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微波除冰过程中各种混凝土路面的介电性能和微波加热效率的研究

h i g h l i g h t s ：

• 在微波除冰过程中，使用开放式微波机测试路面混凝土。
• 制备了不同水灰比和砂比的路面混凝土。
• 研究了各种混合混凝土和石墨改性混凝土的介电性能。
• 讨论了微波除冰技术的发展前景。

文章历史：2018年4月19日收到，修订版2019年6月15日至2019年7月19日接收。

关键字：机场路面混凝土吸波能力，实时温度曲线微波加热效率

摘 要

路面材料的介电性能对微波除冰效率有重要影响。而且，路面的混合性能也显着影响介电性能。在这项研究中，将水/水泥比，砂比和石墨的添加量设置为变量，以形成具有不同混合特性的路面。随后，通过实验研究了样品的介电能力，微波除冰效率和静态力学性能。结果表明，普通混凝土复介电常数的实部保持在6.69〜7.76之间，虚部保持在0.31〜1.09之间。损耗角正切值在0.04至0.15的较低范围内。介电性能随水/水泥比和砂比的增加而增加，这增强了路面的复介电常数和微波除冰效率。通过以5％，10％和15％的添加比例添加作为吸波材料的石墨来制备在微波除冰中更有效的石墨改性混凝土（GC）。石墨的加入导致GC的复数介电常数和微波除冰效率明显提高。与PC相比，GC-3除冰的成本时间减少到90 s。另外，基本配合比的变化也降低了混凝土的静态机械性能。水/水泥和砂比的变化对混凝土强度和介电性能的影响程度相似（在5％-10％之内）。相比之下，石墨的影响范围从149％到254％。加入微波吸收材料比改变混凝土的基本配合比具有更明显的影响。

1. 介绍

冰通常在寒冷的天气覆盖人行道，并导致人行道的摩擦系数急剧下降。摩擦系数的降低限制了车辆的制动效率，从而导致冬季交通事故增加20％[1,2]. 有几种传统的除冰方法可以去除冰层，例如机械和化学除冰方法。虽然通过加热电缆除冰。这些传统方法确实有助于去除冰层。但是，一些缺点限制了它们的发展。机械除冰很容易损坏路面，并且不能完全去除冰层。化学除冰不仅会腐蚀车辆的人行道和制动部件，还会危害环境[3,4]. 加热电缆除冰会降低路面的机械性能，并且其产量较高[5]. 已经进行了许多研究来改进这些方法，但是每种方法仍然存在缺点。微波除冰是一种新的除冰方法，与传统方法相比具有许多优点。微波除冰比机械除冰有更好的除冰效果，比电加热除冰有更高的能量利用率，并且比化学除冰更环保[10]。近年来，关于微波除冰的一些研究已经报道，结果表明微波除冰在路面除冰方面具有巨大的潜力。乌日里[11] 指出用微波加热除冰是可行的，而且对环境友好。霍普斯托克[12,13] 采用石岩石作为微波吸收材料，并添加到沥青混凝土中。结果表明，添加水滑石可以提高混凝土的除冰效率。唐[14,15] 就在微波除冰中使用5.8 GHz磁控管进行了一系列研究；结果表明，5.8 GHz磁控管的效率是2.45 GHz磁控管的四倍。鲁[16] 研究了混凝土路面的微波除冰效率；结果表明，添加黑色氧化铁可增加波效率超过1.8倍。王[17] 发现附加碳纤维的使用提高了混凝土的除冰效率和机械性能。高[18] 将钢渣作为骨料加入沥青混合料中进行微波除冰；结果表明，随着钢渣含量的增加，微波加热均匀性降低，最有效的钢渣尺寸为9.5 mm，2.36毫米和0.6毫米。张[19] 对高密度沥青混合料的微波除冰时间进行了研究，发现可以通过增加微波加热陶瓷的体积来缩短时间。这些研究[14–19]主要集中在沥青混凝土的加热效果上。实际上，水泥混凝土是路面的主要材料之一。因此，研究水泥混凝土的微波除冰效果是有意义的。另外，上述研究主要集中在具有不同骨料和吸波材料的混凝土的加热效果上。但是，水/水泥和砂的比例也会对混凝土的相对介电常数产生影响。 [20,21]. 因此，研究不同水灰比和砂比的水泥混凝土的介电常数和微波加热效率非常重要。此外，微波吸收材料还显着提高了微波除冰效率[22–24]. 因此，测量添加了微波吸收材料的混凝土的电性能对于揭示添加材料的作用很重要，这对于材料的普及和微波除冰方法都是必需的。在这项研究中，通过改变水泥混凝土的混合比例来研究路面的介电性能。十个系列的水/水泥比为0.37、0.39、0.41，测试了0.43、0.45和0.24、0.26、0.28、0.30、0.32的砂比。随后，将石墨作为微波吸收材料添加到水泥混凝土中以增强微波除冰效果。研究了所有样品的吸波性能和微波加热效率。最后，测试了样品的机械性能。本文可以为混凝土改良中吸收材料的选择提供理论支持，具有理论和实践价值。

1. 实验

2.1 用料

不同类型的水泥和骨料对混凝土的介电性能有明显的影响[13,25–27]. 在这项研究中，感兴趣的主题是路面混凝土。因此，这里使用的水泥是符合中国标准的普通硅酸盐水泥。[28]，广泛用于铺装路面。另外，本文使用的沙子是河砂，并且使用的粗骨料是石灰石。这些材料都广泛用于路面施工中。在生产混凝土时，使用了3天和28天抗弯强度分别为5.2 MPa和8.5 MPa的波特兰水泥。使用比例为1：2：2（基于试验混合料设计）的大约5-10 mm，10-20 mm和20-40 mm的三个粗骨料等级来生产混凝土试样。粗骨料的密度和堆积密度为2.71 g / cm³和1.63 g / cm³。图1和2 分别显示了粗骨料的三个等级和等级曲线。细骨料是天然河砂，密度为2.57 g / cm³，堆积密度为1.47 kg / L，适应度为2.8。其等级曲线如图3. 石墨粉的密度为1.9 g / cm³，石墨纯度超过99％。加入减水率为35％的聚羧酸基超级增塑剂，其用量为水泥体积的1.1％，以实现足够的可加工性。

2.2 混合设计

这项研究主要集中在路面混凝土上。因此，混合料设计基于路面混凝土。路面混凝土的基本配合比设计如下[29]:

首先所制备的路面混凝土的抗弯强度计算：

其中表示配制的路面混凝土的抗弯强度，为混凝土的设计强度，k是混凝土强度的保证因子，是抗弯强度标准偏差。在配合比设计中，路面混凝土的设计强度为4.5 MPa，抗弯强度保证系数为95％，施工单位标准偏差为0.6 MPa。在此基础上，水灰比可以通过以下公式计算：=1.32

: f

其中，表示所制备的路面混凝土的抗弯强度，是水泥的28 d抗弯强度，W和C分别是混凝土中的单位水剂量和单位水泥剂量。在人行道的混合料设计中，单位水泥用量必须不少于300 kg / m3。因此，根据试验混合料的设计，单位水泥用量和砂比分别设置为330 kg / m3和0.28。因此，可以通过绝对体积法计算单位砂剂量和单位石剂量。沙子和石头之间的关系表示为

=

其中S和G分别表示单位砂剂量和单位石剂量，并且Sp表示砂比。混凝土中的沙子和石头的体积为

其中，和分别是水泥的质量和水的用量，在1 m3的混凝土中，和分别是水泥和水的密度，而是混凝土中的气隙含量。随后，路面混凝土基本混合比可以通过公式计算。(1)–(4). 普通路面混凝土（PC）的混合比例如下：表格1.

图1 粗骨料和细骨料。 图2 粗骨料混合物的分级曲线。

图3 河沙的分级曲线。

表格1

混合混凝土的比例（kg / m3）。

其中，表示所制备的路面混凝土的抗弯强度，是水泥的28 d抗弯强度，W和C分别是混凝土中的单位水剂量和单位水泥剂量。在人行道的混合料设计中，单位水泥用量必须不少于300 kg / m3。因此，根据试验混合料的设计，单位水泥用量和砂比分别设置为330 kg / m3和0.28。因此，可以通过绝对体积法计算单位砂剂量和单位石剂量。沙子和石头之间的关系表示为

=

其中S和G分别表示单位砂剂量和单位石剂量，并且

Sp表示砂比。混凝土中的沙子和石头的体积为

不同水灰比的路面混凝土的配合比设计如下：首先，使用绝对体积法控制水灰比和沙子比变量。水和水泥的总体积保持不变，无论水灰比如何变化。另外，沙和石的总体积保持不变，而与沙比的变化无关。在此基础上，准备了水灰比和砂比不同的试样。接下来，进行试验混合以确定水/水泥和砂比的合适范围。在测试中，当水灰比增加到0.45时，路面混凝土的抗弯强度降低到4.9。另外，当水灰比降低至0.37时，混凝土粘合剂的Vebe时间增加至37 s，高于满足可加工性标准所需的30 s。[30]. 此外，当砂比达到0.24和0.32时，混凝土粘合剂的Vebe时间分别为32s和38s。当Vebe时间大于30 s时，很难满足可加工性标准。因此，水灰比的选择范围为0.37至0.45，而砂比的选择范围为0.24至0.32。在此基础上，生产了水/水泥比为0.37、0.39、0.41、0.43和0.45的五个系列样品，并分别标记为W / C-0.37，W / C-0.39，W / C-0.41，W / C- 0.43和W / C-0.45。制作了五个系列的砂比为0.24、0.26、0.28、0.30和0.32的标本，分别标为SR-0.24，SR-0.26，SR-0.28，SR-0.30和SR-0.32。此外，将具有三种水泥质量分数（分别为5％，10％和15％）的石墨添加到混凝土中，以生产出三个标记为GC-1，GC-2和GC-3的石墨改性混凝土（GC）标本. .所有样品的混合比例列于表2.

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