffic Design and Research Institute Co.， Ltd. of Inner Mongolia， Hohhot 010010， Inner Mongolia， China）

Abstract： In order to study the effect of carbon fiber on the electromagnetic wave properties of the chip seal materials， the microwave heating performance test was carried out on the samples with different amounts of carbon fiber. The results show that the microwave heating performance can be greatly improved by the addition of carbon fiber in the chip seal materials， and the sample heating rate is twice as high as that of the reference sample. The electromagnetic wave absorbing layer on the asphalt pavement can greatly improve the microwave heating performance， microwave deicing rate， antiearly loading， waterresistant performance of the pavement surface.

Key words： carbon fiber； electromagnetic wave absorbing layer； microwave heating； removal of ice and snow

0引言

由于中國(guó)北方大部分地區(qū)冬季氣溫普遍較低且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，這種寒冷氣候?qū)е麓罅康缆肥艿椒e雪結(jié)冰的影響，影響交通安全，從而造成嚴(yán)重的交通事故，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全威脅極大。因此，世界各國(guó)研究人員對(duì)于如何快速有效地清除道路冰雪不斷進(jìn)行著探索研究。與人工、機(jī)械、電熱、融雪劑等其他除冰融雪技術(shù)相比，微波融雪除冰具有環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，并且已應(yīng)用到飛機(jī)除冰領(lǐng)域；在道路除冰領(lǐng)域方面，微波除冰技術(shù)以其良好的操作性、實(shí)施性、無(wú)損耗性受到青睞[16]。

微波加熱技術(shù)雖然具有顯著地優(yōu)勢(shì)，但在道路除冰領(lǐng)域一直未得到推廣利用，主要是由于在微波吸收發(fā)熱方面，傳統(tǒng)道路材料的效率較低[79]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。袁斌等用鐵礦石替換部分石灰?guī)r粗集料，制備的瀝青混合料微波加熱升溫效率明顯高于普通瀝青混合料。長(zhǎng)安大學(xué)郭德棟等[1012]通過(guò)建立模型，仿真模擬了瀝青路面的微波除冰技術(shù)，進(jìn)一步研究了冰層在與瀝青路面層接觸時(shí)，通過(guò)溫度的變化規(guī)律確定最佳加熱時(shí)間。長(zhǎng)安大學(xué)趙鵬[1314]等研究發(fā)現(xiàn)，以磁鐵礦替換傳統(tǒng)瀝青集料，不僅可以提高瀝青混凝土路面的吸波性能，而且阻燃性能也得到改善。長(zhǎng)安大學(xué)焦生杰等[1519]明確了道路微波除冰的指標(biāo)，建立了微波除冰模型，研究表明：相對(duì)于245 GHz微波，58 GHz能夠提高除冰效率4～6倍，鐵磁性材料加鋪層能夠提高除冰效率3～5倍。但磁性金屬粉易銹蝕，與瀝青浸潤(rùn)性差，容易使路面出現(xiàn)松散、開(kāi)裂等病害，鐵氧體產(chǎn)量低、成本高，同時(shí)采用鐵礦石電磁波吸收材料制備瀝青路面混合料時(shí)用量過(guò)大，不易在瀝青路面中大量推廣。

瀝青碎石封層是用碎石及黏結(jié)材料（改性瀝青或改性乳化瀝青）制備而成，鋪撒在路面上，通過(guò)自然行車(chē)碾壓形成單層瀝青碎石磨耗層（厚度一般為5～12 mm），使道路各項(xiàng)性能得到提高，如：防水性能、防滑性能、行車(chē)舒適度及道路使用壽命等，并且可解決道路病害的問(wèn)題。其作為經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于日常道路養(yǎng)護(hù)中。為進(jìn)一步降低路面成本，提高瀝青路面微波除冰雪性能及其使用壽命，本文通過(guò)摻入碳纖維吸收劑到瀝青碎石封層材料中制備瀝青路面電磁波吸收層，研究碳纖維對(duì)碎石封層材料電磁波性能的影響，達(dá)到提高瀝青道路表面電磁波吸收能力的目的，解決傳統(tǒng)瀝青路面在微波除冰雪過(guò)程中存在加熱時(shí)間長(zhǎng)，除冰雪效率低的問(wèn)題，同時(shí)提高路面使用性能。

1試驗(yàn)原材料及方法

1.1原材料及配比

選用PC1快裂型乳化瀝青。瀝青碎石封層材料組成為改性瀝青2.0 kg·m-2，集料11 kg·m-2。所用碳纖維為日本TORAY生產(chǎn)的T300B1000。碳纖維用量為05%，1%、1.5%和2.0%，長(zhǎng)度分別為1、2、3、4、5 mm。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1電磁參數(shù)

對(duì)于瀝青路面電磁波吸收層材料，其復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率用矩形波導(dǎo)法來(lái)測(cè)試，測(cè)試所選波段為2.6～4.0 GHz，利用型號(hào)為E8302B的網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行分析。瀝青路面的反射損耗用式（1）、（2）計(jì)算。endprint

試樣的反射率為

RL=20logZin-Z0Zin+Z0（1）

Zin=Z0μεtanhj2πftcμε（2）

式中：RL為反射率（dB），-10 dB表示損耗電磁波能量的90%； Zin為入射波在自由空間與材料界面處的阻抗；Z0為入射波在自由空間的阻抗；μ為材料的復(fù)磁導(dǎo)率；ε為材料的復(fù)介電常數(shù)；c為光束；t為材料厚度；f為電磁波頻率。

1.2.2微波加熱特性

將熱敏電阻溫度傳感器置于試件內(nèi)，采用微波加熱器進(jìn)行加熱試驗(yàn)，分別測(cè)試5、10、15、20 min電磁波吸收層溫度，繪制加熱時(shí)間與溫度關(guān)系曲線。

1.2.3路用性能

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）要求的車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)材料早期抗荷載性能。采用《公路工程路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60—2008）濕輪磨耗試驗(yàn)中脫石率評(píng)價(jià)材料抗水損害能力。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1碳纖維改性瀝青路面電磁波吸收層電磁參數(shù)

采用不同碳纖維（長(zhǎng)3 mm）摻量（05%、10%、15%和20%）研究瀝青路面吸收層材料，測(cè)試其電磁參數(shù)結(jié)果如圖1所示。

可以看出，隨著碳纖維摻量的增加，材料的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′發(fā)生顯著增加，同時(shí)對(duì)于同一摻量的瀝青膠漿，ε′隨著電磁波頻率的增加而出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，并且碳纖維摻量越大，這種趨勢(shì)越明顯。由圖1（b）可知，隨著碳纖維摻量的增加，試樣的復(fù)介電常數(shù)虛部ε″（電損耗）呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的規(guī)律，并且在試驗(yàn)所測(cè)的電磁波頻率范圍內(nèi)，隨著電磁波頻率的增加，試樣的電損耗呈現(xiàn)出逐漸減少的規(guī)律，但是當(dāng)碳纖維的摻量維持在較低的水平時(shí)，其減小的速率較小，當(dāng)碳纖維的摻量較高時(shí)，這種規(guī)律較為明顯。

采用不同碳纖維長(zhǎng)度（長(zhǎng)為1～5 mm，摻量為15%）研究瀝青路面吸收層材料，測(cè)試其電磁參數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

可以看出，當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度在3 mm以內(nèi)時(shí)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部隨纖維長(zhǎng)度的增加而增加。當(dāng)纖維長(zhǎng)度大于3 mm時(shí)，隨著碳纖維長(zhǎng)度的增加，復(fù)介電常數(shù)隨頻率急劇下降。圖2（b）為摻不同長(zhǎng)度碳纖維瀝青試樣復(fù)介電常數(shù)虛部，測(cè)試頻率在26～4.0 GHz之間，復(fù)介電常數(shù)虛部隨纖維長(zhǎng)度的增加而增加。

2.2碳纖維改性瀝青路面電磁波吸收層吸波性能

瀝青試樣的反射率可以利用上述復(fù)介電常數(shù)與磁導(dǎo)率的關(guān)系，通過(guò)關(guān)系式（1）、（2）來(lái)計(jì)算。采用不同碳纖維摻量（0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，長(zhǎng)3 mm）研究改性瀝青路面吸收層材料，測(cè)試其在2.6 GHz處，反射率與試樣厚度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3不同厚度碳纖維瀝青電磁波吸收層反射率（長(zhǎng)3 mm）

從圖3可以看出，當(dāng)碳纖維摻量為0.5%時(shí)，其瀝青電磁波吸收層的電磁波吸收性能較優(yōu)異，電磁波吸收能力隨著碳纖維摻量的增加顯著降低。分析原因?yàn)?，在水泥基體中，短纖維具有可在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生極化耗散電流這種類(lèi)似于偶極子的行為，其路面對(duì)電磁波的吸收特性通過(guò)基體作用耗散電流被衰減來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于短切碳纖維摻量的變化引起諧振子間距發(fā)生變化，導(dǎo)致出現(xiàn)電磁波的多重效應(yīng)；當(dāng)碳纖維摻量為0.5%時(shí)，其反射損耗達(dá)到最大；在碳纖維含量較低時(shí)，由于振子間相互接觸排斥作用力較小，獨(dú)立諧振子間為阻抗，吸收峰通過(guò)各偶極對(duì)電磁波的作用疊加吸收得到。0.5%反射損耗存在峰值，隨著碳纖維摻量的增加，在某一值時(shí)，電磁波反射特性較強(qiáng)，主要是由于振子間相互接觸排斥使得電場(chǎng)出現(xiàn)疊加。隨著碳纖維的摻量增大至1%時(shí)，該材料由電磁波吸收性能向反射性能轉(zhuǎn)變。瀝青電磁波吸收層匹配厚度為7～9 mm。

當(dāng)碳纖維摻量為15%（長(zhǎng)度分別為1、2、3、4、5 mm）研究改性瀝青路面吸收層材料，測(cè)試其在26 GHz處，反射率與試樣厚度之間的關(guān)系，結(jié)果如可以看出，碳纖維電磁波吸收層5 h碾壓值僅為基準(zhǔn)樣的67%。加入碳纖維提高了碎石封層的早期抗荷載性能。分析原因?yàn)樘祭w維吸附瀝青中的輕質(zhì)油分增大了結(jié)構(gòu)瀝青層的比例，增加了纖維瀝青集料體系黏結(jié)強(qiáng)度，大幅度提高了瀝青碎石封層整體抗剪切強(qiáng)度與溫度穩(wěn)定性。從圖7可以看出，電磁波吸收層脫石率為7.1%，僅為普通瀝青碎石封層脫石率的72%。表明碳纖維的加入增加了瀝青與石料的黏結(jié)性能，進(jìn)而提高瀝青碎石封層抗水損害能力。

3結(jié)語(yǔ)

（1）基于反射損耗試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合路面工程要求，采用合理厚度范圍更寬的摻量為15%，長(zhǎng)1 mm的碳纖維制備瀝青路面電磁波吸收層具有優(yōu)異的吸波性能，同時(shí)具有良好的施工可操作性。

（2）在瀝青碎石封層中摻入碳纖維制備電磁波吸收層能夠大幅度提高其微波加熱性能，摻1.5%、長(zhǎng)1 mm的碳纖維試樣的升溫速率為基準(zhǔn)樣的2倍。

（3）瀝青路面上設(shè)置電磁波吸收層不僅能夠大幅度提高瀝青路面表層微波加熱性能，提升微波除冰雪速度，同時(shí)還可提高傳統(tǒng)碎石封層抗早期荷載與抗水損害性能。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint