（材料学专业论文）导电沥青混凝土的制备与研究.pdf

摘要 灏黉漏凝主广泛应用予高等缀公路和枧溺跑道。沥青混合料豹瞧醚率约 为1 0 i 矿- q x n ，属于绝缘体材料。通过掺入遗蹙的导电橱孝才粉，改善沥青混 合辩的电学性能，可攫获得多功熊的沥青漏凝土，将会对沥脊路面冬攀融雾 他沐、路萄损坏检测、公路交通智能纯管理等产生深远麴影嫡。 导电沥青混凝主的级配竣诗采瑙s u p e r p a v e 设计方法，合成曲线尽可熊远 离禁区，提供足够的矿粳间隙枣柬填充高掺鬟的导电相材料。导电耪米可 售 为部分填秘，但与矿粉的密度藏异大，需鞭算成当量矿耢质量。遴过掺入 炭黑、石墨和碳纾维霹敬善沥青混凝黥导愈性能。炭爨酌暖油梭、石墨的 润滑瞧及碳纤维的分散性分别限制其在导电沥诲滢凝土的成用。石墨单位体 积对沥青混凝土导电性能改善效果良好，与其它导电相材料复合改牲孵改善 搀鼹瀑喾，习作为导电沥青混凝的主要导电相材料，少爨碳纤维馋必辅助 导奄糯，同时获漂代罄部分矿耪羲可起增强髂爝。掺入少鬈短朔磁纤维可嘲 显改藩导电粉来填充沥青混凝土的导电性能，发挥碳纤维大的长径眈所其有 的导电褥紧作弼和替电通路短接作用，改善电子的导电枫制。 簿电溺青疆凝土中导电率与蠢墨掺囊猿赖魏可翅渗流理论解释冀导电通 鼹的形成。导电沥脊涡凝静岛电行为则可用隧道效应进行分析，交变电场 中的替电行为可等效为咆阻r 和电容c 并联，非线性卜i 特性产生于隧道效 应时粒子潮的非线瞧导电和赢魄场时诱发额外的导电遵路，二者楚糖予间隙 的蘧数，与患予跃迂麓力有关。 石墨对溺霄的吸收能力强，评价导电沥鬻混凝的谘税性能指标必须考 虑吸收沥青。玛歇尔残馨稳定度试验、冻融劈裂试验嗣车辙试验表明石器导 电沥毒潺凝土的抗水损害旋力强，离漫稳定性熬爱好，冒作为新型路嚣使爝。 通过控制沥青用鬣和石墨用蠢，增加沥青滤凝的难实度，可获得稳定的导 电性涨。压敏产生的原因是簿电沥青混凝土试件的压缩邻近效应、激裂纹酾 石料阕的翦切力使郝分导电通路锚位。孺温敏产生的原圆则为沥青的体积膨 胀、疆避和沥青的热膨胀系数差异、志部摩力翘洒毒瀵度敏感往共弼捧用懿 结果。 关键谪；溺青混凝，警电，辑瓣缝威，导龟梳制，路耀髓毙 a b s t r a c t a s p h a l tc o n c r e t eh a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e d ne x p r e s s w a ya n dr u n w a yo f a i r f i e l d 。i tb e l o n g se l e c t r i c a li n s u l a t i n gm a t e r i a lw i t ha r e s i s t i v i t v yo f1 0 7 1 0 9 。m t h ec o n d u c t i v eb e h a v i o ro f a s p h a l tm i x t u r ec a nb ei m p r o v e dw i t ht h ea d d i t i o no f c o n d u c t i v em a t e r i a l s ，t h u sam u l t i f u n c t i o n a la s p h a l tc o n c r e t ec a nb eo b t a i n e d ， w h i c hw o u l dh a v ea p r o f o u n de f f e c t o n p a v e m e n td e i c i n g ，d a m a g et e s t i n g ， h i g h w a yt r a f f i cm o n i t o r i n ga n ds oo n s u p e r p a v ed e s i g n m e t h o dw a se m p l o y e dt o d e s i g nt h e m i xp r o p o r t i o no f e l e c t r i c a l l yc o n d u c t i v ea s p h a l tc o n c r e t ef e c a c ) ，t h e c u r v eo fm i x p r o p o r t i o nk e p t a w a yf r o mt h e r e s t r i c t e dz o n ei no r d e rt o p r o v i d ee n o u g hv o i d si n m i n e r a l a g g r e g a t e ( v m a ) t of i l l t h eh i g hc o n t e n to fc o n d u c t i v em a t e r i a l s c o n d u c t i v e p o w d e r c a nr e g a r da sa p a r to ff i l l e ri na s p h a l tc o n c r e t e b u tt h e yn e e dt om a k ea c o n v e r s i o nf o re q u a lq u a l i t yo fl i m e s t o n ep o w d e rb e c a u s eo ft h ed e f e r e n c eo ft h e d e n s i t y 。t h ec o n d u c t i v eb e h a v i o ro fa s p h a l tm i x t u r ec a nb ei m p r o v e db ya d d i n g c a r b o nb l a c k ，g r a p h i t ea n dc a r b o nf i b e r t h ea b s o r b i n go i ln a t u r eo fc a r b o nb l a c k ， t h el u b r i c a t e de f f e c to f g r a p h i t ea n d t h eb a d d i s p e r s i o no f c a r b o nf i b e rl i m i tt h e i r a p p l i c a t i o n i ne c a cr e s p e c t i v e l y 。t h e i m p r o v i n g e f f e c to fg r a p h i t eo nt h e r e s i s t i v i t y o fe c a ci s e x c e l l e n t ，a n dt h ec o m p o s i t em o d i f i c a t i o nw i t ho t h e r c o n d u c t i v em a t e r i a l sa l s oi so b v i o u s g r a p h i t ew a su s e da sm a i n c o m p o n e n t ，a n da f e wc a r b o nf i b e r sw e r ea d d e da sa s s i s t a n t c o m p o n e n t ，c a r b o nb l a c kr e p l a c e d a p a r t o fl i m e s t o n ep o w d e r ，w h i c hh a sa ne n f o r c e m e n te f f e c to na s p h a l tc o n c r e t e t h e c o n d u c t i v ep e r f o r m a n c eo fc o n d u c t i v ep o w d e r f i l l i n ga s p h a l tc o n c r e t ei si m p r o v e d b ya d d i n g af e w c h o p p e d c a r b o nf i b e r s c a r b o nf i b e r sp l a yar o l eo ft h ec o n d u c t i v e b r i d g ee f f e c ta n dt h es h o r tc i r c u i te f f e c tb e c a u s eo fh i g hl o n g d i a m e t e rr a t i o ， j r e p r o v i n gt h e c o n d u c t i v em e c h a n i s mo fe l e c t r o n p e r c o l a t i o nt h e o r yc a r le x p l a i nt h ef o r m a t i o no fc o n d u c t i v ep a s s a g e su n d e r t h ed e p e n d e n c eo ft h ec o n d u c t i v i t ya n d g r a p h i t ec o n t e n t i ne c a c t h ec o n d u c t i v e b e h a v i o ro fe c a cw a sa n a l y z e db yt u n n e le f f e c t s ot h ec o n d u c t i v eb e h a v i o ri n a cf i e l dw a s e q u i v a l e n tw i t ht h ep a r a l l e lc o n n e c t i o no f ar e s i s t o ra n dac a p a c i t o r t h e n o n l i n e a r i t y o fv ic h a r a c t e r i s t i c s o r i g i n a t ef r o m ac o m b i n a t i o no ft h e i m p l i c a t i o no ft h en o n l i n e a rc o n t r i b u t i o no ft u n n e lc o n d u c t i o nb e t w e e ng r a p h i t e p a r t i c l e sa n d t h ep r o d u c t i o no fa d d i t i o n a lc o n d u c t i n gp a t h w a y su n d e rs u f f i c i e n t l y s t r o n gl o c a lf i e l d s ，w h i c h i st h ef u n c t i o no ft h eg a pb e t w e e ng r a p h i t ep a r t i c l e sa n d h a sam i n i o nw i t ht h et r a n s i t i o na b i l i t yo fe l e c t r o n s g r a p h i t ea b s o r b sa s p h a l ti nl i q u i ds t a t es t r o n g l y t h ee v a l u a t i o no fv o l u m e p e r f o r m a n c eo fe c a cm u s tt a k ea b s o r b e da s p h a l ti n t oa c c o u n t e x p e r i m e n t a l r e s u l t so fm a r s h a l lr e m n a n t s t a b i l i t yt e s t ，w a t e rs u s c e p t i b i l i t yt e n s i l es t r e n g t h r a t i o ( t s r ) t e s ta n dr u t t i n gt e s ts h o wt h a tg r a p h i t em o d i f i e de c a cp o s s e s s e s o fh i g ha n t i w a t e rd a m a g ea b i l i t ya n de x c e l l e n th i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，w h i c h i se x p e c t e dt oa p p l ya sn e w t y p ep a v e m e n t + s t a b l ec o n d u c t i v ep e r f o r m a n c ec a nb e a c h i e v e db yc o n t r o l l e dg r a p h i t ec o n t e n ta n da s p h a l tc o n t e n ta n di n c r e a s i n gt h e c o m p a c td e g r e e p i e z o r e s i s t i v i t y o fe c a cm a yi n v o l v e p r o x i m i t y e f f e c t ， m i c r o c r a c ka n dt h es t a g g e r e da r r a n g e m e n t so fc o n d u c t i v ep a s s w a y sd u et os h e a r s t r e n g t h o f a g g r e g a t e s t h et - rc h a r a c t e r i s t i c sm a yo r i g i n a t e f r o mt h et o t a l f u n c t i o no fv o l u m e e x p a n s i o n a n d t e m p e r a t u r es u s c e p t i b i l i t y o f a s p h a l t ，t h e d e f e r e n c eo fv o l u m e e x p a n s i o n c o e f f i c i e n tw i t hh e a tb e t w e e na s p h a l ta n d g r a p h i t e ， a n di n t e r n a ls t r e s s k e yw o r d s ：a s p h a l tc o n c r e t e ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i o n ，m a t e r i a lc o m p o n e n t ， c o n d u c t i v em e c h a n i s m ，p a v e m e n t p e r f o r m a n c e 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 沥青混凝土应用现状 沥毒滢凝鼹嚣曩毒无接缝、表露乎螫淫努、毒亍车帮飞提瀑嚣乎稳、鳋 适性强、对车辆、飞机振动影响小等优点，而且施工机械化程度高、进度快、 质量好、维护简单，因此，沥青混凝土路面趟来越受到重视，沥青混凝土越 来越广泛她技国露夕 鼷寒修建菇速公路、撩颟镳装帮飞机跑道。 沥青路面在国外发这国家的赢等级公路中应用较为成熟，戳美国帮日本 为例，美国沥青路面占9 4 。同本则占9 3 。我国高速公路服然起步较晚，但 发展迅猛。自第祭高速公路一京津塘高速公路建成至今，高速公路总攫程 超遥2 + 5 万公里，滕繁器第二，葵中基建或袋在建懿褰邃公路中，9 0 黻上采 用沥街混凝土路面。同时一些高速公路水泥混凝土路面已缀达到其使用年限， 面临潜改造重大使命。沥青混凝土罩面是水泥混凝土路面加铺改造的主耍方 式之一。谗多大城市部对其主要城市于道进行沥青混凝土镄装。 与承泥混凝土轿蔼镶装稳院，沥青潼凝主挢嚣铺装谯势明显丽西藏受重 视，如国内的江阴长江大桥、南京长江二桥、虎门大桥、旗门大桥、武汉长 江大桥、厦门海沧大桥等均应用沥青混凝土铺装。随着沥衡路面的发服，高 速公爨沥毒混凝褥瑟镶装也蠢爨大嚣稷瘦蟋， 冬多褰邃公蘸攥覆采掰与沥 青面滕结构相一致的铺装结构。 沥青混凝土跑道已经成为飞机机场跑道的主流。据国际民航组织公布的 数字中，1 4 7 个成爱国，共1 0 3 8 个枫场，跑邀1 7 1 8 条，其中水泥混凝主跑 道4 3 3 条占2 5 2 ，沥青混凝主跑道8 2 3 条占4 7 9 ，秀端鹣是乘漉混凝主， 中间鼹沥青混凝土的跑道有2 5 3 条占1 4 7 ，其它2 0 9 祭占1 2 2 。荷兰阿 姆斯特丹机场沥青跑道是目前世界上最有名的沥青跑道之一。在我国，机场 承淀混凝路瑟占8 7 ，沥毒漫凝懿蘧遂占鼹，其宅轰豫。萁孛“潮门第 一道”北京首都豳际机场西跑道、上海虹桥鞘际机场、厦门国际机场、桂林 国际机场等是国内使用沥青混凝土道面的典范。可以预见，沥青混凝土在我 国今麓机场跑道建设其及维修中将日益受重戳。 1 2 除雪化冰 随黄我国现代化建设的快速发展、高速公路、城市离絮桥和飞机场的大 l 亟堡堡兰盔堂堡主堂鱼堡塞 量兴建，汽车、飞机的数量和速度不断提高，改善道路的运行，提高交通安 全是世界各国都十分重视的课题。其中，冬季大量的道路积雪已成为安全行 车的重大隐患，尤其在高速公路上，积雪对交通的危害愈来愈突出。积雪能 中断交通或使汽车、飞机刹车失灵”。1 。特别我国的西北部，备受雪灾困扰外， 不得不使用大量的人力物力昼夜清扫。道路、桥梁、机场除雪已是亟待解决 的现实问题陆“。 高速公路是交通运输的命脉。我国高速公路到2 0 0 5 年底可达7 5 万公里， 其中约有五分之三的高速公路冬季积雪，公路的积雪已成为交通的“白色杀 手” i 。高速公路高速、快捷的行车方式对路面的除雪化冰的问题提出了更 高的要求。然而高速公路路面因降雪而积雪结冰时，不得不限速行驶，其行 车速度不足平时路况良好时的5 0 。湿滑路面容易因汽车刹车失灵导致交通事 故频繁发生，给道路畅通和行车安全带来严重的影响，国内外每年因路面积 雪而引发的交通事故很多，数辆乃至数十辆汽车在途中首尾相撞的事故时有 发生。严重的路面积雪将造成道路的关闭，给客货运输带来不便，如2 0 0 1 年 1 2 月7 日，首都北京普降大雪，路面如镜造成全城塞车；2 0 0 3 年1 1 月1 9 日， 吉林省出现中到大雪，多数路段路面结冰，全省高速公路暂时封闭十六个小 时。 由于众多道路汇集于桥面，其堪称公路交通的咽喉。同时桥丽完全暴露 在空气中，其比路面而更易积雪结冰。许多司机由无冰雪路面行驶到结冰的 桥面时，因对桥面路况估计不足而极易造成交通事故及交通堵塞例。桥面已经 成为国内外降雪地区除雪防滑工作的重点部位之一。 飞机运输是交通运输的快道。但机场的安全问题，特别是北方地区的降 雪问题，是机场安全部门需重点解决的难题之一1 9 1 。降雪及机场积雪严重影响 机场跑道的使用，如降低道面的摩擦系数，覆盖滑行道的标线，给飞机起降 带来一定的困难，极易引发事故，有时会因积雪过多而封闭停运，造成巨大 的经济损失。故每年都存在飞机跑道除雪化冰的问题。我国北方有近百个机 场处于降雪带，每年的降雪期长达3 4 个月之间，若不能有效除雪化冰，则 导致机场一年中有1 3 的时间不能正常运营。 1 3 除雪化冰方式 为了保障道路畅通和行车安全，提高道路和机场的运营效益，必须采取 措施清除积雪。目前，世界各国采用的除雪化冰法有清除法和融化法“，如 2 亟堡型三盔堂堡主兰焦造塞 图1 所示。 机械除雪法所采用的除雪机械主要有抛雪车、吸雪车、推雪车和喷气除 雪车等，但其除雪不彻底，机械使用效益低，一年中大部分时间被闲置，同 时其成本高，如喷气吹雪法在中型机场上工作一次的费用近六万元，而且机 械在路面、机场上工作时要中断交通或飞机起降，易造成安全隐患。机械除 雪法一般只能做到小雪后2 4 小时、中雪后4 8 小时、大雪后7 2 小时内清除主 路横断面内的全部积雪。 图卜1 世界各国采用的除雪化冰方法分类示意图 撒盐融化法是利用盐降低水的冰点，使积雪自动融化。该法具有材料来 源广泛、价格便宜、化冰雪效果好等特点，因而得到了普遍应用。但是，撒 盐法也给路面结构和环境带来了许多负面效应，不满足当前绿色环保要求， 给路面、桥梁和环境污染带来严重的问题，其主要表现为钢筋纤维锈蚀，路 面剥落破坏等。不少国家因使用除冰盐而造成了道路和桥梁的严重破坏，不 得不花费巨额资金进行修复，其经济损失巨大。根据美国交通研究协会的研 究报告，美国每年用于冬天除雪的花费是1 5 亿美元。每年冬季公路保养费的 三分之一用于化学除雪剂。从1 9 7 0 年开始，每年冬天高速公路管理部门使用 大约一千万吨盐。由于盐的使用，产生很多副作用，造成巨额损失“。”1 。 ( 1 ) 盐的腐蚀性对交通车辆和基础设施的损害 车辆：在六十年代和七十年代，美国主要使用氯化钠作为除雪剂。为了 亟堡堡王盔堂堡主堂照照塞 增强车辆对氯化钠的抗腐蚀性，汽车生产厂商每年花赞1 9 亿到3 9 亿美 元。瑟汽车馕熙黉受防止熬懿疯蘧每年旋赞l g 证裂2 0 钇美元。 桥梁：氯化钠离子可渗透到桥梁水泥内郝腐蚀萁钢筋静絮。这种精蚀所 造成的损失从1 2 5 亿美元到3 2 5 亿美元； 停车场：在美国中部和北部鸯大约5 0 0 0 多个多层停车场，由于车辆所带 翡麓对该终莩场的瘸蚀，键箨车场疆俊鬻爨修复，葵攒失在7 5 0 0 万荚元 到1 7 5 0 0 万美元之间。 由于盐的使用所造成的对车辆和基础设施的损害按最保守的估计大约为 每年2 0 亿到4 5 亿荚元，爱上其它方蟊斡损失蕊共应该在3 s 亿到? 0 亿荚元。 ( 2 ) 对环境的损害 植物：氯化钠对路边树木和熊它植物的损密为5 到1 0 ； 土壤：盐使路边鲍土壤盐分增力s ，增加壤密度，造成硬化贫瘠： 穗表承：氯纯镧对建表承的彩璃嚣陵予游边辫运熬小淄滚； 使用氯化钠除辫剂对环境的损害较难用数字表达出来，但这种损窖是显 而易见的。 ( 3 ) 慰饮求静影躯 氯化钠除雪剂辩饮水躬彩晌局限于路边辩避的水并和水库。在过去的三 十多年中，在东北部大量使用氯化钠除雪剂的地区都报道肖关饮水中赫分增 加，搿盐度的饮水对人体健康有密，尤其是学致高血压病。 麴热愁证法楚涮蠲熬添魏奄热运红乡 辐瓣、天然气、蒸汽、电热、缝热 等进行融雪，其成本较高，使用范围受到限制。 地热管法j 1 3 , 1 4 l ：襁路面结构中安装管道，利用水蒸汽或热水进行加热，使 浓霉融纯。蟪热度霹由温泉域钉深层势获褥，毽在搜髑潜要船入防獠潮， 避免水在循环过程中结冰。溉热热管法在荧嗣、加拿大、日本、戮掇廷等 国应用较多，主要用于人行横道、路面、桥面。为此美阑采暖制冷与空调 工程师学会( a s h r a e ) 还制定了相应的应膊指南( a s h r a eg u i d ea n dd a t a b o o k ) 。 新型热管法i 5 l ：新型热管法的能源来自太阳能，但其方法与地热法栩似。 由于沥青路面疑攀时其内部濑度可能达到6 0 c 以上。管遒内的水被加热并 馕存起来，震予冬季斡融雪化溶。 红矫线灯照加热法：利孀敷外光对冰雪豢接照射加热，馕其融纯 热液法1 ”】：在冰霉上喷洒热溶液，如地热水，使其融化。 电热丝法l ：在路丽结构中蠼入电热丝或漱热网，利用电热效应进行加热， 矗 武汉理：r 大学硕士学位论文 使冰雪融化；该法已经进入商业化初期。豳本曾经在沥鬻路面中进行电热 丝法豫雪纯溶浚验路弱镇筑，取褥了一些蠢徐篷的磷突戏票。 导电水泥混凝i 8 1 ”_ ”l ：导电混凝土酴雪机理是通过在混凝土中添加适当 种类和适当含量的导电组分材料，使混凝土变成具有良好导电性能的导电体。 当与外部电源连通簌，导电混凝产生热量( 将电能转换成热娆) ，使路露滠度 蠹离。警路蟊温度上升鬟o 隧上瑶，路蟊主静溶雪藐会鑫劫融证或承蒸发、 流走，使路面无积辫、不结冰，从而保障道路畅通和行车安全。 图i - 2 弛热管法结构图 一1 i ：二 一 墨一，。，1；j_ 一一 瑟 一 。j jl 妻簇嘉纛 摹曩 “霉 霪 鍪 | | _ i j ? 鹫 蔫 鬻 # i 蒸麟淤ji 攀。、鬻凄 j i 譬 ， 黻蘩嚣 。 x “ j 图1 - a 新型热管法鳍物图 5 武汉理_ t 大学硕士学位论文 加拿大的x i ep i n g 、美国的s h e r i f ”1 、我国李卓球教授”等相继开展了 导电水泥混凝土在桥梁、路面的融雪化冰研究及应用。其中加拿大n e b r a s k a d e p a r t m e n to fr o a d s 在导电混凝土桥面除雪化冰应用技术的研究方面走在前 列，其率先在t h er o c as p u r b r i d g e 试铺了1 1 7 英尺长，2 7 5 英尺宽的试验段。 1t o pa s p h a l tl a y e r2a s p h a l t3 g r o u n d i n gn e t4 b i t u m e nf e l to rc o r r e s p o n d i n g 5h e a t i n gm a t6 b i t u m e nf e l to rc o r r e s p o n d i n g7l e a na s p h a l 图1 - 4 电热丝法沥青混凝土结构 导电沥青混凝土1 1 9 - 2 2 i 导电沥青混凝土除雪机理与导电水泥混凝土相似，但与水泥混凝土相比， 沥青混凝土是高绝缘材料，改善其导电性能颇为不易。1 9 6 8 年，石墨改性沥 青首次由美国联邦航空局与超级石墨公司共同研制，其目的是通过掺入导电 相一石墨，提高沥青混合料的导电性能，用于机场道面的除雪化冰，但没有 达到预期的效果。1 9 9 0 年，超级石墨公司又重新资助该项目的研究，新泽西 等几个州打算在高速公路和机场上应用该技术”。此外，通过掺入碳纤维来 改善沥青混凝土的路用性能和导电性能也在研究中。 1 4 导电沥青混凝土的研究意义 随着人类社会的不断进步，除雪方式也在不断的向前发展，如图6 所示。 但目前人类只达到了机械化除雪这一层次，距离自动化除雪还很远。开发研 究适应社会发展的，满足路面、桥面、机场除雪要求的高效除雪化冰技术已 6 武汉理工大学硕士学位论文 成当务之急。为此美国联邦航空局专门成立研究室f a a 4 0 1 用于研究机场道面 的融雪化冰问题。他们一方面研究环保的除冰剂，另一方面研究新型的道面 材料，其中导电混凝土机场道面就是研究的重点。当前导电混凝土主要集中 于水泥混凝土，对于沥青混凝土则涉猎不多。 、竺夕乡! 竺夕竺夕 图卜6 除雪方式发展趋势 沥青混凝土在高速公路、桥面铺装、机场跑道建设其及维修中将日益受 重视，而除雪化冰的问题是道路、机场安全部门需重点解决的难题之一。导 电沥青混凝土的应用，既能发挥沥青道面的优点，又能安全、简单、快捷地 解决除雪化冰问题，可谓一举两得。在寒冷季节，可利用导电沥青混凝土良 好的导电性能进行沥青道面的除雪化冰，其工作机理为：当与外部电源接通 后，由于电能转化为热能，导电沥青混凝土产生足够的热量，使沥青道面温 度升高。当沥青道面温度达到o c 以上，路面上的冰雪就会融化成水，使沥青 道面无积雪，不结冰。与使用除冰盐相比，导电沥青混凝土融雪化冰所用的 能源是电能，操作方法简便，与环境友好，满足绿色环保要求，消除了由于 使用除冰盐所带来的消极因素。此外，采用导电沥青混凝土将使除冰工作效 率大大提高，对保证车辆行驶、飞机起降的安全性起到重要的作用。 导电沥青混凝土的应用将会很好地解决沥青道面的低温抗裂，利用导电 沥青混凝土的电热效应，在寒冷季节对沥青路面进行加热，使其温度能达到 适宜值，保证沥青混凝土处于最佳的使用温度范围内。利用导电沥青混凝土 可以从沥青路面低温开裂的最根本原因着手，避免其在低温状态下使用，使 其低温开裂问题得以较好的解决，同时也综合进行道面的融雪化冰。我国北 方地区冬冷夏热，对沥青道面的高温稳定性和低温抗裂性的要求更为苛刻。 由于导电沥青混凝土可解决其低温抗裂性而不影响其高温稳定性，故在沥青 混合料设计时集中精力于其高温稳定性，使二者趋于统一。借助导电沥青混 凝土的电热效应使沥青软化，有利于沥青道面中裂缝的闭合、消除。由此可 以制约和消除沥青道面的低温裂缝，这对于提高道面的使用性能、延长其使 用寿命具有广阔的应用前景。 采用导电沥青混凝土，可望改善沥青道面现有养护措施的不足，建立自 塾堡堡兰奎堂堡主堂焦鲨塞 我监控的沥青道面，达到以预防为主的目的。利用导电沥青混凝土电阻率与 应力、应变、温度的关系，有望实沥青道面内部结构缺陷的自我诊断，这对 于提高沥青道面，特别是机场沥青混凝土道面耐久性，建立机场跑道智能诊 断系统将具有重要意义。 美国n e b r a s k ad e p a r t m e n to fr o a d s 导电混凝土桥面除雪化冰项目对各 种除雪方式的成本进行分析，其结果表明：在不同的加热融雪法中，导电混 凝土的成本最低，为$ 4 8 m 2 ，其次为电热丝法。综合除冰盐桥面混凝土的侵蚀 破坏、钢筋锈蚀及对水、植被等的环境污染，y e b i as 和c y t u a n 等认 为导电混凝土有潜力成为最经济有效的桥面除雪化冰方式，其除雪化冰试验 结果表明：采用4 8 伏的电压，5 9 1w m 2 的输出功率就可以确保路面无积雪和 结冰，每场降雪的能量消耗约为$ o 7t o $ 1 o m “2 “。同本n s u g a w a r a 等研 究人员在距表面l o c m 的沥青混凝土面层中埋设电热丝进行除雪研究，铺筑了 两条试验路，共9 5 4 m 2 。1 9 9 2 年和1 9 9 3 年连续两个冬季，该试验段单位面积 总的电能消耗分别为1 6 7 8 和1 7 5 2 k w h m 2 。 导电混凝土除雪化冰与除冰盐相比有其明显优势，美国、日本试验段的 运行结果表明导电混凝土除雪化冰切实可行，其单位面积总的电能消耗适中， 有望应用于对除雪要求苛刻的且能带来可观经济效益的机场跑道、桥面和高 速公路的弯坡、上坡等特殊路段。 1 5 研究内容及拟解决的关键问题 拟利用导电材料复合技术及沥青混合料设计方法，通过深入研究导电沥 青混凝土电性能与材料组成的关系，探讨导电沥青混凝士的导电机理，提出 导电沥青混凝土材料组成设计方法；研究导电沥青混凝土的电学性能与路用 性能的关系，为导电沥青混凝土用于路面和机场道面等的冬季融雪化冰、材 料破坏的自我诊断、交通智能管理奠定理论和应用基础。 ( 1 ) 导电沥青混凝土材料组成设计 导电沥青混凝土材料组成设计的主要任务是确定粗集料、细集料、矿粉、 导电相材料及沥青材料相互配合的最佳组成比例，使之既能满足沥青混合料 的技术要求又具有良好的电学性能。首先是导电沥青混凝土的矿料最佳级配 范围，用于确定各组成矿料的配合比。目前我国规范规定的级配如a c 、a k 、 s m a 难以满足导电沥青混凝土的制备要求，需对混合料的级配进行改进，提 出导电沥青混凝土的级配范围。其次是合理的沥青用量，确保沥青混凝土的 型蒌磊套堂錾圭堂燕逢塞 体积性能指标如空隙率、矿料间隙率、沥青饱和魔等符合披术指标。辩糟怒 导毫慰瓣黪掺量，霹袋懿导惠灏海滋凝豹魄学瞧缝要袭，确定襞谴瓣罨彀 饕辩掺量。第二豢姆分辨缀毒| 褥菠魏戆，矿麓级黧竣嚣懋薅，撵蹬导魄沥毒 混凝的材料组成设讨”和制备方法。 ( 2 ) 导电沥青漏凝姆电相杏孽辩缓成设计 篱兰警穰采瓣鞠静羰素导亳耱孝孝瓣( 己绫凌爨、导壤妒黑、石墨秘碳纾 维) 谯霉亍静电糖耱辩缀敷设诗，繇究攀褶蔓台，二稠复台爱多鞠复台瓣濒鬻 混凝士导电性能的影响，通过优化导电相材料缀成设计，制备出具有良好导 逛毪熊秘姆瘸夔畿靛罨魄溺毒混凝。 ( 3 ) 霉魄溺毒瀵凝蛰急掇瓿割耢炎 帮四窜将研究浮电沥青混凝土的导电枫枫制，如导电潺路形成和澎成罨 电通路的嚣电行为鼹个方丽。研究导电率与撵魄糕树料掺爨的袋系，采用渗 浚理论瓣释导逮邋耱形成，蒡麓葜形骥导亳逶籍懿警电嚣为，翔频率袄赣经、 茯安褥往慧麓戳验谖。 ( 4 ) 导电沥青混凝土的路用性目研巍 繁蠹蘩疆究导奄溺蚤混凝裁藕潋稳定魅、低瀵抗袋拣、辩久瞧、农稳 定整簿缝黢，必鏊薅予沥旁路嚣彝搬臻遥囊糖麓懿提供琴蟹经分掇。 ( 5 ) 导电沥青混凝甑学性能研究 熬六卷研究潺艘、艨力、成变、邋电方戏对静电沥青混凝电阻攀、滠 敏黪魏、蕊隧特毪、铰受特整餐瓣彩嗡。 簌灏费混合辩审赧入导电穗惹，将会辩潺黉濑会辩豹魏瘸羧藐产垒影穗， 常规的灏谢混合料设计方法显然不能满足导电沥鬻混凝土的材料组成设计要 求。鼯彀灏毒混凝警嚷撬理复杂，影响参数多。嚣建，本谂文熬怨凌的荧 毽弱遴氮撼： 罨电沥青混凝士组成设计方法及鼯电糟的材料憔能 嚣呶溺篱混凝土导嗽机理 警奄游青混凝主魂学瞧髭 9 武汉理工夫学硕士学位论文 第2 章导电沥青混凝土材料组成设计与制各 沥青混合料主鞭是指未经摊铺、压实的幽集料、沥青、矿粉已经拌_ 葶f 】均 匀的松散混合料，蕊经摊铺、压嶷成型后则拣为沥青混凝。沥青混合誊毒一 觳是凑适当豹魄镄熬褪集辩、坌毽集籽及填瓣缀或的籍合蕊定级酝静矿籽与沥 青拌釉制成的复合牵才料。与普通沥青混凝土相比，导电沥街混凝士添加了导 电相材料，如石墨、炭黑、碳纤维等，改善了沥青混凝土的电学性能，可使 葵崮绝缘诲变为半馨薅或导体惑鼓有特臻鼹途懿功麓。 2 1 原材料 2 。l 。l 滚青 沥青在沥青混合料中一般只占有很小的一部分，但是宦为混合料提供粘 性和弹性，起着长久胶结的作用。沥青属于猫弹性材料，具有粘弹性的特点， 其性轭主要受湿度、凌载秘承载率夔影晚。搿时甄毒路嚣覆凑湿、氧气、零 表2 一l 科氏藏交a h 一7 0 沥鬻性能检测绻果 项目技术要求实测值 针入度( 2 5 c ，t o o g ，5 s ，o 1 m m ) 鳓8 06 5 延度( 5 c m m i n ，1 5 ，c m )1 0 0 1 6 7 3 软优点， 4 4 5 45 1 5 闪点( c o c ) ，2 3 03 2 5 含蜡餐( ) 21 1 溶鳃度( 三戴乙攥) ( )9 9 。09 9 3 动力粘度( 6 0 c ) ，p a s2 2 0 3 0 i 9 4 薄膜质黛变化( ) 0 8o 7 5 烘糍铮入浚院( )5 s 7 6 8 试骏延艘( 2 5 ) ，c r i l5 01 5 6 4 及紫外线作用下，会出现脆变、牯性降低、逐渐硬化等老化现象。沥青的电阻 武汉理工大学硕士学能论文 率约1 0 ”1 0 4 c m ，要改善其电学性能，需加入高掺量的导电相材料。 本文嚣爆溺毒为熏交a h 一? 0 沥青，由瀑l 鄂娜秘氏公溺生产，荚主要技 术指桥性能如表2 一l 。 2 1 2 集料 鬃辩是岩石经过人工破碎成为粒径太小不一的碎石搴于料，其占有沥青混 合料的9 0 以上，对沥青混合料的路用性能起决定作用。按照粒径大小可分为 粗集料和细集料。敉径大于2 3 6 r a m 的集料为糨集料，其主鼗是提供骨架佟用； 小予2 3 6 r a m 豹集粒必缨集籽，熬主要是镂累积减乡空熬戆 挈瑶。集瑟 挈为路 面材料应清洁、干燥、无风化、死杂质，同时具有一定的强度和耐磨性。 本文所用石料为湖北省京山三阳生产的玄武岩石料，石料由粗到细分成4 档规掺，如表2 - 2 。凝集料和纲祭精的技术指誊羲、性能分别船表2 3 和表2 - 4 。 表2 - 2 石料筛分试验结果 臃孔( m m ) 1 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 30 1 5 o 。0 7 5 ll i 瓣 l 8 0 95 9o 3 2o 。2 3ooo00 f2 8 石料1 0 0i 0 0 1 0 02 5 ，7o 9o + 3o iooo l3 ”石料1 0 01 0 0 1 0 09 1 15 92 31 9i 51 31 1 i4 ”材辩 l o ol o o1 0 0l o o9 68 0 36 3 73 71 6 76 4 表2 - 3 粗集料性能检测结果 洛杉矶针片状 泌 匿瓣俊视密度壤农率糙驸 软菇禽 整耗含量 ( ) ( g l c m 3 ) ( )性量( ) ( )( ) 技术要求2 8 3 02 524 1 55 l虫测值1 1 2 1 2 72 9 8 1o ，2 8 41 0 3o 。5 2 。1 3 矿粉 教沥青混合料中，矿粉与沥青形成胶浆，对沥青混台料路用性能宵很大 的影响。矿粉一般由碱性石料如石灰岩磨细的粉料。矿粉对沥青混合料超到 武汉理工大学硕士学位论文 加劲作用，降低沥鬻的流动性，增加其粘度，其对混合料的稳定性和抗车辙 能力蠢缀丈翁关系。矿餐魏鬟：袭嚣稷最大，箕对沥毒麴吸竣缀丈，蠲羹 过多 会使溉合料变硬。阑此限制了矿粉的用量，粉胶比一般为0 8 一1 2 。本文所用 的石灰岩磨细的矿粉的性能如袭2 5 ： 表2 - 4 细集料性能检测结果 性能 顼蠢 技术要求实测僮 视密度( g c m 3 ) 2 52 ，9 6 0 坚固性( o ，3 r a m ) ( ) 1 2o 3 5 骖当瀵( )酾 9 4 。7 表2 - 5 矿耪毪戆梭溅维采 了迫枣 实瓣使技术要求 视密度( g c m 3 ) 2 8 l2 5 禽瘩量( )0 、2 l 。o 0 6 m m ，1 0 01 0 0 粒度范围 o 1 5 r a m ，9 7 5 9 0 1 0 0 o 。5 m m ，箔8 3 ，57 5 1 0 0 外观无团粒结块无团粒结块 亲水系数 0 9 1 0 纯攀残努c a o ( )5 t 。5 化学成分s i 0 2 ( ) 1 7 6 2 。l 。毒导电耀材料 导电相材料按彤状可分为纤维状或颗粒状。若按物理性质可分为金属炎， 如铜、银、铝、镍簿，非金属类，如碳基材料( 炭黑、石艘、碳纤维) 簿。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 考虑到金属的易氧化性和与沥青的相容性，在设计导电沥青混凝土的材料组 成时选取碳基材料( 炭黑、石墨、碳纤维) 为其导电相材料。 ( 1 ) 炭黑 2 4 - 2 6 1 炭黑是一种黑色粉末状的无定形碳，是由平均直径为2 - 3 n m 的球状或链 状粒子聚积而成的，内部是含有直径3 - 5 0 0 n m 的微结晶结构，可以和各种游 离基反应。炭黑的比重为1 8 1 9 ，颗粒状炭黑的堆比重为0 3 5 04 粉末状炭 黑的堆比重为o 0 4 0 0 8 。烃在8 0 0 c 以上的高温下，用数毫秒的时间进行碳 化，就得到了炭黑。适宜用于导电填充剂的只是其中一部分，其须具备一些 基本特性，如比表面积大、捕捉电子的杂质少、结晶度比较好等。 炭黑的结构性是以炭黑粒子问聚成链状或葡萄状的程度来表示的。由凝 聚体的尺寸、形态和每一凝聚体中的粒子数量构成的凝聚体组成的炭黑称为 高结构炭黑。目前常用吸油值表示结构性，吸油值越大，炭黑结构性越高， 容易形成空间网络通道，而且不易破坏。高结构炭黑颗粒细，网状链堆积紧 密，比表面积大，单位质量颗粒多，有利于在聚合物中形成链式导电结构， 其中在众多炭黑品种中以乙炔炭黑为最佳。 粒径分布宽的炭黑粒子比分布窄的炭黑粒子更具有良好的导电性。粒径 分稚宽的炭黑，少数大直径粒子需要数目巨大，直径更小的粒子给予补偿， 相同平均粒径分布宽的炭黑比分布窄的炭黑有更多的粒子总数。同时炭黑表 面若含有大量氧官能团或活性基团会影响自由电子的迁移，影响导电性能。 表2 - 6 乙炔炭黑性能指标 指标名称指标 外观黑色粉末 加热减鼙( ) 0 2 灰份( ) o 1 p h 值 7 8 粗粒分( ) o 0 1 视比窖( m l g ) 1 5 8 吸油量( d b p ) ( m l g ) 2 1 2 盐酸吸液繁( m l g ) 6 0 电阻率( q m ) 2 o 粒径( n m )4 2 比表面积( m 2 g ) 7 6 亟堡堡王奎堂堡圭鲎焦造苎 表2 。7 导电炭黑性能指标 搀蠡名稼撂稼 c t a b 吸附表面彩( m 2 g ) i 1 4 吸油值( c b l 3 l o o g ) 1 2 5 p 拜建s 8 翻热减量( )l5 压缩样d b p 吸收值( c m 3 l o o g ) 1 1 0 粒径( r i m )2 5 6 表瑟积( m v g ) 1 0 挥发分( )i 5 3 2 5 目筛除物( )o 1 t 0 0 目筛除物( * )o o l 3 5 嚣露豫貔( )0 。0 0 1 本文所用的炭黑由上海卡博特炭黑公司生产的乙炔炭黑和导电炭黑，其 主要镶缝擐蠡如表2 6 程表2 7 。 ( 2 ) 石墨溉捌 丽墨矿石分为鼎质( 鳞片状) 石墨矿石和隐晶质( 士状) 石墨矿石两大搂， 晶质掰墨矿又可分为鳞片状和数密状两种。鳞片状石墨矿凝结晶较好，晶体 藏经大予i 潮，一般楚0 蕊1 5 m m ，丈兹霉达s l o r e ，多羹集会薅。戆磊震 石墨矿石一般呈微晶集合体，晶体粒径小于lm ，只有猩电子显微镜下才能 观察到其晶形。矿石呈灰墨色、钢灰色，般光泽暗淡，舆有致密状、