（固体力学专业论文）钢渣石墨导电沥青混凝土的研究.pdf

摘要 导电沥青混凝土在实现沥青路面融雪除冰、安全监测、智能化管理等方面 具有重要作用和广阔应用前景。传统的导电沥青混凝土主要是在沥青混凝土中 间掺加碳纤维、石墨等导电相材料，而其中占混凝土大部分体积的集料并没有 起到提高导电性能的作用，相反还隔断了部分导电网络。本文提出利用本身具 有一定导电性能的钢渣掺加适量的石墨粉制备导电沥青混凝土的技术思路，从 材料的组成设计、导电性能、路用性能、电热有限元模拟与融雪除冰实验，以 及导电机理等方面开展了系统的研究。 本文进行的主要工作和取得的重要成果有： 分析讨论了不同沥青混凝土结构类型的特征，提出钢渣石墨导电沥青混凝 土矿料级配宜采用沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 级配设计方法，设计出钢渣石墨 导电沥青混凝土的合理级配，通过马歇尔混合料设计法确定了钢渣石墨导电沥 青混凝土最佳沥青用量。 借助沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 的级配结构以及设计思路合理设计材料 的组成，全部采用钢渣作为集料成功研制出电阻率小于5q i l l 并具有优良路用 性能和电阻稳定性的钢渣石墨导电混凝土，较大幅度地降低了导电混凝土制造 成本；通过寒冷气候条件下的导电混凝土融雪化冰实验证实了利用钢渣石墨导 电混凝土进行融雪化冰的可行性。 研究不同钢渣掺量下钢渣石墨导电沥青混凝土电阻率变化情况，对不同石 墨掺量下全部采用钢渣制备的石墨导电沥青混凝土与采用玄武岩制备的导电沥 青混凝土的电阻率进行对比分析。并开展了钢渣石墨导电沥青混凝土电阻随时 间的变化的稳定性、电阻随温度变化的稳定性、电阻随压力变化的稳定性以及 围绕钢渣在沥青混凝土中是否会发生锈蚀对导电性能的影响研究。 研究不同石墨掺量下钢渣石墨导电沥青混凝土的马歇尔稳定度。通过浸水 残留稳定度和冻融劈裂强度比试验对钢渣石墨导电沥青混凝土水稳定性进行了 研究，通过车辙试验对钢渣石墨导电沥青混凝土高温稳定性进行了研究。成功 制备出满足路用性能要求的钢渣石墨导电沥青混凝土。 建立了钢渣石墨导电沥青混凝土的温度场模型，利用a n s y s 有限元分析软 件分析了钢渣石墨导电沥青混凝土恒定温度下电热效应温度场分布，并与实际 测试结果进行对比分析。对导电试块的野外融雪试验效果进行研究。研究结果 表明：在石墨掺量2 5 ，电阻率在5 q m 以下时，3 6 v 电压下通电4 3 分钟雪水 能够全部融化。 通过欧姆特性试验，结合复合材料的导电机理以及s e m 扫描电镜图像对钢 渣石墨导电沥青混凝土的导电机理进行分析。试验结果表明：与复合材料的导 电机理类似，钢渣石墨导电沥青混凝土同样存在导电通道学说、隧道效应和场 致发射效应三种导电机制。钢渣石墨导电沥青混凝土较普通集料石墨导电沥青 混凝土存在更多连通的导电通道。 关键词：钢渣：石墨：导电沥青混凝土：电热效应：有限元分析：融雪除冰 a b s t r a c t c o n d u c t i v ea s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ns n o w m e l ta n d d e e i n g 、s e c u r i t ym o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t i t sh a v eb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t a st h et r a d i t i o n a l ，m o s to ft h ec o n d u c t i v ea s p h a l tc o n c r e t ei st oa d d g r a p h i t eo rc a r b o nf i b r ea n ds oo ni nt h ea s p h a l t t oi n c r e a s ei t sc o n d u c t i v i t y f o rt h e a g g r e g a t eo c c u p ym o s to f t h ea s p h a l tc o n c r e a t ei sn o th a v ec o n t r i b u t ei ni n c r e a s e i t sc o n d u c t i v i t y o p p o s i t e l y ，i ta l s ob r e a k i n gp a r to fc o n d u c t i v i t yn e t w o r k t h i st h e s i s p r o v i d e san e ww a y t om a k ec o n d u c t i v ea s p h a l tc o n c r e t e ，b e c a u s eo ft h es t e e ls l a g h a v ec o n d u c t i v e ，w ec a nu s ei ta st h ea g g r e g a t ea n da d ds o m eg r a p h i t et om a k e c o n d u c t i v ea s p h a l tc o n c r e t e h a v eas y s t e m a t i co nt h ec o m p o s i t i o no fm a t e r i a l 、7 c o n d u c t i v i t y ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，e l e c t r o t h e r m a lf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ， s n o w r n e l ta n dd e c i n gt e s ta n dc o n d u c t i v em e c h a n i s mo fs t e e ls l a ga n dg r a p h i t e c o n d u c t i v ea s p h a l tc o n c r e t e ( s g c a c ) t h em a i nw o r ka n di m p o r t a n ta c h i e v e m e n to f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： a n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ta s p h a l tc o n c r e t es t r u c t u r e ，p r o p o s e st h a t s m ai sas u i t a b l eg r a d a t i o nf o rs g c a c d e s i g nt h er e a s o n a b l eg r a d a t i o no f s g c a c o b t a i nt h eo p t i m u ma s p h a l tc o n t e n tb ym a r s h a l lm e t h o d t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ec h a n g e so fe l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yo fs s c a cu n d e r d i f f e r e n tc o n t e n to fs l a g ，t h e nac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n tc o n t e n to fs l a g b e t w e e ns s c a cw h i c hi sm a d eo fs l a ga sc o a r s ea g g r e g a t e sa n dc a cw h i c hi sm a d e o fb a s a l tr o c k f u r t h e r m o r et h ep a p e rr e s e a r c h e st h es t a b i l i t yo ft h ee l e c t r i c a l r e s i s t i v i t yo fs s c a c w h e nt h et i m e ，t e m p e r a t u r eo rs t r e s sc h a n g e sa n dt h ee f f e c to f c o n d u c t i v ea b i l i t yw h e nt h es t e e ls l a gc o r r o d e di nt h es s c a c t h er e s u l ta p p r o v e s t h a tt h es s c a cm e e tt h er e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ei ns n o wm e l t b ym e a n so ft h ed e s i g np h i l o s o p h yo fs m a w eu s et h es t e e ls l a g a st h e a g g r e g a t ea ta 1 1 m u n u f a c t u r et h es g c a c w h i t c ht h er e s i s t i v i t yi sl e s st h a nf i v eo h m s p e rm e t e ra n da l s oh a v ee x c e l l e n tp a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n df a v o r a b l ee l e c t r i c a l r e s i s t a n c es t a b i l i t y g r e a t l yr e d u c et h em a n u f a c t u r i n gc o s to fs g c a c a n dt h e o u t d o o rs n o w m e l tt e s tp r o v et h ef e a s i b i l i t yo fs n o w m e l ta n dd e c i n gb yu s i n go f s g c a c ! i i r e s e a c ho nt h em a r s h a l ls t a b i l i t yo fs g c a ci nd i f f e r e n tg r a p h i t em i x i n g a m o u n t a d o p t i n gt w ok i n d so f t e s to fr e s i d u a ls t a b i l i t ya n df r e e z et h a wc l e a v a g e s t r e n g t h ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ew a t e rs t a b i l i t yo fs g c a c s t u d yo nt h eh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fs g c a cb yt h ew a y o fr o t t i n gt e s t m a n u f a c t u r et h es g c a c m e e t st h er e q u i r e m e n t so fp a v e m e n tp e r f o r m a n c es u c c e s s f u l l y t h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo fs g c a ci sb u i l t ，a n s y si su s e dt oa n a l y z et h e e l e c t r i ce f f e c tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fs g c a cu n d e rc o n s t a n tt e m p e r a t u r e ，a n d t h ea n s y sr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h et h ea c t u a lt e s tr e s u l t s t h et h a w i n gf u n c t i o n o ft h ec o n d u c t i v eb l o c ki sr e s e a r c h e di nt h eo p e nf i l e d 1 h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t w h e nt h eg r a p h i t ec o n t e n ti s2 5 ，r e s i s t i v i t yi sl e s st h a n5 q m ，a n dv o l t a g ei s3 6 vt h e i c ew i l lb et h a w e dt o t a l l yd u r i n g4 3 r a i n 1 1 1 ec o n d u c t i v em e c h a n i s mo fs g c a ci sr e s e a r c h e db yt h es e mt e s tt o g e t h e r w i t ht h ec o n d u c t i v em e c h a n i s mo fc o m p o s i t em a t e r i a l sv i at h eo h mc h a r a c t e r i s t i ct e s t t h er e s u l t ss h o wt h a ts g c a ca l s oh a st h r e ek i n d so fc o n d u c t i v em e c h a n i s ml i k et h a t o fc o m p o s i t em a t e r i a l sw h i c ha r ec o n d u c t i n gc h a n n e l ，t u n n e l i n ge f f e c ta n df i e l d e m i s s i o ne f f e c t t h e r ea r em o r ec o n n e c t i v ec o n d u c t i v ec h a n n e li ns g c a ct h a nt h a t i no r d i n a r yp a r t i c l eg r a p h i t ec o n d u c t i v ea s p h a l tc o n c r e t e k e yw o r d s ：s t e e ls l a g ；g r a p h i t e ；c o n d u c t i v ea s p h a l tc o n c r e t e ；e l e c t r o t h e r m a l e f f e c t s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；d e i c i n go rs n o wm e l t i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：埘日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：盘丝叁! 导师签名研究生签名：塑丝丝! 导师签名 ： 星挤戈一日期兰竺壁：! ! 坐 武汉理工大学硕士论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 公路交通运输是我国交通运输中最重要的组成部分之一。其中尤其是汽车 工业的发展，大大促进了公路建设的发展。相比铁路、水运、航空、管道等运 输方式，公路运输有自身独特的特点，即机动、灵活、迅速、直达、方便、投 资少、周转速度快、便于分期修建以及技术改造比较容易等特点n ，。因此，汽 车运输一出现，就在政治、军事、文化、和旅游等方面占有重要的地位。为了 提高汽车运输的服务质量，公路的通车里程在不断增长，路基、路面的等级和 建设质量也在不断的提高。尤其是在2 0 世纪9 0 年代之后，我国的道路交通建 设进入了一个前所未有的时代。1 0 多年的时间，我国高速公路建设就走过了发 达国家一般需要4 0 年才能走过的路程。1 9 8 8 年1 0 月沪嘉高速公路建成通车， 实现了我国大陆高速公路零的突破，1 9 9 5 年底建成通车的高速公路已超过 2 0 0 0 k m ，1 9 9 8 年底建成通车的高速公路达到6 2 5 8 k m ，位居世界第八位。1 9 9 9 年1 0 月我国高速公路通车总里程突破1 万公里，2 0 0 0 年底高速公路通车总里 程达到1 6 万公里，位居世界第三位。2 0 0 1 年，我国高速公路建设取得新的突 破，全年新增通车里程3 1 5 2 公里，使全国高速公路总里程达1 9 4 3 7 公里，超过 加拿大( 1 7 万公里) 跃居世界第二位。仅次于美国的8 9 万公里。2 0 0 4 年底， 我国高速公路修建又上一个新台阶，总里程数达到了2 4 万公里。交通部最新 公布的国家高速公路网规划中明确表示，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将 斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8 5 万公 里2 1 。由此我们可以预见，在相当长的一段时间内，我国的高速公路仍将会以 较高的速度发展。这必将对加速推动我国经济社会的全面发展具有重要意义。 现阶段高速公路路面材料的铺装结构主要有两种：一种是水泥混凝土路面， 另一种是沥青混凝土路面。相比于水泥混凝土路面，沥青混凝土路面具有以下 优点： ( 1 ) 表面平整、坚实、无接缝，行车平稳、舒适、噪音小； ( 2 ) 经久耐用，晴天无尘土，雨后不泥泞，在烈日的照射下不反光； ( 3 ) 施工机械化程度高、进度快、质量好、完成后就可以立即通车； ( 4 ) 维护简单，既可以翻挖修补，又可以直接加铺封面以恢复旧沥青面层 的行驶质量。 武汉理工大学硕士论文 作为路面铺装材料，沥青混凝土越来越受到国内外的青睐。国内外许多高 等级公路的修建都是采用沥青混凝土的铺装。我国公路路面结构尤其是高等级 路面结构中，沥青路面占9 0 以上。可以说，沥青混凝土路面是现在以及未来 公路发展的趋势。 随着我国公路建设的发展以及公路等级的提高，针对我国交通状况以及气 候的特点，借鉴于国外公路设计施工经验，我国沥青路面的开发、研究及大规 模的设计、施工取得了一定的进展。沥青路面的研究越来越受到国内科研机构 和有关高等院校的重视“1 。其中，导电沥青混凝土路面的研究成为近年来材料 领域研究的热点，这种沥青混凝土本身可以导电而不需要埋设传感器件，对路 面的结构不会产生不良影响。可利用其应变、破坏温度的自我传感能力，用于 建筑结构的振动控制、交通管理、载重测量、建筑安全等；利用其电热效应对 混凝土自身加热，可广泛应用于道路融雪除冰。冬季，道路积雪或结冰对交通运 输的影响非常大。尤其在北方地区，每年因为大雪造成高速公路全线封闭或者 机场关闭。给国民经济和人民生活造成很大的影响5 6 1 。此外，道路积雪或结 冰也是交通安全的重要隐患。目前，国内外融雪除冰最常用的方式就是喷撤除 冰盐，每年冬季用于融雪除冰喷撒大量的除冰盐，氯盐的侵蚀和加除冰盐引起 的钢筋锈蚀，会大大降低了路面的使用寿命。因此研究一种导电性能良好的导 电沥青混凝土路面材料用于路面融雪除冰对智能混凝土路面研究具有重大的意 义。 本论文是在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ，项目编号2 0 0 6 a m l z l l 7 的支持下，以研制隧道入口除冰、抗滑多功能沥青混凝土路面为研究背景完成 的。在分析了国内外导电混凝土的研究现状后，围绕利用具有导电性能的钢渣 复掺导电性能良好的石墨制备导电沥青混凝土以期用于道路融雪除冰这一核心 问题，进行了相关的研究分析。成功制备出能够满足融雪除冰要求的钢渣石墨 导电沥青混凝土，不仅变废为宝，成功的将钢渣用于沥青路面，而且降低了石 墨掺量。同时降低了掺加过量石墨对沥青混凝土路用性能的影响。 1 2 钢渣在路面工程中的应用 1 2 1 概述 钢渣是炼钢工业产生的废渣。随着钢铁工业的不断发展，每年都有大量的钢 渣产生。目前钢渣主要应用于冶金领域、建筑材料生产钢渣矿渣水泥、制作钢 2 武汉理工大学硕士论文 渣砌块以及作为回填材料使用，总的来说利用率较低。大量积存的钢渣不仅对钢 铁企业的生产与发展产生巨大的压力，而且成为城市的重大污染源。同时，随着 我国经济建设的加快，道路建设也迅猛发展，所需要的道路材料也在逐年增加。 经济建设的需要导致石料的过度开采对环境造成了重要的影响。许多优质石料 开采使现阶段石料的总体品质在下降，优质石料剩余量很少。因此，开发新的集 料品种具有重要的意义 8 1 。如果将钢渣作为道路集料使用，既可以为道路建设 提供廉价的建筑材料，还减少了社会污染，可谓一举多得。从外观看，破碎后的钢 渣接近立方体，适合用作路用集料。但是钢渣在形成过程中由于各部分材料收缩 性的差别，使其性能不稳定，因此，要实现钢渣在沥青路面表面层的应用，需要深 入分析钢渣本身的性能，保证其稳定性。 1 2 2 钢渣的分类 按炼钢方法分，钢渣可分为转炉钢渣、平炉钢渣和电炉钢渣9 1 。 ( 1 ) 转炉钢渣 转炉炼钢是一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料的炼钢方法。转炉 炼钢法的主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分( 如碳、锰、 硅、磷等) 与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求 的成分和温度。炉料主要为铁水和造渣料( 如石灰、石英、萤石等) ，为调整 温度，可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。转炉按炉衬的耐火材料性质 分为碱性( 用镁砂或白云石为内衬) 和酸性( 用硅质材料为内衬) ：按气体吹 入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹：按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧 气转炉。酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，须用优质生铁，因而应用范围受 到限制。碱性转炉适于用高磷生铁炼钢，曾在西欧得到较大发展。空气吹炼的 转炉钢，因含氮量高，质量不如平炉钢，且原料有局限性，又不能多配废钢， 未能像平炉那样在世界范围内广泛采用。1 9 5 2 年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代 空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。转炉吹氧炼钢是 现代炼钢的主要方法，转炉吹氧炼钢产生的钢渣即称之为转炉钢渣阳1 。表1 1 为转炉钢渣的主要化学成分。 3 武汉理工大学硕士论文 ( 2 ) 平炉钢渣 用平炉以煤气或重油为燃料，在燃烧火焰直接加热的状态下，将生铁和废 钢等原料熔化并精炼成钢液的炼钢方法称之为平炉炼钢9 1 。相比于转炉炼钢法 比较，平炉炼钢有如下特点：可大量使用废钢，而且生铁和废钢配比灵活； 对铁水成分的要求不像转炉那样严格，可使用转炉不能用的普通生铁；能 炼的钢种比转炉多，质量较好。因此，碱性平炉炼钢法问世后就为各国广泛采 用，成为世界上主要的炼钢方法。在1 9 3 0 1 9 6 0 年的3 0 年间，世界每年钢的 总产量近8 0 是平炉钢。平炉炼钢分氧化期、精炼期和出钢期。氧化期排出的 渣称出钢渣，精炼期排出的渣称精炼渣，出钢后排出的渣称出钢渣，精炼渣与 出钢渣又合称为末期渣。马钢等的平炉钢渣的化学成分如所示表1 - 2 。 表1 - 2 马钢等平炉钢渣化学成分( ) 1 叫 ( 3 ) 电炉钢渣 电炉炼钢法主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4 0 0 0 c 。冶炼过 程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造 成还原气氛，因此脱磷、脱硫的效率很高“们。主要以废钢为原料的电炉炼钢， 主要生产特殊钢。其相比于高炉转炉法基建投资少，同时由于直接还原的发展， 4 武汉理工大学硕士论文 为电炉提供金属化球团代替大部分废钢，因此就大大地推动了电炉炼钢。世 界上现有较大型的电炉约1 4 0 0 座，目前电炉正在向大型、超高功率以及电子 计算机自动控制等方面发展，最大电炉容量为4 0 0 t 。表1 - 3 为电炉渣的化学 成分表为成钢和上钢的电炉钢渣的化学成分。 表1 - 3 电炉渣的化学成分( ) 1 0 1 1 2 3 钢渣在路面工程中的应用 钢渣之所以能够用于沥青路面工程，与其出色的物理力学性质是分不开 的，主要表现在以下几个方面n ： ( 1 ) 具有良好的内摩擦嵌挤力，破碎的钢渣呈棱角，因此具有极强的锁 结力。良好的锁结力是保证混合料具有优良的力学性能的前提。 ( 2 ) 钢渣的堆密度比较大，大于大部分天然砂石，有时可达到2 5 0 0 k g m 3 ， 比重大确保了钢渣沥青混凝土的抗碾压强度和有效耐久性。此外，钢渣的磨 光值在6 0 - - - , 6 5 之间，磨光值高，能提供好的抗滑路面，保证车辆舒适安全行 驶。 ( 3 ) 钢渣具有有水硬倾向，抗水性好。钢渣吸水率不到2 ，与其它天 然砂石相近。 ( 4 ) 钢渣具有良好的抗冻性，呈碱性、表面多孔收缩性小。与沥青的粘 附性非常好，拌制的沥青混凝土遇到冻融循环沥青不易剥落。寒冷地区的沥 青路面，频繁出现霜冻、融化循环、沥青容易剥落，最终导致路面损坏。钢 渣很适合拌制在寒冷地区沥青混凝土路面。 1 2 3 1 国外钢渣沥青路面的应用情况 国外钢渣沥青混凝土路面的研究比较早，加拿大自1 9 6 9 年以来，在密哈尔 一多伦多地区，在所拌制的沥青混疑土中一直都掺有钢渣。从使用的效果来看， 钢渣沥青路面的质量和耐久性都毫无问题。安大略省交通部在多伦多北面一条 最繁忙的4 0 1 公路上，铺筑了钢渣沥青混凝土防滑试验路段，证明钢渣比用天 然石料的抗滑性能还要好好。法国在1 9 7 2 年时，年钢产量已经达到了1 5 2 万吨， 5 武汉理工大学硕士论文 敦刻尔克钢厂成功地用钢渣作为公路沥青路面的骨料，还用作公路面层的沥青 路面防滑材料，有的全部用钢渣，有的将钢渣和石灰石的混合使用，都取得了 成功。日本钢铁协会于1 9 8 2 年专门制订了使用钢铁渣的沥青路面设计施工手 册，并于1 9 8 5 年料制订了钢渣路面基层设计施工手册。近几年，日本对钢 渣沥青路面的研究开发很重视。根据钢渣的特点，已成功将钢渣用于路基上的 隔离层和路面层。试验发现，转炉渣和沥青拌制的混合料用于寒冷区域或交通 荷载大的路面，有明显的耐磨性和耐流动性，其性能优于天然石料。西德的联 邦9 号公路，用钢渣沥青混凝铺筑，开放交通以后一直很好 1 2 1 0 比利时公路局 颁发了用钢渣拌制沥青混合料，铺筑公路的有关技术文件。总之国外在利用钢 渣拌制沥青混合料的研究方面，积累的大量的经验。充分发挥了钢渣与沥青粘 附性好，路用性能优良的优点，在防止钢渣中的游离氧化钙遇水膨胀，对沥青 路面产生破坏方面也积累的大量的经验。国外钢渣已经越来越多的使用到路面 材料铺装中。表1 - 4 给出了发达国家钢渣产率和利用情况。 1 2 3 2 国内钢渣沥青路面的应用情况 我国在钢渣在路面的应用方面起步较晚。大部分是将钢渣用作结构回填或刚 性道路的基层、面层等，大量使用钢渣沥青混合料来摊铺高等级柔性路面的有效实 践不多。在2 0 世纪6 0 年代曾经进行过利用转炉钢渣铺筑道路基层和沥青面层的 试验，但在之后的相当长一段时间里进展不大。五洋冶金废渣利用厂曾经委托同济 大学张南鹭教授用经过特殊处理的钢渣做了拌制各品种沥青混合料的试验工作， 在室内试验取得良好效果后，在1 9 9 1 年和1 9 9 2 年铺筑了钢渣沥青混凝土路面， 以观察路用效果，开放交通以来，至今路况良好。1 9 9 7 年1 2 月，宝钢在上海市富 杨路铺筑了一条长2 4 2 2 m ，路幅宽1 4 m 的试验路，成为我国首条钢渣沥青混凝土路 面。通过数年的使用，钢渣沥青混凝土路面的路用性能经受住了考验。 表卜4 发达国家钢渣产率和利用率情况1 们 6 武汉理工大学硕士论文 1 3 导电混凝土的研究现状 导电混凝土是在混凝土中加入一定的导电相材料复合而成，使混凝土具有 导电性能的一种新型复合材料。目前，各国研制的导电混凝土有许多种，所用 的原材料和用途也各不相同。根据所用胶凝材料的不同，可以分为三类： ( 1 ) 、无机类导电混凝土( 如水泥导电混凝土或者水玻璃导电混凝土) ； ( 2 ) 、有机类导电混凝土( 沥青混凝土、树脂复合导电混凝土) ； ( 3 ) 、复合类导电混凝土( 聚合物导电混凝土) 。 导电混凝土中对导电性能起决定做用的关键就是导电相材料，当导电相材 料掺量低时，导电相材料均匀地分散在基体材料中，彼此相互隔离而不搭接，对 导电贡献较小，复合材料的电阻率主要由基体材料的电阻率决定：随着掺量的增 加，导电材料间出现搭接并形成局部的导电网络，电流通过电子或空穴在局部导 电网络间并通过隧道效应跃过导电材料间的基体阻隔而传导，其电阻率较小：当 导电材料的掺量增大到渗滤阀值时，局部导电网络相互接触从而在基体内形成 相互连通的导电通道，从而使混凝土的导电性能大大提高 1 4 1 。作为导电相材料必 须具有良好的导电性、足够的机械强度和温度稳定性：同时在局部过热时具有 抗氧化的作用，并且不能与胶凝材料发生化学反应；导电相和胶凝材料的线膨 胀系数值必须相近，导电相材料的导电性能对温度的依赖性小；此外，对导电 相材料的形状和大小也有一定的要求，必须能够顺利的混掺到混凝土中间。目 前，已有的导电混凝土研究中所用的导电相材料主要有以下几种u 钉： ( 1 ) 炭黑 炭黑是一种由许多类似于石墨晶体结构的微晶体作无规则而紧密排列形成 的半结晶体，其体积电阻率在1 0 0 - - - 1 0 2 q c m 之间，纯度高，加工困难。 ( 2 ) 石墨 石墨是一种较易获取的无机材料，具有良好的导电性、导热性和化学惰性， 几乎与极大多数的酸碱盐都不起反应，不溶于有机和无机溶剂，具有良好的抗 氧化性。因此，在不少工业制品中常被用来作导电材料。浙江工业大学的叶青、 长沙铁道学院的杨元霞以及哈尔滨建筑大学的李仁福均对石墨作为导电相材料 时的情形进行了研究1 。发现石墨作为导电相材料的掺加会对混凝土的性能有 一定的影响。 ( 3 ) 钢纤维及钢屑 钢纤维具有良好的导电性能，具有较高的强度，加工简单。n b a n t h i a 和 7 武汉理工大学硕士论文 x i ep i n g 等对钢纤维水泥复合材料的导电性进行了研究。美国学者s h e r i fy e h i a 等对同时掺加钢纤维和钢屑混凝土的性能进行了研究 1 3 1 研究发现：在混凝土 中间掺加钢纤维，类似于加筋的效果，能够显著的改善混凝土的抗拉、抗弯、 抗剪性能，使混凝土的抗冲击、抗疲劳、抗裂和耐久性有较大的提高。但是研 究发现，随着时间的延长，钢纤维的表面会产生一层氧化钝化膜，导致导电混 凝土的电阻率上升。 ( 4 ) 碳纤维 碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维，其含碳量一般在9 0 以上，是 由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、 碳化处理及石墨化等工艺制成的。具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、 耐疲劳、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。武汉理工大学李卓球 等人对碳纤维混凝土导电性能进行了研究，发现碳纤维是一种良好的导电相材 料，不仅能够显著改善混凝土的导电性能，对混凝土的路用性能无不良影响， 缺点就是在混凝土中的分散性不是很理想。 1 4 钢渣石墨导电沥青混凝土研究意义 冬季，道路积雪或者结冰对交通运输的影响非常巨大，严重的时候会导致 整个交通瘫痪。随着科学技术的发展，人类融雪除冰的方式也在不断的进步， 除雪方式由最初的人工除雪发展到现在的机械除雪以及化学方法除雪( 喷洒除 冰盐) 。众所周知，机械化除雪属于被动式滞后操作，需要一定得时间才能使交 通恢复正常，而且要耗费大量的人力、物力和装备。化学方法除雪是最近常用 的一种除雪方式。仅在美国，每年冬季就要花费1 0 万吨的氯化钠用于除雪。根 据美国交通研究协会的报告，美国每年用于冬季融雪除冰的总费用达到了1 5 亿 美元6 1 。而且每年冬季公路保养费用中的三分之一是用于化学除雪剂。氯化镁 和氯化钠也经常混合作为除雪剂使用。但是采用氯化物除雪会对混凝土的使用 年限带来重大的影响，会加速混凝土老化以及内部钢筋的锈蚀，对周围的环境 也会产生一定的污染。现阶段融雪除冰的发展方向将向自动除雪和智能化除雪 方式发展。国内外对于自动除雪的方法研究主要包括以下几种：地热管法、新 型太阳能热管法、红外线灯照加热法、热液法、电热丝法、导电混凝土。导电 混凝土由于不需要在混凝土中埋设电热元件，施工方便，因此很快成为智能除 雪的热点研究方向。 普通沥青混凝土是电的不良导体，其电阻率高达1 0 1 3 q c m 。目前关于导电混 8 武汉理工大学硕士论文 凝土的研究主要是通过混凝土内导电相材料的相互接触来导电的。国内外用于 制作导电混凝土的导电组分主要有碳纤维、石墨粉、碳粉、焦碳、钢纤维及钢 屑等。近年来，美国、日本等发达国家正在开展关于新型功能混凝土及其在机 场等路面除冰应用的研究，并已取得进展。但是这些导电相材料在提高混凝土 的导电性能的同时，也存在自身的不足。例如：已有的研究发现：碳纤维是一 种良好的导电相材料，对提高混凝土导电性能具有良好的效果，但是碳纤维价 格昂贵，成本太高，在混凝土中很难分散均匀，容易结絮成团；石墨粉也是一 种良好的导电相材料，但是石墨的层状结构导致加入石墨粉对导电混凝土的性 能有影响，同时也存在难以分散均匀的问题；碳粉、焦碳局限于自身的导电性 能对混凝土导电性能的改善效果不如石墨粉明显，亦与石墨粉一样存在分散均 匀问题，对混凝土性能也有很大影响；钢纤维及钢屑加入混凝土中会提高其力 学性能和导电性能。但是，随着时间的延长，钢纤维及钢屑在混凝土中存在表 面钝化的现象，导致电阻率随着时间的延长明显增大。 纵观导电混凝土的研究历史。我们可以看出，其研究方向主要是在混凝土胶 凝材料中掺加导电相材料以达到提高混凝土导电性的目的。通过对混凝土截面 图分析以及现阶段关于导电混凝土导电机理的的研究我们可以知道：在混凝土 中起导电作用的主要是导电相材料在混凝土中所形成的导电网络。胶凝材料中 掺加导电相材料所形成的导电网络亦只是胶凝材料与导电相材料一起形成的导 电网络。实际上，胶凝材料在混凝土中只占1 3 左右的量，所形成的导电网络中 占混凝土2 3 左右的集料并没有起到正面的效果，相反还隔断了部分导电网络 1 1 4 l 。为了解决这一问题，本课题提出了一个新的思路，利用本身具有导电性能的 钢渣作为集料掺加石墨粉制备导电沥青混凝土，这样不仅能够变废为宝，而且 在保证导电性能的基础上能够减少石墨掺量，从而降低掺加石墨对沥青混凝土 路用性能的影响，对导电沥青混凝土的发展具有重要的意义。 1 5 研究内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 导电沥青混凝土的材料组成设计 对不同沥青混凝土结构类型的特征进行分析，设计钢渣石墨导电沥青混凝 土的合理级配。通过马歇尔混合料设计法确定钢渣石墨导电沥青混凝土最佳沥 青用量。 ( 2 ) 钢渣石墨导电沥青混凝土的电阻率的影响因素 9 武汉理工大学硕士论文 通过对不同钢渣掺量下钢渣石墨导电沥青混凝土电阻率的对比分析设计合 理的钢渣掺量。研究石墨掺量变化对钢渣石墨导电沥青混凝土的影响，对钢渣 石墨导电沥青混凝土的渗率阀值进行分析研究。对全部采用钢渣复掺石墨制备 的导电沥青混凝土与普通石墨导电沥青混凝土的电阻率差别进行分析，以期了 解钢渣在提高导电性能方面作用的大小。 ( 3 ) 钢渣石墨导电沥青混凝土的电阻稳定性的研究 开展钢渣石墨导电沥青混凝土电阻随时间的变化的稳定性、电阻随温度变 化的稳定性、电阻随压力变化的稳定性以及围绕钢渣在沥青混凝土中是否会发 生锈蚀对导电性能的影响研究。为钢渣石墨导电沥青混凝土融雪除冰工程实际 应用提供理论依据。 ( 4 ) 钢渣石墨导电沥青混凝土的路用性能 对不同石墨掺量下钢渣石墨导电沥青混凝土的马歇尔稳定度变化进行了研 究。通过浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比试验对钢渣石墨导电沥青混凝土水 稳定性进行了研究，通过车辙试验对钢渣石墨导电沥青混凝土高温稳定性进行 了研究。并对其路用性能变化进行了机理分析。为工程实际应用提供依据。 ( 5 ) 钢渣石墨导电沥青混凝土电热效应温度场有限元分析及融雪化冰野外 试验 建立钢渣石墨导电沥青混凝土模型，利用a n s y s 有限元分析软件分析钢渣 石墨导电沥青混凝土恒定温度下通电电热效应温度场分布，并与实际测试温度 情况进行对比分析。完成了钢渣石墨导电沥青混凝野外融雪试验效果试验。 ( 6 ) 钢渣石墨导电沥青混凝土的导电机理研究。 结合复合材料的导电机理，通过电阻的欧姆特性试验以及沥青与石墨粉复 合材料的s e m 扫描电镜图像对钢渣石墨导电沥青混凝土的导电机理进行分析。 l o 武汉理丁大学硕士论文 第二章钢渣石墨导电沥青混凝土的组成设计 用不同粒径的碎石、天然砂、矿粉和沥青按一定比例以最佳密实级配原则 设计，在拌合机中热拌所得到的混合料即称之为热拌沥青混合料6 1 。沥青混凝 土的制作则是将拌和好的沥青混合料摊铺、压实成型即可。本章对制作钢渣石 墨导电沥青混凝土过程中级配设计原则进行了研究分析，对试验所需的原材料 性能进行了测试。 2 1 原材料 本文制备钢渣石墨导电沥青混凝土所用的原材料主要有钢渣、沥青、矿粉、 纤维稳定剂以及导电相材料( 石墨) 。 2 1 1 沥青 沥青是沥青混合料中最重要的组成部分之一，为混合料提供粘弹特性，起 着集料胶结的作用。其性能的好坏直接影响沥青混凝土性能。沥青的种类非常 多，不同型号的沥青材料，具有不同的技术指标，适用于不同等级，不同类型 的路面。在选择沥青材料的时候，要考虑到交通量、气候条件、施工方法、沥 青面层类型、材料来源等各种情况，这样才能使拌制的沥青混合料具有较高的 力学强度和较好的耐久性。在沥青的使用上，通常较热的气候区，较繁重的交 通，细粒式的混合料则采用稠度较高的沥青；反之，则采用稠度较低的沥青。 在级配相同的条件下，较黏稠的沥青拌制的混合料具有较高的力学强度和稳定 性能，但稠度过高，则沥青混合料的低温变形能力较差，沥青路面容易产生裂 缝。反之，在级配相同的情况下，采用稠度较低的沥青，路面层具有较好的 变形能力，但高温稳定性不足，容易产生车辙、推挤等现象。 近年来，以s b s 为代表的改性沥青在道路工程中得到广泛的应用。 s b s 是以聚苯乙烯链段( s ) 为硬段，聚丁二烯链段( b ) 为软段的三嵌段共聚 物，于1 9 6 3 年由美国p h i l l i p s 公司首次推向市场，我国也于2 0 世纪7 0 年代 末研制成功s b s 产品并进行商品化身产。s b s 是采用苯乙烯和丁二烯单体在烷基 锂引发剂作用下，经溶液负离子共聚而得。s b s 兼有橡胶和塑料两种性能，常温 下具有橡胶的弹性，高温下能像热塑料般熔融流动，因而又称为热塑性弹性体。 武汉理工大学硕士论文 由于改性剂s b s 本身的特点决定，s b s 改性沥青具有显著的橡胶弹性，使得s b s 改性沥青及其混合料表现出优良的路用性能1 2 0 。s b s 类改性沥青规范要求如表 2 - 1 。根据我国的公路改性沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 6 - 9 8 ) 的规定将s b s 改性沥青分为四类i a 、i b 、i c 、i - d ，i a 型及i - b 型适用于寒冷地区，i - c 型适用于较热地区，i - d 型用于炎热地区及重交通路段。本文根据路面使用地区 ( 武汉) 气候条件，选用的为s b si - d 型，具体技术指标如表2 - 2 ： 表2 - 1s b s 类改性沥青规范要求 表2 - 2s b si - d 沥青技术指标 2 1 2 集料 集料是沥青混合料的重要组成部分。在混合料的整个体积中，由矿质混合 料所构成的固体结构在沥青混合料中占据了8 0 0 , 6 以上的体积，同时承担着相当大 的外界荷载，因此是影响沥青混合料性能的重要因素。在矿质混合料中，通常 认为粗集料构成了矿质混合料的骨架，而细集料主要是填充粗集料间的间隙。 在沥青混合料中通常以2 3 6 m m 作为划分粗、细集料的划分标准。一般以大于 1 2 武汉理工大学硕士论文 2 3 6 m m 的称之为粗集料，其主要是提供骨架作用。小于2 3 6 r a m 的称之为细集料， 其主要是起锁紧和减少空隙的作用2 。 如前面所述，已有的研究发现：加入导电相材料会对沥青混凝土路用性能 产生影响。在保证导电性能的基础上，为了降低掺加导电相材料对沥青混凝土 路用性能的影响，本文提出选用本身具有导电性能的钢渣作为集料制备导电沥 青混凝土，以期降低导电相材料掺量。所用集料为武汉钢铁厂钢渣。 2 1 2 1 粗集料 本文选用的粗集料为武汉钢铁厂出厂的转炉钢渣。需要特别说明的是：由 于钢渣中含有极易膨胀的游离氧化钙和自由氧化镁，因而使钢渣具有不稳定性。 因此，钢