碳纤维混凝土在融雪化冰中的应用研究

2015-03-21陈伟豪广东二广高速公路有限公司广东广州510000

江西建材 2015年10期

■陈伟豪 ■广东二广高速公路有限公司，广东广州 510000

混凝土路面由于具有强度高，耐久性好，造价低等优点在我国广泛应用。我国北方大部分地区冬季温度低，常有降雪，混凝土路面上大量的冰冻积雪给车辆造成了一定的行驶障碍，因此，路面的快速除冰化雪具有重要意义。目前，有关路面融雪化冰技术已经开展了很多研究，并且取得了一定的研究成果，但实际应用效果并不是很理想，达不到预期结果，有些甚至只是理论上的成熟，不具备工程实用的条件。本文在分析现有融雪化冰技术的基础上，引入碳纤维混凝土，旨在探讨一种适合工程长期实用的混凝土路面融雪化冰技术，依此实现冬季混凝土路面的无障碍通行的目的。

1 常用方法探讨

常用的路面融雪化冰技术有人工机械法，化学融化法，热力学融化法以及导电混凝土法等。人工或者机械的方法起初得到过不少使用，但随着交通运输任务的大量增加，由于效率低下不再适应;机械法，速度相对较快，但是却容易破坏路面，并且机械投资大，闲置损耗大。此外，如果环境温度太低，冰层较厚，由于道面和冰块间粘结力增大，机械和人工并不能彻底的清除冰块等。

化学融化法是在路面上铺撒一些化学物质，依此来降低水的冰点，使冰雪快速融化。此类方法目前比较常见的就是撒盐融化技术，采用该方法材料来源比较容易，并且比较廉价，融雪破冰效果良好，但是由于盐的化学属性容易腐蚀路面，一定程度上影响了道面的使用质量。尽管此方法目前在路面上比较常用，但是由于上述的一些缺点致使相关部门对此不是很满意，所以出现更好的方法代替化学溶化法势在必行［1］。

热力学融化法是采用加热的方法使冰雪融化，目前出现的此类方法有地热管法、流体加热法、电热丝法、红外线管加热法等。这些方法都普遍存在这样或那样的问题，如地热管安装复杂，影响道面，流体加热法需要热水源，实施起来麻烦，电热丝容易被拔出，红外线管升温比较迟缓等。所以这些方法也都不能有效的解决混凝土道面融雪化冰地问题。

导电混凝土法基本原理是在普通混凝土中添加某些导电材料使混凝土变成具有良好导电性能的导电体，当联通电源后，混凝土发生能量转换产生热量融化冰雪。目前常用的有钢纤维混凝土导电法和碳纤维混凝土导电法，但是随着使用发现钢纤维作为导电材料，它的电阻率增大非常快，使用一年增大近60倍，给长期使用带来了困难，所以就出现了用碳纤维混凝土代替钢纤维混凝土的趋势，

但是用碳纤维混凝土代替后，其导电能力，强度等能否满足要求，本文从碳纤维的力学性能、导电能力的稳定性等方面来研究碳纤维混凝土能否适用路面融雪化冰。

2 原材料及碳纤维混凝土设计

采用短切碳纤维，技术指标如下表2.1，混凝土配合比设计时，初步设计四组配合比，主要按照碳纤维掺量的不同研究碳纤维混凝土的强度和导电能力，配合比设计见下表2.2，配合比试验测试结果见下表2.3。

表2.1 碳纤维技术性能

表2.2 碳纤维混凝土配合比设计

表2.3 配合比试验结果

3 碳纤维混凝土力学性能试验

混凝土路面受行车荷载和环境温度的复杂作用，要求路面本身具有一定的抗压强度和抗折强度，本节按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081—2002规范制作试件。抗压强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm，抗折强度试件尺寸为150mm×150mm×600mm，每个纤维掺量均准备3组试件。

3.1 数据处理方法

强度试验严格按照规范规定的水泥混凝土抗压强度和抗弯拉强度试验方法，采用万能试验机进行试验，试验结果参考下面公式计算。

式中:fcu—混凝土立方体抗压强度(MPa);

F—极限荷载(N);A—受压面积(mm2)。以三个试件测值的算术平均值为测定值，计算精确至0.1MPa。因为抗压强度测试采用的是非标准试件，所以计算结果×尺寸换算系数(0.95)转化为标准尺寸抗压强度。

式中:ff是抗弯拉应力(MPa);F为极限荷载(N);

L为支座间的距离(mm);b为试件宽度(mm);h为试件高度(mm)。同样计算三个试件的平均值作为测定值。

3.2 结果分析

对四种配合比不同纤维掺量的碳纤维混凝土进行抗压强度和抗折强度试验，结果见下表2.4与2.5。

表2.4 碳纤维混凝土抗折强度试验结果

表2.5 碳纤维混凝土抗压强度试验结果

抗压强度/MPa纤维掺量/% 试件1 试件2 试件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

分析试验结果发现，随着碳纤维掺量的增大，混凝土的抗压强度和抗折强度均有增大的趋势，说明碳纤维的加入可改善混凝土的强度。同时发现，当碳纤维掺量处于0.5～1.5%之间时，混凝土的强度增加的比较明显，处于1.5～2.0%时，混凝土的强度并没有显著增加，说明碳纤维改善混凝土的强度存在一个掺量范围，根据研究结果，从混凝土强度考虑，掺量宜在1.5～2.0%之间。

4 碳纤维混凝土导电性能分析

4.1 混凝土的导电性

导电混凝土作为一种导电材料，在两端加上电极之后，能够快速导电发热，满足融雪化冰需要。因此，导电性是衡量导电混凝土性能的一个重要参数，与其强度要求同等重要。对于导电性的要求是在一定的时间，允许荷载和环境条件下保持其导电的稳定性。用来衡量混凝土导电性的一般参数是电阻率，电阻率的大小与混凝土自身的特性、所添加导电材料以及所加的电极都有关系［2］。一般情况下，混凝土的电阻率可以根据用途不同而不同。

4.2 碳纤维的优势

碳纤维一种良好的导电材料，它加入混凝土中形成碳纤维导电混凝土，其优势在于:(1)碳纤维混凝土的电阻率比较稳定。电阻率的稳定性是指随着时间的延长、环境条件的反复变化，导电混凝土的电阻率应该保持相对的稳定;在使用过程中，随着通电次数的增加和电压高低的变化，其电阻率保持稳定。碳纤维导电混凝土与同类型导电材料相比，电阻率稳定性较强。(2)碳纤维由于自身特点，更容易形成导电网络。纤维越细，直径越小，其电阻越小，在相同的混凝土板块中穿插的碳纤维根数越多，这样就容易形成互相连通的导电纤维网络。因此，在导电混凝土中，要求碳纤维直径小，单丝长度要大，一般要求为直径0.05～7.50μm，长度2～40mm，这样掺入较少体积含量就会出现导电渗流现象，保证了良好的导电能力。

正是由于碳纤维的上述特点，决定了它在导电混凝土中的适用性，但是碳纤维导电混凝土也有自身的缺点:碳纤维本身具有疏水性，在水泥浆体中很难均匀分散，这就可能导致混凝土板块导电性能不均匀。目前解决的办法通常是加入纤维分散剂来提高碳纤维的分散性［3］，使用的分散剂通常有甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)。这些基团能与碳纤维表面的极性羟基基团或羰基基团以及水分子之间形成氢键，增强了短碳纤维表面的亲水性和侵润性，从而提高了碳纤维的分散性。分散剂中极性基团越多，与短碳纤维之间形成的氢键就越多，分子间作用力就越强，分散效果就越好，从而提高碳纤维混凝土的导电率。