本發明涉建材領域和碳纖維應用領域，具體是一種用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土及其制備方法。
背景技術：
：我國地域遼闊，寒冷地區分布范圍廣，冬期持續時間長，氣溫常年處于負溫，致使路面結冰，大大降低了路面的摩擦系數，車輛行駛，制動困難，極易發生交通事故。據統計，冬季道路冰雪引起的交通安全事故占事故總量的35％，同時，結冰道路上車輛行駛的速度下降2/3，嚴重降低了工作效率。2008年，我國南方多省遭遇罕見持續低溫雨雪天氣，直接經濟損失達537.9億。因此，如何快速有效地清除道面積冰引起了人們的廣泛關注。傳統的除冰方法主要有清除法、融化法和抑制法。清除法分為人工清除法和機械清除法，人工清除法比較靈活但是勞動強度大，作業時間長，需要耗費較多的人力物力，而且對交通通行影響較大；機械清除法燃油消耗較大，冰層除凈率較低，設備維護費用較高。融化法分為化學融化法和物理融化法，化學融化法中的融雪劑污染環境，腐蝕鋼筋，對道面耐久性能夠產生不可逆轉破壞；物理融化法主要有撒布砂石料和熱力融化法，撒布砂石料除冰方法效率較低；熱力融化法是指利用太陽能、紅外線、電能、地熱能等熱能清除道路積冰的方法，熱力融化法清除道路薄冰效果好，但是清除道路厚冰效果不理想，并且能耗較大。抑制法是指在道面鋪裝材料摻入彈性顆粒，在行車荷載作用下路面產生自應力達到除冰目的，但是當冰層達到一定厚度后，除冰效果不顯著，同時，彈性顆粒道面的耐久性也有待提升，在一些對道面性能要求較高的道路工程中，如機場跑道，高等級高速公路等，其應用受到限制。針對傳統除冰方法的不足，目前已經提出了道路微波除冰技術。微波除冰技術是利用微波加熱路面，使冰層與路面脫離，然后通過機械裝置破碎并清除冰層，從而實現路面除冰的目的。冰層基本不吸收微波，微波能夠透過冰層加熱道面，道面材料吸收微波后溫度逐漸升高，然后再將熱量傳遞給冰層。貼近道面的冰層首先融化形成水膜，降低了冰層與道面之間的粘結應力，再利用機械裝置就可以將脫離的冰層輕易地清除，實現道面除冰。道路微波除冰自提出以來，由于除冰效率較低，一直未得到實際的推廣應用。從道路微波除冰的過程可以看出，研究開發一種具有高效吸波升溫性能的路面材料是提高微波除冰效率的關鍵所在。在公開號為cn106082876a的發明創造中公開了一種適于微波除冰的混凝土及銅礦渣在混凝土方面的應用，其質量組分為水泥379kg、水144kg、碎石1270kg、外加劑7.58kg、砂312-500kg、銅礦渣125-313kg。將銅礦渣應用于混凝土，提供微波對混凝土路面的除冰效果。該材料的微波除冰效率得到提升，除冰效果比較好，提高了工業冶金銅礦渣肥料的利用價值，但是銅礦渣的摻入能夠降低拌合物的和易性，并且在一定程度上能夠降低材料的抗折強度。在公開號為cn106223254a的發明創造中公開了基于電磁超材料的路面除冰方法，包括以下步驟，設計周期性材料；將周期性材料放置在路面冰層上；再在周期性材料的上方放置微波加熱裝置，調節駐波比至2以下，對路面冰層進行除冰。該方法加強了路面附近分布的場強強度，大大增加熱損耗能量，提高了微波熱轉化效率，但是該方法對路面的平整度要求比較高，周期性材料直接接觸路面冰層上，難以實現道路的連續除冰。技術實現要素：為克服現有技術中存在的微波除冰效率低的不足，本發明提出了一種用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土及其制備方法。本發明中，每1m3所述適用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土中包含330.0～355.0kg水泥、135.30～145.55kg水、1437.85kg石料、548.78～562.55kg砂、3.33～3.55kg減水劑和2.67～4.45kg碳纖維組成。所述石料包括大石、中石和小石，并且大石與中石的重量相同，小石為所述大石或中石重量的50％。所述石料中，大石為561.07～575.14kg，中石為561.07～575.14kg，小石為280.53～287.57kg。所述砂的細度模數為2.8，堆積密度為1.45g/cm3，表觀密度為2.58g/cm3；所述碎石為石灰巖，堆積密度為1.68g/cm3，表觀密度為2.71g/cm3。所述大石粒徑為20～40mm，中石粒徑為10～20mm，小石粒徑為5～10mm。所述的碳纖維為瀝青基短切碳纖維，單絲直徑為7μm，短切長度為6mm，密度1.76g/cm3，拉伸強度4107mpa，拉伸彈性模量239gpa。所述的聚羧酸高效減水劑為pca型聚羧酸減水劑，減水率為35％。本發明提出的制備1所述用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土的具體過程是：步驟1：稱料，按照配比稱量各物料；步驟2：纖維分散，將聚羧酸高效減水劑和水混合攪拌120s，得到聚羧酸高效減水劑混合液；將碳纖維摻入到該混合液中并超聲波振動15min，得到碳纖維均勻分布的混合液；步驟3：制備碳纖維水泥砂漿，將水泥灰和砂倒入攪拌機內攪拌30s；將得到的混合液倒入攪拌機內繼續攪拌30s，得到分布均勻的碳纖維水泥砂漿；步驟4：制備碳纖維混凝土拌合物，將所述大石、中石和小石按配比摻入到攪拌機內，與步驟3獲得的碳纖維水泥砂漿繼續攪拌120s，得到分布均勻的碳纖維混凝土拌合物；步驟5：制備碳纖維增強混凝土，將得到的纖維混凝土拌合物裝入模具內并振動120s密實成型；在標準養護條件下養護24h脫模，脫模后再在標準養護條件下養護27d，即得到碳纖維增強混凝土。利用本發明鋪筑的路面，具有吸波升溫速率快，除冰效率高等優點，提高了道路微波除冰效率。與現有技術相比，本發明取得的有益效果是：(1)水泥基體中碳纖維的分散性比較好：這主要具有兩方面的原因，一方面是聚羧酸高效減水劑具有分散纖維的功能，由于聚羧酸高效減水劑還有強極性的羥基、羧基和磺酸基，這些強極性基團可以吸附在碳纖維表面，增大碳纖維間的相互斥力，從而提高分散度；另一方面是超聲波分散儀產生超聲波的空化作用使碳纖維在混合液中進一步分散。本發明采用這種碳纖維分散方式，可以避免傳統方法中將水溶性纖維素醚帶入水泥基體中，從而減少對混凝土的強度的影響。(2)強度得到提升。本發明制備的碳纖維增強混凝土抗壓強度達到52.18-56.57mpa，抗折強度達到6.63-7.48mpa，而不摻碳纖維的普通混凝土抗壓強度為48.77mpa，抗折強度為5.98mpa。這主要是由于混凝土內部分散均勻的碳纖維具有增強作用。混凝土受力產生微裂縫后，因微裂紋強度與碳纖維相交，碳纖維可以跨越微裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用，從而微裂縫尖端的應力集中，延緩裂縫的發展；同時也可以改變微裂縫的發展方向，產生更多的微裂縫，從而耗散外部能量。(3)吸波性能增強，微波作用下材料表面升溫速率明顯大幅增大。在微波(頻率2.45ghz，功率1000w)作用下，不摻碳纖維混凝土在覆蓋15mm冰層的情況下，混凝土表面的吸波升溫速率為0.37℃/s；相同條件下，本發明制備的碳纖維增強混凝土表面吸波升溫速率達到1.27～1.67℃/s，提升了3.4～4.5倍。這主要是因為碳纖維具有極強的吸波和發熱作用，碳纖維在混凝土基體中隨機分布，在與微波作用時成為偶極子或諧振子，這些隨機分布的偶極子在電磁場的作用下，會產生極化耗散電流，在周圍基體的作用下，耗散電流被衰減，從而將微波能轉化為其他形式的能(熱能)。具體實例方式實施例1本實施例是一種適用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土。每1m3所述適用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土包含330.00kg水泥、135.30kg水、1437.85kg石料、562.55kg砂、3.33kg減水劑和2.67kg碳纖維；所述的石料分為大石、中石和小石三種，其中，大石為575.14kg，中石為575.14kg，小石為287.57kg。所述的水泥為p.o42.5普通硅酸鹽水泥；砂為中砂，細度模數為2.8，堆積密度為1.45g/cm3，表觀密度為2.58g/cm3；碎石為石灰巖，堆積密度為1.68g/cm3，表觀密度為2.71g/cm3，大石粒徑范圍為20～40mm，中石粒徑范圍為10～20mm，小石粒徑范圍為5～10mm。所述的碳纖維為瀝青基短切碳纖維，單絲直徑為7μm，短切長度為6mm，密度1.76g/cm3，拉伸強度4107mpa，拉伸彈性模量239gpa。所述的聚羧酸高效減水劑為pca型聚羧酸減水劑，減水率達35％。制備所述適用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土的具體過程是：步驟1：稱料，按照配比采用電子稱稱量各組分的重量；步驟2：纖維分散，將聚羧酸高效減水劑和水混合攪拌120s得到聚羧酸高效減水劑混合液，然后將碳纖維摻入到混合液中，再將ycfs28-800型超聲波分散儀的超聲波振動桿插入混合液中振動15min，得到碳纖維均勻分布的混合液；步驟3：制備碳纖維水泥砂漿，將水泥灰和砂倒入hjw-60型單臥軸砼強制式攪拌機內攪拌30s，然后將步驟2中獲得的混合液倒入攪拌機內繼續攪拌30s，得到分布均勻的碳纖維水泥砂漿；步驟4：制備碳纖維混凝土拌合物，將所述大石、中石和小石按配比摻入到攪拌機內，與步驟3獲得的碳纖維水泥砂漿繼續攪拌120s，得到分布均勻的碳纖維混凝土拌合物；步驟5：制備碳纖維增強混凝土，將步驟4中獲得的纖維混凝土拌合物裝入模具內，并在hzj磁力振動臺振動120s，密實成型，然后在標準養護條件下養護24h脫模，脫模后再在標準養護條件下養護27d，即得到碳纖維增強混凝土。所述的標準養護條件為濕度≥95％，溫度為20±2℃。實施例2本實施例是一種適用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土。，每1m3所述的適用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土包含348.00kg水泥、142.68kg水、1412.52kg石料、552.63kg砂、3.48kg減水劑和3.56kg碳纖維；所述的石料分為大石、中石和小石三種，其中，大石為565.01kgkg，中石為565.01kgkg，小石為282.50kg。所述的水泥為p.o42.5普通硅酸鹽水泥；砂為中砂，細度模數為2.8，堆積密度為1.45g/cm3，表觀密度為2.58g/cm3；碎石為石灰巖，堆積密度為1.68g/cm3，表觀密度為2.71g/cm3，大石粒徑范圍為20-40mm，中石粒徑范圍為10-20mm，小石粒徑范圍為5-10mm。所述的碳纖維為瀝青基短切碳纖維，單絲直徑7μm，短切長度6mm，密度1.76g/cm3，拉伸強度4107mpa，拉伸彈性模量239gpa。所述的聚羧酸高效減水劑為pca型聚羧酸減水劑，減水率達35％。具體制備方法同實施例1。實施例3本實施例是一種適用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土。每1m3所述的適用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土中包含355.00kg水泥、145.55kg水、1402.67kg石料、548.78kg砂、3.55kg減水劑和4.45kg碳纖維；所述的石料分為大石、中石和小石三種，其中，大石為561.07kg，中石為561.07kg，小石為280.53kg。所述的水泥為p.o42.5普通硅酸鹽水泥；砂為中砂，細度模數為2.8，堆積密度為1.45g/cm3，表觀密度為2.58g/cm3；碎石為石灰巖，堆積密度為1.68g/cm3，表觀密度為2.71g/cm3，大石粒徑范圍為20-40mm，中石粒徑范圍為10-20mm，小石粒徑范圍為5-10mm。所述的碳纖維為瀝青基短切碳纖維，單絲直徑7μm，短切長度6mm，密度1.76g/cm3，拉伸強度4107mpa，拉伸彈性模量239gpa。所述的聚羧酸高效減水劑為pca型聚羧酸減水劑，減水率達35％。具體制備方法同實施例1。對上述實施例的適用于道路微波除冰的碳纖維增強混凝土進行了性能測試，數據如下表：抗壓強度/mpa抗折強度/mpa試件表面吸波升溫速率/(℃·s-1)實施例152.186.871.27實施例256.577.481.42實施例353.656.631.67當前第1頁12