碳纤维沥青路面电磁波吸收层性能研究

2018-11-20 15:40:39 中城华宇
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摘要:为了研究碳纤维对碎石封层材料电磁波性能的影响,将碳纤维掺入沥青碎石封层,对不同掺量的试样进行微波加热性能试验。试验表明:在沥青碎石封层中掺入碳纤维制备电磁波吸收层能大幅提高其微波加热性能,试样升温速率是基准样的2倍;沥青路面上设置电磁波吸收层能大幅提高路面表层微波加热性能、微波除冰速率,抗早期荷载、抗水损害性能。

 

关键词:碳纤维;电磁波吸收层;微波加热;除冰雪

 

引言

 

由于中国北方大部分地区冬季气温普遍较低且持续时间较长,这种寒冷气候导致大量道路受到积雪结冰的影响,影响交通安全,从而造成严重的交通事故,对人们的生命财产安全威胁极大。因此,世界各国研究人员对于如何快速有效地清除道路冰雪不断进行着探索研究。与人工、机械、电热、融雪剂等其他除冰融雪技术相比,微波融雪除冰具有环保节能的特点,并且已应用到飞机除冰领域;在道路除冰领域方面,微波除冰技术以其良好的操作性、实施性、无损耗性受到青睐。

 

微波加热技术虽然具有显著地优势,但在道路除冰领域一直未得到推广利用,主要是由于在微波吸收发热方面,传统道路材料的效率较低。对此,国内外专家学者进行了大量的研究。袁斌等用铁矿石替换部分石灰岩粗集料,制备的沥青混合料微波加热升温效率明显高于普通沥青混合料。长安大学郭德栋等通过建立模型,仿真模拟了沥青路面的微波除冰技术,进一步研究了冰层在与沥青路面层接触时,通过温度的变化规律确定最佳加热时间。长安大学赵鹏等研究发现,以磁铁矿替换传统沥青集料,不仅可以提高沥青混凝土路面的吸波性能,而且阻燃性能也得到改善。长安大学焦生杰等明确了道路微波除冰的指标,建立了微波除冰模型,研究表明:相对于2.45Ghz微波,5.8Ghz能够提高除冰效率4~6倍,铁磁性材料加铺层能够提高除冰效率3~5倍。但磁性金属粉易锈蚀,与沥青浸润性差,容易使路面出现松散、开裂等病害,铁氧体产量低、成本高,同时采用铁矿石电磁波吸收材料制备沥青路面混合料时用量过大,不易在沥青路面中大量推广。

 

沥青碎石封层是用碎石及黏结材料制备而成,铺撒在路面上,通过自然行车碾压形成单层沥青碎石磨耗层,使道路各项性能得到提高,如:防水性能、防滑性能、行车舒适度及道路使用寿命等,并且可解决道路病害的问题。其作为经济有效的技术,目前已广泛应用于日常道路养护中。为进一步降低路面成本,提高沥青路面微波除冰雪性能及其使用寿命,本文通过掺入碳纤维吸收剂到沥青碎石封层材料中制备沥青路面电磁波吸收层,研究碳纤维对碎石封层材料电磁波性能的影响,达到提高沥青道路表面电磁波吸收能力的目的,解决传统沥青路面在微波除冰雪过程中存在加热时间长,除冰雪效率低的问题,同时提高路面使用性能。

 

试验原材料及方法

 

原材料及配比

 

选用PC-1快裂型乳化沥青。沥青碎石封层材料组成为改性沥青2.0kG·m-2,集料11kG·m-2。所用碳纤维为日本TORAY生产的T300B-1000。碳纤维用量为0.5%,1%、1.5%和2.0%,长度分别为1、2、3、4、5mm。

 

试验方法

 

电磁参数。对于沥青路面电磁波吸收层材料,其复介电常数与复磁导率用矩形波导法来测试,测试所选波段为2.6~4.0Ghz,利用型号为E8302B的网络分析仪进行分析。沥青路面的反射损耗计算。

 

微波加热特性。将热敏电阻温度传感器置于试件内,采用微波加热器进行加热试验,分别测试5、10、15、20min电磁波吸收层温度,绘制加热时间与温度关系曲线。

 

路用性能。采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求的车辙试验评价材料早期抗荷载性能。采用《公路工程路基路面现场测试规程》湿轮磨耗试验中脱石率评价材料抗水损害能力。

 

试验结果分析

 

碳纤维改性沥青路面电磁波吸收层电磁参数

 

采用不同碳纤维掺量研究沥青路面吸收层材料。

 

可以看出,随着碳纤维掺量的增加,材料的复介电常数实部ε′发生显著增加,同时对于同一掺量的沥青胶浆,ε′随着电磁波频率的增加而出现减少的趋势,并且碳纤维掺量越大,这种趋势越明显。可知,随着碳纤维掺量的增加,试样的复介电常数虚部ε″呈现出逐渐增长的规律,并且在试验所测的电磁波频率范围内,随着电磁波频率的增加,试样的电损耗呈现出逐渐减少的规律,但是当碳纤维的掺量维持在较低的水平时,其减小的速率较小,当碳纤维的掺量较高时,这种规律较为明显。

 

采用不同碳纤维长度研究沥青路面吸收层材料,测试其电磁参数。

 

可以看出,当碳纤维长度在3mm以内时,复介电常数实部随纤维长度的增加而增加。当纤维长度大于3mm时,随着碳纤维长度的增加,复介电常数随频率急剧下降。掺不同长度碳纤维沥青试样复介电常数虚部,测试频率在2.6~4.0Ghz之间,复介电常数虚部随纤维长度的增加而增加。

 

碳纤维改性沥青路面电磁波吸收层吸波性能

 

沥青试样的反射率可以利用上述复介电常数与磁导率的关系,通过关系来计算。采用不同碳纤维掺量研究改性沥青路面吸收层材料,测试其在2.6Ghz处,反射率与试样厚度之间的关系。

 

从图3可以看出,当碳纤维掺量为0.5%时,其沥青电磁波吸收层的电磁波吸收性能较优异,电磁波吸收能力随着碳纤维掺量的增加显著降低。分析原因为,在水泥基体中,短纤维具有可在电磁场中产生极化耗散电流这种类似于偶极子的行为,其路面对电磁波的吸收特性通过基体作用耗散电流被衰减来实现。由于短切碳纤维掺量的变化引起谐振子间距发生变化,导致出现电磁波的多重效应;当碳纤维掺量为0.5%时,其反射损耗达到最大;在碳纤维含量较低时,由于振子间相互接触排斥作用力较小,独立谐振子间为阻抗,吸收峰通过各偶极对电磁波的作用叠加吸收得到。0.5%反射损耗存在峰值,随着碳纤维掺量的增加,在某一值时,电磁波反射特性较强,主要是由于振子间相互接触排斥使得电场出现叠加。随着碳纤维的掺量增大至1%时,该材料由电磁波吸收性能向反射性能转变。沥青电磁波吸收层匹配厚度为7~9mm。当碳纤维掺量为1.5%研究改性沥青路面吸收层材料,测试其在2.6Ghz处,反射率与试样厚度之间的关系。

 

可以看出,当碳纤维掺量在1.5%时,随着纤维长度的增加,其反射损耗随长度的增加而降低。进行对比发现,碳纤维在沥青表面功能层中的掺量与长度存在合理匹配值。当纤维掺量增大时,需要适当降低纤维长度以增大吸收性能,降低反射性能。纤维掺量为1.5%,长为1mm时,沥青电磁波吸收层合理厚度应为7~12mm。考虑碎石封层厚度为5~12mm,基于反射损耗试验结果,结合路面工程要求,掺量为1.5%,长为1mm碳纤维制备沥青路面电磁波吸收层具有优异的吸波性能,同时具有良好的施工可操作性。

 

碳纤维沥青路面电磁波吸收层微波加热性能

 

空白样,碳纤维掺量为0.5%、长3mm的样品和碳纤维掺量为1.5%、长1mm的样品微波加热时间与温度关系曲线图。

 

可以看出,随着微波加热时间的增加,温度迅速增大。微波加热时间与温度呈线性关系。在沥青碎石封层中掺入碳纤维大幅度提高了其微波加热性能,掺0.5%、长3mm的碳纤维试样与掺1.5%、长1mm的碳纤维试样升温速率分别为基准样的2倍和1.5倍。因此,在沥青路面上设置电磁波吸收层能够大幅度提高微波除冰雪速度。

 

5h后电磁波吸收层与基准样车辙值对比图。电磁波吸收层与基准样湿轮磨耗试验脱石率对比图。

 

可以看出,碳纤维电磁波吸收层5h碾压值仅为基准样的67%。加入碳纤维提高了碎石封层的早期抗荷载性能。分析原因为碳纤维吸附沥青中的轻质油分增大了结构沥青层的比例,增加了纤维-沥青-集料体系黏结强度,大幅度提高了沥青碎石封层整体抗剪切强度与温度稳定性。可以看出,电磁波吸收层脱石率为7.1%,仅为普通沥青碎石封层脱石率的72%。表明碳纤维的加入增加了沥青与石料的黏结性能,进而提高沥青碎石封层抗水损害能力。

 

结语

 

(1)基于反射损耗试验结果,结合路面工程要求,采用合理厚度范围更宽的掺量为1.5%,长1mm的碳纤维制备沥青路面电磁波吸收层具有优异的吸波性能,同时具有良好的施工可操作性。

 

(2)在沥青碎石封层中掺入碳纤维制备电磁波吸收层能够大幅度提高其微波加热性能,掺1.5%、长1mm的碳纤维试样的升温速率为基准样的2倍。

 

(3)沥青路面上设置电磁波吸收层不仅能够大幅度提高沥青路面表层微波加热性能,提升微波除冰雪速度,同时还可提高传统碎石封层抗早期荷载与抗水损害性能。