CN114349434A - 改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土及制备方法，以磁铁矿集料代替部分天然集料制备吸波混凝土，同时加入纤维素增稠剂来解决由于磁铁矿密度比混凝土大从而振捣沉底的问题。同时加入一定量的碳纤维作为导热材料充当混凝土内部的填料，在吸波混凝土内部建立传热途径，可以在短时间内有效的将混凝土内部的热量有高热量地区传递到低热量地区，有效地减小了混凝土内部的温差，使其表面温度梯度减小，受热均匀。磁体矿优良的硬度和碳纤维良好的韧性可以提高混凝土的力学强度。在微波照射的作用下，吸波混凝土路面快速升温同时使热量传递均匀，从而提高其路面除冰效率，同时降低了长期微波对吸波混凝土力学强度劣化的影响。
Description
技术领域
本发明属于混凝土路面冬季微波除冰领域，具体涉及一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土及制备方法。
背景技术
微波作为一种可循环再生的清洁能源，近年来被应用于土木工程领域。微波技术可以利用其加热原理对冬季结冰的混凝土路面进行除冰。冬季路面公路及机场道面由于不能及时清雪而导致积雪凝冰，使得道路的摩擦系数降低，严重影响了行车安全，增加了交通事故率。微波除冰具有热惯性小、穿透性强、不污染环境等特点。其原理是将一部分吸波材料掺入混凝土中制备吸波混凝土，并以微波作为加热的媒介，使混凝土表面快速吸收微波并将其转化为热量，从而达到微波除冰的目的。
申请公开号为CN112794685A的发明专利《一种用于除冰的路面混凝土结构及其制备方法》公开了一种用于除冰的吸波混凝土材料，其应用钢纤维及石墨作为吸波材料制备混凝土，使微波混凝土在微波的作用下进行热量转化从而提高路面除冰效率。但钢纤维的密度远大于水泥混凝土，会使其在振捣的过程中沉底。在微波的加热作用下，使其底部温度远高于顶部温度，降低了其表面的除冰效率。同时，钢纤维较高的成本使得用其制备的吸波混凝土使用受到限制。石墨使制备后的混凝土表面粗糙，混凝土表面的不平整会增加冰层与路面之间的冻粘强度，从而增加了除冰的难度，使混凝土路面除冰效率低下。
因此，尽管吸波混凝土在微波照射下可以升温，并对路面进行除冰。但是由于吸波材料沉底分布不均匀的问题一直限制了吸波混凝土路面的除冰效率。同时，长期微波作用于混凝土路面除冰对路面使用性能的影响不明确同样影响了吸波混凝土路面的使用。鉴于以上存在的问题及目前应用的局限性，亟需开发一种制备工艺简单，可改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土材料。
吸波除冰混凝土温度不均匀的主要致因有二：其一是其吸波发热集料因大密度沉底，导致空间位置不均匀分布，引起微波辐射状态下吸波混凝土内部热源分布不均匀；其二是温度传导不畅，吸波集料产生热量无法快速传导至混凝土内部各处，导致温度分布不均匀。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土及制备方法，以克服现有吸波混凝土路面受到微波照射后的表面温度场不均性而引起其性能降低的问题。本发明的吸波混凝土材料具有加热迅速且升温均匀的特点。这些特点的应用可提高混凝土路面的除冰效率并降低长期微波作用产生的温差对其使用性能劣化的影响，且制备工艺简单。
为了达到上述目的，一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土，以质量份数计，包括水泥9～10份，水4份，集料27～50份，磁铁矿14～23份，1～3份碳纤维，0.05～0.15份的纤维分散剂和纤维素增稠剂，0.09～0.1份减水剂。
水泥为P·O 42.5硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为165min和237min；水泥净浆体系使用水灰比范围为0.40～0.41进行混合。
集料为天然砂和石的混合料，按照砂率范围为0.36～0.38进行混合。
磁铁矿0～5、5～10和10～20的粒径尺寸下替换为集料。
碳纤维尺寸为5～6mm，电阻率为1.0-1.6Ω·cm，碳纤维不包括树脂类碳纤维。
纤维分散剂为甲基纤维素，减水剂为聚羧酸减水剂，纤维素增稠剂为羟丙基甲基纤维素。
一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将1～3份碳纤维在0.05～0.15份纤维分散剂和2份水中分散，得到碳纤维溶液；
将水泥、集料、磁铁矿和纤维素增稠剂混合均匀，得到混合物；
将1份混合物、2份水、0.1份减水剂和1份碳纤维溶液拌合，使水泥胶凝复合材料拌合均匀；
将水泥胶凝复合材料置于模具中，排气静置脱模后进行养护，得到吸波混凝土。
得到碳纤维溶液的具体方法如下：
将1～3份碳纤维与1.5份水共同在超声波震荡机中进行1min的分散，得到分散液；
在分散液中加入0.05～0.15份纤维分散剂和0.5份水继续超声振捣1min，使碳纤维在分散剂的作用下分散均匀。
得到混合物的具体方法如下：
将水泥、集料、磁铁矿和纤维素增稠剂放入强制式混凝土搅拌机中，在45r/min～50r/min下干拌1min，混合均匀后得到混合物。
得到吸波混凝土的具体方法如下：
将水泥胶凝复合材料装置尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体模具中振捣1min，将内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，得到吸波混凝土。
与现有技术相比，以磁铁矿集料代替部分天然集料制备吸波混凝土，同时加入纤维素增稠剂来解决由于磁铁矿密度比混凝土大从而振捣沉底的问题。同时加入一定量的碳纤维作为导热材料充当混凝土内部的填料，在吸波混凝土内部建立传热途径，可以在短时间内有效的将混凝土内部的热量有高热量地区传递到低热量地区，有效地减小了混凝土内部的温差，使其表面温度梯度减小，受热均匀。此外，磁体矿优良的硬度和碳纤维良好的韧性可以提高混凝土的力学强度。因此，在微波照射的作用下，吸波混凝土路面快速升温同时使热量传递均匀，从而提高其路面除冰效率，同时降低了长期微波对吸波混凝土力学强度劣化的影响。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土，以质量份数计，包括水泥9～10份，水4份，集料27～50份，磁铁矿14～23份，1～3份碳纤维，0.05～0.15份的纤维分散剂和纤维素增稠剂，0.09～0.1份减水剂。
水泥为P·O 42.5硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为165min和237min；水泥净浆体系使用水灰比范围为0.40～0.41进行混合。集料为天然砂和石的混合料，按照砂率范围为0.36～0.38进行混合。磁铁矿0～5、5～10和10～20的粒径尺寸下替换为集料。碳纤维尺寸为5～6mm，电阻率为1.0-1.6Ω·cm，碳纤维不包括树脂类碳纤维。纤维分散剂为甲基纤维素，减水剂为聚羧酸减水剂，纤维素增稠剂为羟丙基甲基纤维素。
参照组：
根据质量份数，将10份水泥、50份集料加入强制式混凝土搅拌机中，在45r/min～50r/min下干拌1min，使材料混合均匀；将干拌后的混合物中加入4份水和一定量的减水剂，在相同的转速下拌合1min，使水泥胶凝复合材料拌合均匀；将拌合后的吸波混凝土装置尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体模具中振捣1min，将新拌混凝土内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，制得改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土。
实施例1
根据质量份数，将10份水泥、35份集料与14份磁铁矿加入强制式混凝土搅拌机中，在45r/min～50r/min下干拌1min，使材料混合均匀；将干拌后的混合物中加入4份水和0.1份的减水剂，在相同的转速下拌合1min，使水泥胶凝复合材料拌合均匀；将拌合后的吸波混凝土装置尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体模具中振捣1min，将新拌混凝土内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，制得改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土。
实施例2
根据质量份数，将10份水泥、27份集料与23份磁铁矿加入强制式混凝土搅拌机中，在45r/min～50r/min下干拌1min，使材料混合均匀；将干拌后的混合物中加入4份水和0.1份的减水剂，在相同的转速下拌合1min，使水泥胶凝复合材料拌合均匀；将拌合后的吸波混凝土装置尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体模具中振捣1min，将新拌混凝土内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，制得改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土。
实施例3
根据质量份数，将10份水泥、35份集料、14份磁铁矿和0.1份的纤维素增稠剂加入强制式混凝土搅拌机中，在45r/min～50r/min下干拌1min，使材料混合均匀；将干拌后的混合物中加入4份水和0.1份的减水剂，在相同的转速下拌合1min，使水泥胶凝复合材料拌合均匀；将拌合后的吸波混凝土装置尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体模具中振捣1min，将新拌混凝土内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，制得改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土。
实施例4
根据质量份数，将1份碳纤维与1.5份水同时放在烧杯中，在超声波震荡机中进行1min的分散；将0.05份的纤维分散剂与0.5份水放入盛有碳纤维的烧杯中继续超声振捣1min，使碳纤维在分散剂的作用下分散均匀；将10份水泥、35份集料、14份磁铁矿和0.1份的纤维素增稠剂加入强制式混凝土搅拌机中，在45r/min～50r/min下干拌1min，使材料混合均匀；将干拌后的混合物中加入2份水，0.1份的减水剂及分散好的碳纤维溶液，在相同的转速下拌合1min，使水泥胶凝复合材料拌合均匀；将拌合后的吸波混凝土装置尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体模具中振捣1min，将新拌混凝土内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，制得改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土。
实施例5
根据质量份数，将3份碳纤维与1.5份水同时放在烧杯中，在超声波震荡机中进行1min的分散；将0.15份的纤维分散剂与0.5份水放入盛有碳纤维的烧杯中继续超声振捣1min，使碳纤维在分散剂的作用下分散均匀；将10份水泥、35份集料、14份磁铁矿和0.1份的纤维素增稠剂加入强制式混凝土搅拌机中，在45r/min～50r/min下干拌1min，使材料混合均匀；将干拌后的混合物中加入2份水，0.1份的减水剂及分散好的碳纤维溶液，在相同的转速下拌合1min，使水泥胶凝复合材料拌合均匀；将拌合后的吸波混凝土装置尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体模具中振捣1min，将新拌混凝土内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，制得改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土。
对本发明制得的改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土进行微波升温特性、除冰效率和长期微波作用下力学强度变化的检测，测试过程均严格参照相关规程完成，检测结果如下表所示。
测试方法
将制备后的混凝土试件脱模，置入标准养护室28天。将养护好的吸波混凝土试件进行不覆冰下的微波照射，照射时间为120s，并测定升温后的试件表面温度。同时对时间进行覆冰，将冰层厚度控制为10mm，微波照射时间120s，并用游标卡尺测定试件升温后的除冰深度及最大直径。通过测试吸波混凝土与参照组的除冰情况，评价改良后吸波混凝土的除冰效率。同时，对不同微波照射时间下的吸波混凝土进行力学测试，评价长期微波作用对其力学强度的影响。
表1吸波混凝土的升温特性
表2吸波混凝土的除冰厚度及最大直径
表3长期微波照射后混凝土的力学强度变化
从表1中可知，参照组的混凝土由于没有加入吸波材料，因此其受热比较均匀，最大温度差较小；加入磁铁矿的吸波混凝土可以再微波照射的作用下快速升温，随着磁铁矿掺量的增加，吸波混凝土的表面温度升高，但同时温差随之逐渐扩大；加入纤维素增稠剂后改善了吸波混凝土的温差且不影响其微波吸收升温性能；加入碳纤维后的吸波混凝土表面最高温度与大掺量磁铁矿的吸波混凝土差异性较小，同时掺加导热材料后的吸波混凝土温差明显减小。加入碳纤维后不仅可以提高吸波混凝土的表面温度，同时还可以有效的减小温差。这说明纤维素增稠剂可以有效改善磁铁矿沉底问题，使其均匀分散在混凝土内部。同时，导热材料在混凝土内部形成了一定的传热路径，使热量可以在短时间内由高热量地区快速传递到低热量地区，从而使吸波混凝土整体温度受热较为均匀。
由表2可知，在加入纤维素增稠剂之后，虽然除冰厚度没有改善，但改善了吸波混凝土的除冰直径。加入导热材料后的吸波混凝土与大掺量磁铁矿的吸波混凝土两者之间的除冰厚度在微波照射后较为接近，说明加入碳纤维后的吸波混凝土表面受热比较均匀，因此，微波照射后，其表面除冰具有优良的最大直径，说明加入导热材料后的吸波混凝土的除冰效率明显提高。
由表3可知，磁铁矿和碳纤维的加入可以有效地改善吸波混凝土的力学强度。同时，增稠剂的加入改善磁铁矿均匀分布，和碳纤维的加入增加了吸波混凝土的导热特性，使得磁铁矿吸波混凝土在微波照射后温度快速上升且温度分散均匀。从而使吸波混凝土在受到长期微波作用下的力学强度劣化大幅度减小。
本发明利用磁铁矿作为主要的微波吸收材料来充当吸波混凝土的骨架体系。磁铁矿不仅可以使吸波混凝土具有良好的微波吸收并转化为热量的能力，同时，其良好的硬度也改善了吸波混凝土的力学特性，使制备后的吸波混凝土具有良好的力学强度。纤维素增稠剂的加入可以有效的改善磁铁矿受振捣后在混凝土内部沉底的问题，是磁铁矿更均匀的分布在混凝土内部。碳纤维作为高导热材料掺入吸波混凝土内部可以改善其受到微波照射产生的温度场不均匀性。同时，碳纤维具有一定的韧性，也可以改善吸波混凝土的力学强度。综上所述，用此方法制备的吸波混凝土具备良好的微波吸收能力，并且表面温度场均匀分散。使得其不仅具有良好的除冰效率，同时，可以减缓长期微波照射对其性能劣化的影响。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属的技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土，其特征在于，以质量份数计，包括水泥9～10份，水4份，集料27～50份，磁铁矿14～23份，1～3份碳纤维，0.05～0.15份的纤维分散剂和纤维素增稠剂，0.09～0.1份减水剂。
2.根据权利要求1所述的一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土，其特征在于，水泥为P·O 42.5硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为165min和237min；水泥净浆体系使用水灰比范围为0.40～0.41进行混合。
3.根据权利要求1所述的一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土，其特征在于，集料为天然砂和石的混合料，按照砂率范围为0.36～0.38进行混合。
4.根据权利要求1所述的一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土，其特征在于，磁铁矿0～5、5～10和10～20的粒径尺寸下替换为集料。
5.根据权利要求1所述的一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土，其特征在于，碳纤维尺寸为5～6mm，电阻率为1.0-1.6Ω·cm，碳纤维不包括树脂类碳纤维。
6.根据权利要求1所述的一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土，其特征在于，纤维分散剂为甲基纤维素，减水剂为聚羧酸减水剂，纤维素增稠剂为羟丙基甲基纤维素。
7.权利要求1所述的一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将1～3份碳纤维在0.05～0.15份纤维分散剂和2份水中分散，得到碳纤维溶液；
将水泥、集料、磁铁矿和纤维素增稠剂混合均匀，得到混合物；
将1份混合物、2份水、0.1份减水剂和1份碳纤维溶液拌合，使水泥胶凝复合材料拌合均匀；
将水泥胶凝复合材料置于模具中，排气静置脱模后进行养护，得到吸波混凝土。
8.根据权利要求7所述的一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土的制备方法，其特征在于，得到碳纤维溶液的具体方法如下：
将1～3份碳纤维与1.5份水共同在超声波震荡机中进行1min的分散，得到分散液；
在分散液中加入0.05～0.15份纤维分散剂和0.5份水继续超声振捣1min，使碳纤维在分散剂的作用下分散均匀。
9.根据权利要求7所述的一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土的制备方法，其特征在于，得到混合物的具体方法如下：
将水泥、集料、磁铁矿和纤维素增稠剂放入强制式混凝土搅拌机中，在45r/min～50r/min下干拌1min，混合均匀后得到混合物。
10.根据权利要求7所述的一种改善微波作用路面温度场均匀性的吸波混凝土的制备方法，其特征在于，得到吸波混凝土的具体方法如下：
将水泥胶凝复合材料装置尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体模具中振捣1min，将内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，得到吸波混凝土。
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