CN109180073A - 橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面及除冰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面及除冰方法，为3层功能梯度结构，由上至下包括自应力橡胶沥青混凝土层、炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层、电磁屏蔽层；所述自应力橡胶沥青混凝土层包括沥青混凝土和橡胶颗粒；所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层包括混凝土、炭黑、碳纤维和橡胶颗粒；所述电磁屏蔽层包括混凝土、矿渣和钢纤维。本发明能够在通电或外加电磁场环境下实现路面的快速升温加热，解决冬季高寒地区机场跑道、库区道路结冰后，除冰效率低，易损伤道面的问题，实现机场道面和山区道路的快速安全融雪除冰，为确保机场和运输道路安全畅通提供技术支撑。

Description

橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面及除冰方法
技术领域
本发明涉及土木交通安全管理保障领域，特别涉及一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面及除冰方法。
背景技术
冰冻地区占我国国土面积的75％以上，在寒冷的冬季，道路表面的积雪受到低温与车辆荷载的作用下，易形成薄冰层，严重威胁道路交通的安全。如何解决冬季路面的积雪结冰对道路通行阻碍和行车安全问题是我国寒区公路养护存在的普遍问题。许多方法和技术用于路面防冻和除冰，其中机械除雪技术虽然效率高，但需要消耗大量人力物力以及时间；而最为传统的除冰盐方法虽然方便，却带来了混凝土路桥、机场跑道等严重的耐久性问题，如冻融破坏、除冰盐剥蚀和加除冰盐引起的钢筋锈蚀等，给混凝土结构的耐久性带来很大威胁；自应力沥青混凝土，是用干法在沥青混合料中加入橡胶颗粒，使得混合料的弹性增大，橡胶颗粒大小不同造成了局部弹性大小不同，在车辆荷载作用下，造成冰层的微裂缝甚至破碎，这是一种新型解决凝冰的道路类型，但该方法最大的缺点在于其除冰效率较低，无法达到快速除冰的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有路面除冰方法的上述缺陷，提供一种橡胶改性的功能梯度混凝土快速除冰路面及其除冰方法，着眼解决冬季高寒地区机场跑道、库区道路结冰后，除冰效率低，易损伤道面的问题，实现机场道面和山区道路的快速安全融雪除冰，为确保机场和运输道路安全畅通提供技术支撑。
本发明所采用的技术方案是：一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面，为3层功能梯度结构，由上至下包括自应力橡胶沥青混凝土层、炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层、电磁屏蔽层；
所述自应力橡胶沥青混凝土层包括沥青混凝土和橡胶颗粒，所述自应力橡胶沥青混凝土层的橡胶颗粒的用量为所述沥青混凝土用量的5～10％；
所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层包括混凝土、炭黑、碳纤维和橡胶颗粒，所述炭黑的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的混凝土用量的0.1％～1％，所述碳纤维的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的混凝土用量的0.1％～1％，所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的橡胶颗粒的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的混凝土用量的5～15％；
所述电磁屏蔽层包括混凝土、矿渣和钢纤维，所述矿渣的用量为所述电磁屏蔽层的混凝土用量的10％～50％，所述钢纤维的用量为所述电磁屏蔽层的混凝土用量的0.1％～2％。
进一步的，所述自应力橡胶沥青混凝土层的橡胶颗粒为0.1～2mm连续级配。
进一步的，所述自应力橡胶沥青混凝土层的铺设厚度为4～6cm。
进一步的，所述自应力橡胶沥青混凝土层的铺设厚度为6～10cm。
进一步的，所述电磁屏蔽层的铺设厚度为2～5cm。
本发明所采用的技术方案是：一种基于上述橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面的除冰方法，具体包括：
(1)冰层厚度<0.5mm的工况下
依靠表层自应力橡胶沥青混凝土层进行机械碎冰；
(2)冰层厚度>0.5mm、有电源的工况下
在炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的两侧每间隔一距离设置一对铜网电极，电极之间采用铜线并联连接形式连接至电源；
电源通电，电极之间产生电流，炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层通过电阻损耗，将电流直接转化为焦耳热能，炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层中混凝土的温度升高实现混凝土自发热除冰；
(3)冰层厚度>0.5mm、无电源的工况下
采用微波发射车作为移动微波发射装置，对路面发射电磁波；
微波入射到路面表层后，大量的微波能量透射到炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层进行热转化与衰减，微波转化后的热能使炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层中混凝土的温度升高实现混凝土自发热除冰；
衰减后的微波进入电磁屏蔽层，电磁屏蔽层将大部分微波能量反射回炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层进行二次吸收；
二次进入炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的微波能量再次进行热转化，进一步提高热能使炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层中混凝土的温度，实现进一步除冰。
本发明的有益效果是：本发明通过提供一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面，能够在通电或外加电磁场环境下实现路面的快速升温加热，解决冬季高寒地区机场跑道、库区道路结冰后，除冰效率低，易损伤道面的问题，实现机场道面和山区道路的快速安全融雪除冰，为确保机场和运输道路安全畅通提供技术支撑。
附图说明
图1：本发明橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面剖面示意图；
图2：冰层厚度>0.5mm、有电源的工况下炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层俯视示意图。
附图标注：1、自应力橡胶沥青混凝土层；2、炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层；3、电磁屏蔽层；4、电极；5、铜线；6、电源；
I-面层；II-基层。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1所示，一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面，为3层功能梯度结构，由上至下包括自应力橡胶沥青混凝土层1、炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2、电磁屏蔽层3，其中，自应力橡胶沥青混凝土层1和炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2为面层I，电磁屏蔽层3为基层II。
与汽车轮胎直接接触的面层结构为自应力橡胶沥青混凝土层1(第一层)，所述自应力橡胶沥青混凝土层1包括沥青混凝土和橡胶颗粒，所述自应力橡胶沥青混凝土层1的橡胶颗粒的用量为所述沥青混凝土用量的5～10％。所述沥青混凝土包括20～30mm碎石、10～20mm碎石、5～10mm碎石、0～5mm石屑、机制砂、矿粉、沥青等，各个成分的配比根据实际材料现场确定。所述橡胶颗粒为0.1～2mm连续级配，橡胶颗粒加入到沥青混凝土中时，会产生溶胀作用；大的颗粒作为骨料存在，小的颗粒会和沥青混凝土中的沥青溶胀在一起，增大了混合料的粘结力。橡胶颗粒具有弹性，颗粒大的地方弹性大，颗粒小的地方弹性小。在车辆荷载作用下，由于局部受力不均匀，导致路面产生侧向的剪切应变，从而使得冰层更容易产生裂缝，甚至破碎，达到机械碎冰的目的。面层采用自应力橡胶沥青混凝土的主要作用是利用车辆荷载对路面上的冰层进行微破碎处理，以便下一层混凝土功能材料充分发挥除冰作用。所述自应力橡胶沥青混凝土层1的铺设厚度为4～6cm。
所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2(第二层)为快速除冰路面的主要功能层，该层混凝土材料可以把外加的电场或电磁场能量直接转换为热能，通过升高混凝土面层温度达到快速除冰的功能。掺入炭黑与碳纤维等导电材料后，改性后的混凝土可看作半导体材料，内部同时存在极化效应、隧道效应和渗流导电3种导电方式，在不同的掺量下，3种导电方式对整体电阻率的贡献各不相同，通过调整炭黑与碳纤维的掺量配比，可准确调控混凝土材料的导电性与微波吸收特性。炭黑/碳纤维改性后混凝土材料可以将电能或电磁能直接转化为热能，实现混凝土材料在通电或微波环境下的自发热功能。因此，通过控制外加电场或电磁场强度，可以准确控制该层混凝土材料的温度，达到快速除冰的功能。在此基础上，混凝土中掺入橡胶颗粒，不仅可以提高混凝土的韧性和引气性，同时还大大增加了其抗冻性，确保炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2在冬季高寒地区使用过程中的高耐久性与长寿命服役性。所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2包括混凝土、炭黑、碳纤维和橡胶颗粒，所述炭黑的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的0.1％～1％，所述碳纤维的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的0.1％～1％，所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的橡胶颗粒的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的5～15％。所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的铺设厚度为6～10cm。
在所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的下方设置电磁屏蔽层3(第三层)，其目的在于增加炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2对电磁波的吸收能力，从而提升电磁场环境下路面整体的热转化效率，实现快速除冰的功能。微波入射到路面表层后，大量的微波能量透射到炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2进行热转化与衰减。损耗后的微波进入具有电磁屏蔽功能的基层(屏蔽效能达到30dB以上)，屏蔽层将大部分微波能量在此反射回炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2进行二次吸收，确保微波转化热能集中于炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2，使炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2中的混凝土材料具有优异的微波吸收性能，进一步提升电磁环境下高寒地区道面混凝土的快速除冰功能。所述电磁屏蔽层3包括混凝土、矿渣和钢纤维，所述矿渣的用量为所述电磁屏蔽层的混凝土用量的10％～50％，所述钢纤维的用量为所述电磁屏蔽层的混凝土用量的0.1％～2％，使电磁屏蔽层3混凝土的平均电阻率低于1000Ω·cm，即可实现屏蔽效能达到30dB以上的要求。所述电磁屏蔽层3的铺设厚度为2～5cm。
实施例1
以自应力除冰和通电除冰为主的路面配合比设计方法：
自应力橡胶沥青混凝土层1包括沥青混凝土和橡胶颗粒，所述自应力橡胶沥青混凝土层1的橡胶颗粒的用量为所述沥青混凝土用量的10％。所述沥青混凝土采用AC-25沥青混凝土，包括骨料和沥青，所述沥青的用量是所述骨料的3.8％，所述骨料包括20～30mm碎石、10～20mm碎石、5～10mm碎石、0～5mm石屑、机制砂、矿粉，上述骨料的各成分配比依次为30：27：16：12：11：4。所述橡胶颗粒为0.1～2mm连续级配。所述自应力橡胶沥青混凝土层1的铺设厚度为4cm。
所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2包括混凝土、炭黑、碳纤维和橡胶颗粒，所述炭黑的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的1％，所述碳纤维的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的1％，所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的橡胶颗粒的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的5％。所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的铺设厚度为10cm。
所述电磁屏蔽层3包括混凝土、矿渣和钢纤维，所述矿渣的用量为所述电磁屏蔽层3的混凝土用量的10％，所述钢纤维的用量为所述电磁屏蔽层3的混凝土用量的0.1％。所述电磁屏蔽层3的铺设厚度为5cm。
实施例2
以自应力除冰、通电除冰、微波除冰兼顾的路面配合比设计方法：
自应力橡胶沥青混凝土层1包括沥青混凝土和橡胶颗粒，所述自应力橡胶沥青混凝土层1的橡胶颗粒的用量为所述沥青混凝土用量的10％。所述沥青混凝土采用AC-25沥青混凝土，包括骨料和沥青，所述沥青的用量是所述骨料的3.8％，所述骨料包括20～30mm碎石、10～20mm碎石、5～10mm碎石、0～5mm石屑、机制砂、矿粉，上述骨料的各成分配比依次为30：27：16：12：11：4。所述橡胶颗粒为0.1～2mm连续级配。所述自应力橡胶沥青混凝土层1的铺设厚度为5cm。
所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2包括混凝土、炭黑、碳纤维和橡胶颗粒，所述炭黑的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的0.75％，所述碳纤维的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的0.75％，所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的橡胶颗粒的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的10％。所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的铺设厚度为10cm。
所述电磁屏蔽层3包括混凝土、矿渣和钢纤维，所述矿渣的用量为所述电磁屏蔽层3的混凝土用量的30％，所述钢纤维的用量为所述电磁屏蔽层3的混凝土用量的1％。所述电磁屏蔽层3的铺设厚度为4cm。
实施例3
以自应力除冰和微波除冰为主的路面配合比设计方法：
自应力橡胶沥青混凝土层1包括沥青混凝土和橡胶颗粒，所述自应力橡胶沥青混凝土层1的橡胶颗粒的用量为所述沥青混凝土用量的10％。所述沥青混凝土采用AC-25沥青混凝土，包括骨料和沥青，所述沥青的用量是所述骨料的3.8％，所述骨料包括20～30mm碎石、10～20mm碎石、5～10mm碎石、0～5mm石屑、机制砂、矿粉，上述骨料的各成分配比依次为30：27：16：12：11：4。所述橡胶颗粒为0.1～2mm连续级配。所述自应力橡胶沥青混凝土层1的铺设厚度为6cm。
所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2包括混凝土、炭黑、碳纤维和橡胶颗粒，所述炭黑的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的0.5％，所述碳纤维的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的0.5％，所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的橡胶颗粒的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的混凝土用量的15％。所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的铺设厚度为10cm。
所述电磁屏蔽层3包括混凝土、矿渣和钢纤维所述矿渣的用量为所述电磁屏蔽层3的混凝土用量的50％，所述钢纤维的用量为所述电磁屏蔽层3的混凝土用量的2％。所述电磁屏蔽层3的铺设厚度为3cm。
基于上述橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面的除冰方法，具体为：
(1)积雪较小，冰层较薄(<0.5mm)的工况。可不必使用外加的电源或电磁场进行加热融冰处理，只依靠表层自应力橡胶沥青混凝土即可达到较为理想的除冰效果。
(2)积雪较大，冰层较厚(>0.5mm)，且路面周围有电源的工况。可以依靠通电加热炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2(第二层)的方法进行快速除冰。有电源工况下，在炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2(第二层)的两侧每间隔5～10米设置一对铜网电极4，电极4之间采用铜线5并联连接形式连接至电源6。通电后，电极4之间存在电势差，从而产生电流，炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2通过电阻损耗，将电流直接转化为焦耳热能，炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2中混凝土的温度升高实现混凝土自发热除冰。通电加热最大的优点在于：(1)热转化效率高；(2)温升可调可控；(3)电源与导线可与路灯供电系统共用，通电即可除冰，经济成本低。
(3)积雪较大，冰层较厚(>0.5mm)，且路面周围无电源的工况。可以依靠电磁波(微波)加热炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2(第二层)的方法进行快速除冰。这种工况是最极端恶劣工况，路面周围无可用电源，无法通电进行除冰作业。可采用微波发射车作为移动微波发射装置，对路面发射电磁波；微波入射到路面表层后，大量的微波能量透射到炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2进行热转化与衰减，微波转化后的热能使炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2中混凝土的温度升高实现混凝土自发热除冰。衰减后的微波进入电磁屏蔽层3(屏蔽效能达到30dB以上)，电磁屏蔽层3将大部分微波能量反射回炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2进行二次吸收，确保微波转化热能集中于炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2，使炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2中的混凝土材料具有优异的微波吸收性能。二次进入炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2的微波能量再次进行热转化，进一步提高热能使炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层2中混凝土的温度，实现进一步除冰。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面，其特征在于，为3层功能梯度结构，由上至下包括自应力橡胶沥青混凝土层、炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层、电磁屏蔽层；
所述自应力橡胶沥青混凝土层包括沥青混凝土和橡胶颗粒，所述自应力橡胶沥青混凝土层的橡胶颗粒的用量为所述沥青混凝土用量的5～10％；
所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层包括混凝土、炭黑、碳纤维和橡胶颗粒，所述炭黑的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的混凝土用量的0.1％～1％，所述碳纤维的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的混凝土用量的0.1％～1％，所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的橡胶颗粒的用量为所述炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的混凝土用量的5～15％；
所述电磁屏蔽层包括混凝土、矿渣和钢纤维，所述矿渣的用量为所述电磁屏蔽层的混凝土用量的10％～50％，所述钢纤维的用量为所述电磁屏蔽层的混凝土用量的0.1％～2％。
2.根据权利要求1所述的一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面，其特征在于，所述自应力橡胶沥青混凝土层的橡胶颗粒为0.1～2mm连续级配。
3.根据权利要求1所述的一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面，其特征在于，所述自应力橡胶沥青混凝土层的铺设厚度为4～6cm。
4.根据权利要求1所述的一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面，其特征在于，所述自应力橡胶沥青混凝土层的铺设厚度为6～10cm。
5.根据权利要求1所述的一种橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面，其特征在于，所述电磁屏蔽层的铺设厚度为2～5cm。
6.一种基于上述权利要求1至5任一项所述的橡胶改性功能梯度混凝土快速除冰路面的除冰方法，其特征在于，具体包括：
(1)冰层厚度<0.5mm的工况下
依靠表层自应力橡胶沥青混凝土层进行机械碎冰；
(2)冰层厚度>0.5mm、有电源的工况下
在炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的两侧每间隔一距离设置一对铜网电极，电极之间采用铜线并联连接形式连接至电源；
电源通电，电极之间产生电流，炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层通过电阻损耗，将电流直接转化为焦耳热能，炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层中混凝土的温度升高实现混凝土自发热除冰；
(3)冰层厚度>0.5mm、无电源的工况下
采用微波发射车作为移动微波发射装置，对路面发射电磁波；
微波入射到路面表层后，大量的微波能量透射到炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层进行热转化与衰减，微波转化后的热能使炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层中混凝土的温度升高实现混凝土自发热除冰；
衰减后的微波进入电磁屏蔽层，电磁屏蔽层将大部分微波能量反射回炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层进行二次吸收；
二次进入炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层的微波能量再次进行热转化，进一步提高热能使炭黑/碳纤维/橡胶复合改性混凝土层中混凝土的温度，实现进一步除冰。
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