碳纖維瀝青路面電磁波吸收層性能研究

劉士全

摘要：為了研究碳纖維對碎石封層材料電磁波性能的影響，將碳纖維摻入瀝青碎石封層，對不同摻量的試樣進行微波加熱性能試驗。試驗表明：在瀝青碎石封層中摻入碳纖維制備電磁波吸收層能大幅提高其微波加熱性能，試樣升溫速率是基準樣的2倍；瀝青路面上設置電磁波吸收層能大幅提高路面表層微波加熱性能、微波除冰速率，抗早期荷載、抗水損害性能。

關鍵詞：碳纖維；電磁波吸收層；微波加熱；除冰雪

中圖分類號：U418.4文獻標志碼：B

Electromagnetic Wave Absorbing Properties of Carbon Fiber Reinforced Asphalt Pavement

LIU Shiquan

（Traffic Design and Research Institute Co.， Ltd. of Inner Mongolia， Hohhot 010010， Inner Mongolia， China）

Abstract： In order to study the effect of carbon fiber on the electromagnetic wave properties of the chip seal materials， the microwave heating performance test was carried out on the samples with different amounts of carbon fiber. The results show that the microwave heating performance can be greatly improved by the addition of carbon fiber in the chip seal materials， and the sample heating rate is twice as high as that of the reference sample. The electromagnetic wave absorbing layer on the asphalt pavement can greatly improve the microwave heating performance， microwave deicing rate， antiearly loading， waterresistant performance of the pavement surface.

Key words： carbon fiber； electromagnetic wave absorbing layer； microwave heating； removal of ice and snow

0引言

由于中國北方大部分地區冬季氣溫普遍較低且持續時間較長，這種寒冷氣候導致大量道路受到積雪結冰的影響，影響交通安全，從而造成嚴重的交通事故，對人們的生命財產安全威脅極大。因此，世界各國研究人員對于如何快速有效地清除道路冰雪不斷進行著探索研究。與人工、機械、電熱、融雪劑等其他除冰融雪技術相比，微波融雪除冰具有環保節能的特點，并且已應用到飛機除冰領域；在道路除冰領域方面，微波除冰技術以其良好的操作性、實施性、無損耗性受到青睞[16]。

微波加熱技術雖然具有顯著地優勢，但在道路除冰領域一直未得到推廣利用，主要是由于在微波吸收發熱方面，傳統道路材料的效率較低[79]。對此，國內外專家學者進行了大量的研究。袁斌等用鐵礦石替換部分石灰巖粗集料，制備的瀝青混合料微波加熱升溫效率明顯高于普通瀝青混合料。長安大學郭德棟等[1012]通過建立模型，仿真模擬了瀝青路面的微波除冰技術，進一步研究了冰層在與瀝青路面層接觸時，通過溫度的變化規律確定最佳加熱時間。長安大學趙鵬[1314]等研究發現，以磁鐵礦替換傳統瀝青集料，不僅可以提高瀝青混凝土路面的吸波性能，而且阻燃性能也得到改善。長安大學焦生杰等[1519]明確了道路微波除冰的指標，建立了微波除冰模型，研究表明：相對于245 GHz微波，58 GHz能夠提高除冰效率4～6倍，鐵磁性材料加鋪層能夠提高除冰效率3～5倍。但磁性金屬粉易銹蝕，與瀝青浸潤性差，容易使路面出現松散、開裂等病害，鐵氧體產量低、成本高，同時采用鐵礦石電磁波吸收材料制備瀝青路面混合料時用量過大，不易在瀝青路面中大量推廣。

瀝青碎石封層是用碎石及黏結材料（改性瀝青或改性乳化瀝青）制備而成，鋪撒在路面上，通過自然行車碾壓形成單層瀝青碎石磨耗層（厚度一般為5～12 mm），使道路各項性能得到提高，如：防水性能、防滑性能、行車舒適度及道路使用壽命等，并且可解決道路病害的問題。其作為經濟有效的技術，目前已廣泛應用于日常道路養護中。為進一步降低路面成本，提高瀝青路面微波除冰雪性能及其使用壽命，本文通過摻入碳纖維吸收劑到瀝青碎石封層材料中制備瀝青路面電磁波吸收層，研究碳纖維對碎石封層材料電磁波性能的影響，達到提高瀝青道路表面電磁波吸收能力的目的，解決傳統瀝青路面在微波除冰雪過程中存在加熱時間長，除冰雪效率低的問題，同時提高路面使用性能。

1試驗原材料及方法

1.1原材料及配比

選用PC1快裂型乳化瀝青。瀝青碎石封層材料組成為改性瀝青2.0 kg·m-2，集料11 kg·m-2。所用碳纖維為日本TORAY生產的T300B1000。碳纖維用量為05%，1%、1.5%和2.0%，長度分別為1、2、3、4、5 mm。

1.2試驗方法

1.2.1電磁參數

對于瀝青路面電磁波吸收層材料，其復介電常數與復磁導率用矩形波導法來測試，測試所選波段為2.6～4.0 GHz，利用型號為E8302B的網絡分析儀進行分析。瀝青路面的反射損耗用式（1）、（2）計算。endprint

試樣的反射率為

RL=20logZin-Z0Zin+Z0（1）

Zin=Z0μεtanhj2πftcμε（2）

式中：RL為反射率（dB），-10 dB表示損耗電磁波能量的90%； Zin為入射波在自由空間與材料界面處的阻抗；Z0為入射波在自由空間的阻抗；μ為材料的復磁導率；ε為材料的復介電常數；c為光束；t為材料厚度；f為電磁波頻率。

1.2.2微波加熱特性

將熱敏電阻溫度傳感器置于試件內，采用微波加熱器進行加熱試驗，分別測試5、10、15、20 min電磁波吸收層溫度，繪制加熱時間與溫度關系曲線。

1.2.3路用性能

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）要求的車轍試驗評價材料早期抗荷載性能。采用《公路工程路基路面現場測試規程》（JTG E60—2008）濕輪磨耗試驗中脫石率評價材料抗水損害能力。

2試驗結果分析

2.1碳纖維改性瀝青路面電磁波吸收層電磁參數

采用不同碳纖維（長3 mm）摻量（05%、10%、15%和20%）研究瀝青路面吸收層材料，測試其電磁參數結果如圖1所示。

可以看出，隨著碳纖維摻量的增加，材料的復介電常數實部ε′發生顯著增加，同時對于同一摻量的瀝青膠漿，ε′隨著電磁波頻率的增加而出現減少的趨勢，并且碳纖維摻量越大，這種趨勢越明顯。由圖1（b）可知，隨著碳纖維摻量的增加，試樣的復介電常數虛部ε″（電損耗）呈現出逐漸增長的規律，并且在試驗所測的電磁波頻率范圍內，隨著電磁波頻率的增加，試樣的電損耗呈現出逐漸減少的規律，但是當碳纖維的摻量維持在較低的水平時，其減小的速率較小，當碳纖維的摻量較高時，這種規律較為明顯。

采用不同碳纖維長度（長為1～5 mm，摻量為15%）研究瀝青路面吸收層材料，測試其電磁參數，結果如圖2所示。

可以看出，當碳纖維長度在3 mm以內時，復介電常數實部隨纖維長度的增加而增加。當纖維長度大于3 mm時，隨著碳纖維長度的增加，復介電常數隨頻率急劇下降。圖2（b）為摻不同長度碳纖維瀝青試樣復介電常數虛部，測試頻率在26～4.0 GHz之間，復介電常數虛部隨纖維長度的增加而增加。

2.2碳纖維改性瀝青路面電磁波吸收層吸波性能

瀝青試樣的反射率可以利用上述復介電常數與磁導率的關系，通過關系式（1）、（2）來計算。采用不同碳纖維摻量（0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，長3 mm）研究改性瀝青路面吸收層材料，測試其在2.6 GHz處，反射率與試樣厚度之間的關系，結果如圖3所示。

圖3不同厚度碳纖維瀝青電磁波吸收層反射率（長3 mm）

從圖3可以看出，當碳纖維摻量為0.5%時，其瀝青電磁波吸收層的電磁波吸收性能較優異，電磁波吸收能力隨著碳纖維摻量的增加顯著降低。分析原因為，在水泥基體中，短纖維具有可在電磁場中產生極化耗散電流這種類似于偶極子的行為，其路面對電磁波的吸收特性通過基體作用耗散電流被衰減來實現。由于短切碳纖維摻量的變化引起諧振子間距發生變化，導致出現電磁波的多重效應；當碳纖維摻量為0.5%時，其反射損耗達到最大；在碳纖維含量較低時，由于振子間相互接觸排斥作用力較小，獨立諧振子間為阻抗，吸收峰通過各偶極對電磁波的作用疊加吸收得到。0.5%反射損耗存在峰值，隨著碳纖維摻量的增加，在某一值時，電磁波反射特性較強，主要是由于振子間相互接觸排斥使得電場出現疊加。隨著碳纖維的摻量增大至1%時，該材料由電磁波吸收性能向反射性能轉變。瀝青電磁波吸收層匹配厚度為7～9 mm。

當碳纖維摻量為15%（長度分別為1、2、3、4、5 mm）研究改性瀝青路面吸收層材料，測試其在26 GHz處，反射率與試樣厚度之間的關系，結果如可以看出，碳纖維電磁波吸收層5 h碾壓值僅為基準樣的67%。加入碳纖維提高了碎石封層的早期抗荷載性能。分析原因為碳纖維吸附瀝青中的輕質油分增大了結構瀝青層的比例，增加了纖維瀝青集料體系黏結強度，大幅度提高了瀝青碎石封層整體抗剪切強度與溫度穩定性。從圖7可以看出，電磁波吸收層脫石率為7.1%，僅為普通瀝青碎石封層脫石率的72%。表明碳纖維的加入增加了瀝青與石料的黏結性能，進而提高瀝青碎石封層抗水損害能力。

3結語

（1）基于反射損耗試驗結果，結合路面工程要求，采用合理厚度范圍更寬的摻量為15%，長1 mm的碳纖維制備瀝青路面電磁波吸收層具有優異的吸波性能，同時具有良好的施工可操作性。

（2）在瀝青碎石封層中摻入碳纖維制備電磁波吸收層能夠大幅度提高其微波加熱性能，摻1.5%、長1 mm的碳纖維試樣的升溫速率為基準樣的2倍。

（3）瀝青路面上設置電磁波吸收層不僅能夠大幅度提高瀝青路面表層微波加熱性能，提升微波除冰雪速度，同時還可提高傳統碎石封層抗早期荷載與抗水損害性能。

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[責任編輯：杜衛華]endprint