CN114368949A - 改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆及制备方法，本发明在制备水泥砂浆时加入一定量的碳纤维和石墨，作为填料制备高导热水泥砂浆。使水泥砂浆在吸波混凝土内部进行快速的热量传导，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，是其表面温度梯度减小，受热均匀。在这种情况下，当吸波混凝土路面进行微波除冰时，其内部的高导热砂浆使吸波混凝土路面受热均匀，从而降低在冬季长期除冰过程中产生的温度应力对其使用性能劣化的影响，并延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于吸波混凝土冬季路面除冰领域，具体涉及一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆及制备方法。
背景技术
冬季混凝土路面结冰严重影响了行车安全及交通通行能力。前所使用的多种路面除冰方式中，微波除冰作为一种快速、便捷、对环境无污染的新型除冰方式被广泛应用。其原理就是在混凝土制备过程中加入微波吸收材料，这种材料在受到微波照射后会将电磁能快速转化为热能，因此提高混凝土表面的温度，从而起到路面除冰的目的。由于吸波混凝土内部吸波材料分散不均匀，在微波的作用下虽然其可以在短时间内快速升温，可以进行路面除冰。但材料的分布不均匀使吸波混凝土在微波照射后的温度分布不均匀，并在其表面和内部产生较大的温差，进而产生一定的温度应力。在冬季长期的除冰过程中，持续的温度应力对混凝土的力学强度造成严重影响，进而影响其使用寿命。
目前，学者们对于混凝土的导热性能做出了一些研究。例如专利CN110510955A《一种高导热水泥混凝土及其制备方法》提出了高导热水泥混凝土，此专利在制备混凝土的过程中加入一定量的石墨烯。石墨烯可以有效地将混凝土内部的热量传递出来从而减小热量对混凝土使用性能的影响。这种方法首先没有考虑微波加热对混凝土的影响，同时没有考虑在微波除冰过程中产生的温度应力对混凝土的影响。同时，石墨烯昂贵的价格也使得次方法的使用具有一定的限制性。
因此，改善吸波混凝土受到微波照射后的温度不均匀性，降低内部温差，减小除冰过程中所产生的温度应力对其劣化的影响成为了研究关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有吸波混凝土在路面除冰时受到微波照射后温度分布不均匀，减小长期温度应力对混凝土力学强度劣化的影响并延长使用寿命的问题，提供一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆及制备方法，改善其受长期微波对力学强度的影响，且制备工艺简单。
为了达到上述目的，改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆，质量份数计，包括水泥13～14份，水6份，砂26～33份，磁铁矿砂6份，碳纤维2份，石墨1份，0.05～0.1份的纤维分散剂和0.09～0.1份减水剂。
所述水泥为普通P·O 42.5硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为165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物。
碳纤维的尺寸为5～6mm，电阻率为1.0-1.6Ω·cm，碳纤维不包括含树脂类碳纤维。
石墨和氧化铁粉能够代替水泥与水共同组成水泥胶凝体系。
减水剂为聚羧酸减水剂，纤维分散剂为甲基纤维素，减水剂为聚羧酸减水剂。
磁铁矿砂能够代替天然砂。
一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆的制备方法，包括以下步骤：
将1～2份碳纤维在0.05～0.1份纤维分散剂和2份水中进行分散；
将水泥、砂、磁铁矿砂及石墨进行混合，得到混合物；
在混合物中加入4份水和0.1份减水剂，搅拌均匀后得到水泥砂浆；
将水泥砂浆置于模具中，排气、静置、脱模后进行养护，得到高导热水泥砂浆。
得到水泥砂浆的具体方法如下：
在混合物中中加入水和减水剂，在在275r/min～295r/min下快速搅拌30s；静止90s后，在275r/min～295r/min下快速搅拌60s，使水泥砂浆拌合均匀，得到水泥砂浆。
得到高导热水泥砂浆的具体方法如下：
将水泥砂浆置于尺寸为40mm×160mm×160mm的立方体模具中振捣60次，将内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，得到高导热水泥砂浆。
与现有技术相比，本发明在制备水泥砂浆时加入一定量的碳纤维和石墨，作为填料制备高导热水泥砂浆。使水泥砂浆在吸波混凝土内部进行快速的热量传导，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，是其表面温度梯度减小，受热均匀。在这种情况下，当吸波混凝土路面进行微波除冰时，其内部的高导热砂浆使吸波混凝土路面受热均匀，从而降低在冬季长期除冰过程中产生的温度应力对其使用性能劣化的影响，并延长其使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆，质量份数计，包括水泥13～14份，水6份，砂26～33份，磁铁矿砂6份，碳纤维2份，石墨1份，0.05～0.1份的纤维分散剂和0.09～0.1份减水剂。
水泥为普通P·O 42.5硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为165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物；碳纤维的尺寸为5～6mm，电阻率为1.0-1.6Ω·cm，碳纤维不包括含树脂类碳纤维。石墨和氧化铁粉能够代替水泥与水共同组成水泥胶凝体系。减水剂为聚羧酸减水剂，纤维分散剂为甲基纤维素，减水剂为聚羧酸减水剂。磁铁矿砂能够代替天然砂。
参照组：
根据质量份数，将14份水泥，33份砂加入水泥胶砂搅拌机中，在135r/min～145r/min下慢速搅拌60s；将6份水和0.1份减水剂放入搅拌机中，与搅拌后的混合物在275r/min～295r/min下快速搅拌30s；静止90s后，在275r/min～295r/min下快速搅拌60s；将拌合后的吸波混凝土装置尺寸为40mm×160mm×160mm的立方体模具中振捣60次，将新拌水泥砂浆内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，制得普通水泥砂浆。
实施例1
根据质量份数，将14份水泥，26份砂和6份磁铁矿砂加入水泥胶砂搅拌机中，在135r/min～145r/min下慢速搅拌60s；将6份水和0.1份的减水剂放入搅拌机中，与搅拌后的混合物在275r/min～295r/min下快速搅拌30s；静止90s后，在275r/min～295r/min下快速搅拌60s；将拌合后的吸波混凝土装置尺寸为40mm×160mm×160mm的立方体模具中振捣60次，将新拌水泥砂浆内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，制得参照组普通水泥砂浆。
实施例2
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份的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14份水泥，26份天然砂和6份磁铁矿砂放入水泥胶砂搅拌机中，在135r/min～145r/min下慢速搅拌60s；将剩下4份的水，0.1份的减水剂和分散好的碳纤维溶液放入搅拌机中，与搅拌后的混合物在275r/min～295r/min下快速搅拌30s；静止90s后，在275r/min～295r/min下快速搅拌60s；将新拌导热水泥砂浆放置在尺寸为40mm×160mm×160mm的立方体模具中，并将其放置在振动台上振捣60次，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d。
实施例3
根据质量份数，将2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0.1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14份水泥，33份天然砂放入水泥胶砂搅拌机中，在135r/min～145r/min下慢速搅拌60s；将剩下的水，0.1份的减水剂和分散好的碳纤维溶液放入搅拌机中，与搅拌后的混合物在275r/min～295r/min下快速搅拌30s；静止90s后，在275r/min～295r/min下快速搅拌60s；将新拌导热水泥砂浆放置在尺寸为40mm×160mm×160mm的立方体模具中，并将其放置在振动台上振捣60次，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d。
实施例4
根据质量份数，将13份水泥，26份天然砂,6份磁铁矿砂和1份石墨放入水泥胶砂搅拌机中，在135r/min～145r/min下慢速搅拌60s；将6份水和0.1份的减水剂放入搅拌机中，与搅拌后的混合物在275r/min～295r/min下快速搅拌30s；静止90s后，在275r/min～295r/min下快速搅拌60s；将新拌导热水泥砂浆放置在尺寸为40mm×160mm×160mm的立方体模具中，并将其放置在振动台上振捣60次，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d。
实施例5
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0.1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13份水泥，26份天然砂，6份磁铁矿砂和1份石墨放入水泥胶砂搅拌机中，在135r/min～145r/min下慢速搅拌60s；将剩下的四份水，0.1份的减水剂和分散好的碳纤维溶液放入搅拌机中，与搅拌后的混合物在275r/min～295r/min下快速搅拌30s；静止90s后，在275r/min～295r/min下快速搅拌60s；将新拌导热水泥砂浆放置在尺寸为40mm×160mm×160mm的立方体模具中，并将其放置在振动台上振捣60次，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d。
对本发明改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆和相应的参照组水泥砂浆进行微波升温和不同微波照射时间下的力学强度测试，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
将制备后的水泥砂浆试件脱模，置入标准养护室28天。将养护好的砂浆试件进行在微波下照射。微波加热总时长为120s，测定升温后的试件表面温度，计算最大温度差。并对每次照射30s的试件进行抗折和抗压强度的测定，共测定4次。通过测试吸波砂浆与参照组的力学劣化情况，评价掺入吸波材料的高导热水泥砂浆受微波影响温度不均匀性和温度应力对其力学强度劣化的改善作用效果，进而反应高导热水泥砂浆对吸波混凝土受微波作用后温度均匀性的改善作用。
表1吸波混凝土的升温特性
从表1中可知，参照组的砂浆虽然加入导热材料，因此其受热比较均匀，最大温度差较小，但其表面温度受到微波照射后上升幅度较小；磁铁矿砂的加入使其表面温度上升，但相应地提高了温差；加入碳纤维后的高导热水泥砂浆不仅使试件表面快速升温，同时降低了其内部温差，但随着碳纤维掺量的增加，这种效果不明显；单一的加入石墨后制成的高导热水泥砂浆效果没有碳纤维好；但复掺碳纤维和石墨后的高导热水泥砂浆具有良好的减小温差的效果。这说明由导热材料在磁铁矿水泥砂浆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，从而使磁铁矿砂浆整体温度受热较为均匀，同时由于石墨是粉末状，其可以有效的填充在碳纤维的附近协同进行热量传递。
表2微波照射后水泥砂浆的抗折强度劣化
表3微波照射后的水泥砂浆的抗压强度劣化
从表2和表3中可知普通水泥砂浆力学劣化最为严重；掺入磁铁矿的水泥砂浆受到温度应力的影响后劣化情况较为严重；韧性较好的碳纤维可以有效的提高试件的力学强度，并使试件在受到微波作用后温度均匀传递，降低温度应力对其性能的影响；单掺石墨的效果稍差与碳纤维，但复掺两者既可以有效的提高水泥砂浆的力学强度，同时可以减缓温度应力对试件力学特性的劣化影响。综上所述可以说明，改善试件表面温度场的均匀分布，缩小其温差，就可以延缓其力学强度的劣化程度并延长使用寿命。
通过高导热材料对掺有磁铁矿砂的水泥砂浆的改善作用，进而反映出高导热水泥砂浆可以改善吸波混凝土除冰过程中收到长期微波照射所产生的劣化影响。
本发明利用碳纤维及石墨等导热材料与水泥及水混合制备高导热水泥砂浆，并在水泥砂浆中加入磁铁矿作为微波吸收材料。碳纤维作为高导热材料掺入含有磁铁矿水泥砂浆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，也可以改善水泥砂浆的力学强度。使用高导热材料制备的水泥砂浆可以改善其在受到微波作用后的温度均匀性及力学强度劣化影响。进而反应在吸波混凝土路面除冰过程中，高导热砂浆对其受微波作用后使用性能劣化的改善。
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.改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆，其特征在于，质量份数计，包括水泥13～14份，水6份，砂26～33份，磁铁矿砂6份，碳纤维2份，石墨1份，0.05～0.1份的纤维分散剂和0.09～0.1份减水剂。
2.根据权利要求1所述的一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆，其特征在于，所述水泥为普通P·O 42.5硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为165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所述的一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆，其特征在于，集料为天然砂和石的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆，其特征在于，碳纤维的尺寸为5～6mm，电阻率为1.0-1.6Ω·cm，碳纤维不包括含树脂类碳纤维。
5.根据权利要求1所述的一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆，其特征在于，石墨和氧化铁粉能够代替水泥与水共同组成水泥胶凝体系。
6.根据权利要求1所述的一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆，其特征在于，减水剂为聚羧酸减水剂，纤维分散剂为甲基纤维素，减水剂为聚羧酸减水剂。
7.根据权利要求1所述的一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆，其特征在于，磁铁矿砂能够代替天然砂。
8.权利要求1所述的一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将1～2份碳纤维在0.05～0.1份纤维分散剂和2份水中进行分散；
将水泥、砂、磁铁矿砂及石墨进行混合，得到混合物；
在混合物中加入4份水和0.1份减水剂，搅拌均匀后得到水泥砂浆；
将水泥砂浆置于模具中，排气、静置、脱模后进行养护，得到高导热水泥砂浆。
9.根据权利要求8所述的一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆的制备方法，其特征在于，得到水泥砂浆的具体方法如下：
在混合物中中加入水和减水剂，在在275r/min～295r/min下快速搅拌30s；静止90s后，在275r/min～295r/min下快速搅拌60s，使水泥砂浆拌合均匀，得到水泥砂浆。
10.根据权利要求8所述的一种改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆的制备方法，其特征在于，得到高导热水泥砂浆的具体方法如下：
将水泥砂浆置于尺寸为40mm×160mm×160mm的立方体模具中振捣60次，将内部空气排净，静置24h后脱模放入标准养护室中养护28d，得到高导热水泥砂浆。
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| CN202210102999.5A CN114368949A (zh) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 改善吸波混凝土路面温度不均匀性的高导热水泥砂浆及制备方法 |
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-
2022
- 2022-01-27 CN CN202210102999.5A patent/CN114368949A/zh active Pending
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