碳纖維混凝土在融雪化冰中的應用研究

■陳偉豪 ■廣東二廣高速公路有限公司，廣東 廣州 510000

混凝土路面由于具有強度高，耐久性好，造價低等優點在我國廣泛應用。我國北方大部分地區冬季溫度低，常有降雪，混凝土路面上大量的冰凍積雪給車輛造成了一定的行駛障礙，因此，路面的快速除冰化雪具有重要意義。目前，有關路面融雪化冰技術已經開展了很多研究，并且取得了一定的研究成果，但實際應用效果并不是很理想，達不到預期結果，有些甚至只是理論上的成熟，不具備工程實用的條件。本文在分析現有融雪化冰技術的基礎上，引入碳纖維混凝土，旨在探討一種適合工程長期實用的混凝土路面融雪化冰技術，依此實現冬季混凝土路面的無障礙通行的目的。

1 常用方法探討

常用的路面融雪化冰技術有人工機械法，化學融化法，熱力學融化法以及導電混凝土法等。人工或者機械的方法起初得到過不少使用，但隨著交通運輸任務的大量增加，由于效率低下不再適應;機械法，速度相對較快，但是卻容易破壞路面，并且機械投資大，閑置損耗大。此外，如果環境溫度太低，冰層較厚，由于道面和冰塊間粘結力增大，機械和人工并不能徹底的清除冰塊等。

化學融化法是在路面上鋪撒一些化學物質，依此來降低水的冰點，使冰雪快速融化。此類方法目前比較常見的就是撒鹽融化技術，采用該方法材料來源比較容易，并且比較廉價，融雪破冰效果良好，但是由于鹽的化學屬性容易腐蝕路面，一定程度上影響了道面的使用質量。盡管此方法目前在路面上比較常用，但是由于上述的一些缺點致使相關部門對此不是很滿意，所以出現更好的方法代替化學溶化法勢在必行［1］。

熱力學融化法是采用加熱的方法使冰雪融化，目前出現的此類方法有地熱管法、流體加熱法、電熱絲法、紅外線管加熱法等。這些方法都普遍存在這樣或那樣的問題，如地熱管安裝復雜，影響道面，流體加熱法需要熱水源，實施起來麻煩，電熱絲容易被拔出，紅外線管升溫比較遲緩等。所以這些方法也都不能有效的解決混凝土道面融雪化冰地問題。

導電混凝土法基本原理是在普通混凝土中添加某些導電材料使混凝土變成具有良好導電性能的導電體，當聯通電源后，混凝土發生能量轉換產生熱量融化冰雪。目前常用的有鋼纖維混凝土導電法和碳纖維混凝土導電法，但是隨著使用發現鋼纖維作為導電材料，它的電阻率增大非?？?，使用一年增大近60倍，給長期使用帶來了困難，所以就出現了用碳纖維混凝土代替鋼纖維混凝土的趨勢，

但是用碳纖維混凝土代替后，其導電能力，強度等能否滿足要求，本文從碳纖維的力學性能、導電能力的穩定性等方面來研究碳纖維混凝土能否適用路面融雪化冰。

2 原材料及碳纖維混凝土設計

采用短切碳纖維，技術指標如下表2.1，混凝土配合比設計時，初步設計四組配合比，主要按照碳纖維摻量的不同研究碳纖維混凝土的強度和導電能力，配合比設計見下表2.2，配合比試驗測試結果見下表2.3。

表2.1 碳纖維技術性能

表2.2 碳纖維混凝土配合比設計

表2.3 配合比試驗結果

3 碳纖維混凝土力學性能試驗

混凝土路面受行車荷載和環境溫度的復雜作用，要求路面本身具有一定的抗壓強度和抗折強度，本節按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2002規范制作試件?？箟簭姸仍嚰叽鐬?50mm×150mm×150mm，抗折強度試件尺寸為150mm×150mm×600mm，每個纖維摻量均準備3組試件。

3.1 數據處理方法

強度試驗嚴格按照規范規定的水泥混凝土抗壓強度和抗彎拉強度試驗方法，采用萬能試驗機進行試驗，試驗結果參考下面公式計算。

式中:fcu—混凝土立方體抗壓強度(MPa);

F—極限荷載(N);A—受壓面積(mm2)。以三個試件測值的算術平均值為測定值，計算精確至0.1MPa。因為抗壓強度測試采用的是非標準試件，所以計算結果×尺寸換算系數(0.95)轉化為標準尺寸抗壓強度。

式中:ff是抗彎拉應力(MPa);F為極限荷載(N);

L為支座間的距離(mm);b為試件寬度(mm);h為試件高度(mm)。同樣計算三個試件的平均值作為測定值。

3.2 結果分析

對四種配合比不同纖維摻量的碳纖維混凝土進行抗壓強度和抗折強度試驗，結果見下表2.4與2.5。

表2.4 碳纖維混凝土抗折強度試驗結果

表2.5 碳纖維混凝土抗壓強度試驗結果

抗壓強度/MPa纖維摻量/% 試件1 試件2 試件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

分析試驗結果發現，隨著碳纖維摻量的增大，混凝土的抗壓強度和抗折強度均有增大的趨勢，說明碳纖維的加入可改善混凝土的強度。同時發現，當碳纖維摻量處于0.5～1.5%之間時，混凝土的強度增加的比較明顯，處于1.5～2.0%時，混凝土的強度并沒有顯著增加，說明碳纖維改善混凝土的強度存在一個摻量范圍，根據研究結果，從混凝土強度考慮，摻量宜在1.5～2.0%之間。

4 碳纖維混凝土導電性能分析

4.1 混凝土的導電性

導電混凝土作為一種導電材料，在兩端加上電極之后，能夠快速導電發熱，滿足融雪化冰需要。因此，導電性是衡量導電混凝土性能的一個重要參數，與其強度要求同等重要。對于導電性的要求是在一定的時間，允許荷載和環境條件下保持其導電的穩定性。用來衡量混凝土導電性的一般參數是電阻率，電阻率的大小與混凝土自身的特性、所添加導電材料以及所加的電極都有關系［2］。一般情況下，混凝土的電阻率可以根據用途不同而不同。

4.2 碳纖維的優勢

碳纖維一種良好的導電材料，它加入混凝土中形成碳纖維導電混凝土，其優勢在于:(1)碳纖維混凝土的電阻率比較穩定。電阻率的穩定性是指隨著時間的延長、環境條件的反復變化，導電混凝土的電阻率應該保持相對的穩定;在使用過程中，隨著通電次數的增加和電壓高低的變化，其電阻率保持穩定。碳纖維導電混凝土與同類型導電材料相比，電阻率穩定性較強。(2)碳纖維由于自身特點，更容易形成導電網絡。纖維越細，直徑越小，其電阻越小，在相同的混凝土板塊中穿插的碳纖維根數越多，這樣就容易形成互相連通的導電纖維網絡。因此，在導電混凝土中，要求碳纖維直徑小，單絲長度要大，一般要求為直徑0.05～7.50μm，長度2～40mm，這樣摻入較少體積含量就會出現導電滲流現象，保證了良好的導電能力。

正是由于碳纖維的上述特點，決定了它在導電混凝土中的適用性，但是碳纖維導電混凝土也有自身的缺點:碳纖維本身具有疏水性，在水泥漿體中很難均勻分散，這就可能導致混凝土板塊導電性能不均勻。目前解決的辦法通常是加入纖維分散劑來提高碳纖維的分散性［3］，使用的分散劑通常有甲基纖維素(MC)、羧甲基纖維素(CMC)、羥乙基纖維素(HEC)。這些基團能與碳纖維表面的極性羥基基團或羰基基團以及水分子之間形成氫鍵，增強了短碳纖維表面的親水性和侵潤性，從而提高了碳纖維的分散性。分散劑中極性基團越多，與短碳纖維之間形成的氫鍵就越多，分子間作用力就越強，分散效果就越好，從而提高碳纖維混凝土的導電率。

5 結論

碳纖維導電混凝土有較高的抗壓強度和抗折強度，并且有良好的導電能力和穩定的電阻率，在路面融雪化冰方面有很好的應用前景。同時發現碳纖維可能在混凝土中分布不均，在使用時有必要采取措施保證碳纖維在混凝土中均勻分散。

［1］侯作富，李卓球，等.融雪化冰用碳纖維混凝土的導電性能研究［J］.武漢理工大學學報.2002.24(8).

［2］王闖，李克智，等.短碳纖維在不同分散劑中的分散性［J］.精細化工，2007，24(1).

［3］朱志遠，王碩太，等.新型機場道面混凝土性能研究［J］.新型建筑材料，2007(68).

［4］魏建強.高速公路路面融雪化冰方法研究［J］.理論探討，2011(130).

［5］黃淑琴.路面加鹽除冰［J］.公路，1996(8):44～46.