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导电沥青混凝土 硅酸盐材料工程教育部重点实验室2009年9月24日 传导性沥青混凝土 导电沥青混凝土是在沥青混合料中掺入适当类型和适宜掺量的导电相材料 使沥青混凝土由绝缘材料转变为具有一定导电能力的复合材料 石墨 炭黑 碳纤维 钢纤维 冶金渣 粉末导电相 纤维导电相 集料导电相 前言 提纲 研究背景导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的导电机理导电沥青混凝土的机敏特性 广泛的应用前景 导电混凝土 屏蔽无线电干扰 防御电磁波 金属阴极保护系统 接地装置 道路融雪化冰 建筑物加热 智能控制和监测 无损检测 一 研究背景 功能性 融雪化冰 清除法 机械设备铲雪 人工清除 机械清除 吹雪机除雪 融化法 化学融化 热融化 氯化物融雪剂 环保型融雪剂 红外线加热 导电混凝土法 电热丝法 流体加热法 一 研究背景 一 研究背景 目前 世界各国主要通过撒盐 NaCl CaCl2 来实现融冰化雪 然而 撒盐法给混凝土桥梁结构和环境带来了许多负面效应 世界上不少国家因使用除冰盐 已造成道路 桥梁的严重破坏 目前正在花费巨额费用进行修复 其经济损失十分巨大 一 研究背景 2003年 美国内布拉斯加州道路管理局在RocaSpurBridge上铺筑完成了世界上第一条用于融冰化雪的导电水泥混凝土桥面 在经过5年的使用和跟踪调查之后 ChristopherY Tuan等对各种融冰化雪方式的成本进行了对比分析 一 研究背景 结果表明 导电水泥混凝土初始建造成本为 635 m2 使用时的能源消耗为350W m2 每场降雪的运行成本为 0 76 m2 设计使用寿命为35年 导电混凝土在未来有潜力成为最经济有效的道路融冰化雪方式 一 研究背景 一 研究背景 1989年 美国的D D L Chung发现将一定形状 尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中 电阻率变化与加载成一定的近似比例关系 可以使混凝土材料具有自感知内部应力 应变 并且电阻率变化的部分不可逆表明电阻率变化能够反映材料结构的损伤程度的功能 一 研究背景 导电水泥混凝土 导电沥青混凝土 一 研究背景 在世界各国已建公路中 水泥混凝土路面所占比例逐渐缩小 沥青路面已占80 以上 我国高速公路总里程已超过5 3万公里 其中90 以上为沥青路面 沥青路面对于行车具有油耗低 噪音小 抗滑性好 车辆磨损小等优点 目前已在机场跑道 桥面铺装 高速公路 城市道面等主要道路中得到广泛应用 一 研究背景 融雪化冰 道路监测 利用导电沥青混凝土的机敏特性来实现对外部应力及其产生的应变 甚至内部结构损伤的自诊断 导电沥青混凝土良好的导电性能使其在接通外部电源后 电能转化为热能 产生足够的热量使沥青路面升温 实现融雪化冰 一 研究背景 1968年 Mink首次报道了美国联邦航空局与超级石墨公司共同研制的石墨 25wt 改性沥青混凝土及其试验路情况 六个实验段在两个冬季表现出了令人满意的融冰化雪效果 但电学性能的不稳定性 电阻率显著增加 制约了后期应用 1998年Zaleski公布了两种不同石墨共同改性的导电沥青混凝土专利 其石墨掺量为10wt 25wt 一 研究背景 一 研究背景 新世纪优秀人才支持计划 结构自诊断沥青基复合材料 一 研究背景 国家自然科学基金项目 融雪化冰用多相复合导电沥青混凝土的制备及服役行为研究 西部交通科技项目 融雪化冰用导电沥青混凝土桥面铺装技术研究 研究背景导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的导电机理导电沥青混凝土的机敏特性 提纲 二 导电沥青混凝土的制备 根据级配理论与组成原理设计集料组成 根据拟合公式修正体积性能 确定最佳沥青用量 根据配伍性与协同效应 针对导电相的形状特征和导电率 调整掺入方式和掺配比例 旋转压实成型试件 测定空隙率 矿料间隙率和沥青饱和度 马歇尔击实和车辙成型试件 测定常规路用性能 二 导电沥青混凝土的制备 石墨是碳质元素结晶矿物 它的结晶格架为六边形层状结构 每一网层间的距离为3 40埃 同一网层中碳原子的间距为1 42埃 属六方晶系 具完整的层状解理 石墨质软 黑灰色 硬度为1 2 沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3 5 比重为1 9 2 3 比表面积范围集中在1 20m2 g 石墨对沥青混凝土导电性能改善效果良好 可作为导电沥青混凝土的主要导电相材料 二 导电沥青混凝土的制备 导电 导热性 石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍 导热性超过钢 铁 铅等金属材料 导热系数随温度升高而降低 石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键 每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷 根据结晶形态不同 将天然石墨分为三类 1 致密结晶状石墨2 鳞片石墨3 隐晶质石墨 二 导电沥青混凝土的制备 纤维类导电材料在混凝土中的渗流阈值较低 少量纤维可明显改善导电粉末填充沥青混凝土的导电性能 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维 其含碳量在90 以上 是由人造化学纤维经热稳定氧化处理 碳化处理及石墨化处理等工艺制成的 具有耐高温 耐磨 导电 导热及耐腐蚀等特性 二 导电沥青混凝土的制备 钢渣作为集料能显著提高沥青混凝土的路用性能 并且可以改善导电沥青混凝土的导电性能 二 导电沥青混凝土的制备 导电复合材料研究结果表明其电学性能与导电相材料掺量有很大的依赖性如渗流阈值 即随着导电粒子含量的增加 开始时电导率增加极少 但当加入的导电粒子达到某一含量后 电导率就有一跳跃 剧增十个数量级以上 因此为了分析导电相材料掺量与电阻率的关系和确定最佳的导电材料掺量范围 对不同的导电相材料均设计不同的掺量 二 导电沥青混凝土的制备 在讨论复合材料的电学性能时均将导电相掺量用体积百分比形式表示 为了便于对比分析 将导电相材料体积占沥青体积百分比作为导电相材料体积百分比进行电学分析 mc ma为导电相材料和沥青的质量 c a为导电相材料和沥青的密度 二 导电沥青混凝土的制备 在导电沥青混凝土材料组成设计中 导电粉末粒径小于0 075mm 可作为一部分填料 但导电粉末的密度比矿粉的密度小 若两者按等质量掺入沥青混合料中 导电粉末的体积将大于矿粉 为保证填料的体积分数一致而不影响其体积性能 需将导电粉末折算成当量矿粉质量 mb为当量矿粉的质量 mc为导电粉末质量 l c分别为矿粉和导电粉末的密度 二 导电沥青混凝土的制备 根据导电复合理论 只有掺入大量的导电相材料才能获得良好的导电性能 所以沥青混合料级配应具有良好的颗粒组成和足够的矿料间隙填充导电相材料 Superpave级配设计方法采用0 45次方最大级配线图 同时特定了级配的控制点和禁区 为集料留有一定的空隙 充分发挥集料的嵌挤骨架作用 二 导电沥青混凝土的制备 二 导电沥青混凝土的制备 Superpave12 5沥青混合料的技术要求 沥青在导电沥青混凝土中充当粘结料和绝缘材料两个角色 沥青混合料需要有足够的沥青裹覆才能提供良好的粘结强度 同时导电相材料由于导电粒子间沥青膜的阻隔难以形成导电通路而不能改善混凝土的导电性能 合理的沥青用量需要确保沥青混凝土的体积性能指标复合技术要求 又能获得良好的电学性能 二 导电沥青混凝土的制备 AH 70道路石油沥青性能指标 二 导电沥青混凝土的制备 导电相材料具有一定的吸油性 有一部分沥青被吸收到石墨的微孔中 并不参与填充矿料间隙率 石墨用量与最佳沥青用量具有良好的线性关系 应用拟合公式修正体积性能后可采用Superpave指标进行评价 Y为最佳沥青用量X为石墨用量 二 导电沥青混凝土的制备 美国Troxler公司4140 B旋转压实仪单板机操作板控制 液压加载 压实压力 200 1000kpa可调 旋转角度 0 50 20 0 020可调 旋转速度 30 0 5转 分钟 固定 旋转次数 1 999次 可调 模筒直径 100mm 150mm可选 LD 168全自动沥青混合料拌合机拌和容量 20升 导热油加热 控温范围 常温 300 拌浆转速 公转47圈 分自转76圈 分控温精度 3 控时范围 0 100分钟 二 导电沥青混凝土的制备 沥青加热至160 集料加热至170 拌锅升温至180 添加纤维 拌合90s 添加沥青 拌合90s 添加石墨和矿粉 拌合90s 控制混合料温度140 装模旋转成型 标定旋转压实仪 脱模 编号 试模加热至105 研究背景导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的导电机理导电沥青混凝土的机敏特性 提纲 三 导电沥青混凝土的性能 导电沥青混凝土的导电性能 导电沥青混凝土的路用性能 三 导电沥青混凝土的性能 导电沥青混凝土的电学性能 电阻率表征了导体的导电性能 是材料的特征参数 其倒数是电导率 导电性好的材料 电荷的载体主要存在于材料的内部 电流也是通过材料的内部而流动 而对导电性能差的材料 其表面电荷载体移动所形成的电流已不能忽略 为了区别材料内部和表面的电流 分别将其称为体积电流和表面电流 相应部位的导电能力分别以体积电阻率和表面电阻率表征 这里所指的电阻率均为体积电阻率 为试件的电阻率 R为试件的电阻 S为试件横截面积 H为试件的高度 三 导电沥青混凝土的性能 高阻计 静电计6517A产地 美国厂商 美国吉时利KEITHLEY最高的电流测量灵敏度1 10 17A 最高的电阻 率 直接测量能力5 10 17 测量范围 电流 10 17 10 2A 电压 10 6 102 104V 温度 190 1350 电阻 10 1 1017 电荷 10 15 10 6C 湿度 0 3 100 电阻率测定实验 三 导电沥青混凝土的性能 1 石墨对沥青混凝土导电性能的改善优于炭黑 2 石墨的临界体积分数为11 0 由绝缘体转变为导电体 三 导电沥青混凝土的性能 1 碳纤维单位体积改善效果最好 临界体积掺量为5 2 掺加少量碳纤维可明显改善导电粉末填充沥青混凝土的导电性能 三 导电沥青混凝土的性能 三 导电沥青混凝土的性能 2 碳纤维的体积临界掺量最低 少量纤维可明显改善导电性能 通过降低石墨掺量 添加碳纤维 可以同时改善沥青混凝土的导电性能和路用性能 3 炭黑 石墨和碳纤维在沥青混凝土中的掺量受到自身物理化学性能的制约 炭黑的吸油性 石墨的润滑性及碳纤维的分散性分别限制了其在导电沥青混凝土的应用 1 三种导电相材料的试验结果对比分析表明石墨单位体积对沥青混凝土导电性能改善效果良好 可作为导电沥青混凝土的主要导电相材料 三 导电沥青混凝土的性能 全自动马歇尔稳定度仪HM 3000主要技术指标 最大加载25KN 精度0 01KN 加载速率50 8mm min 主机具有存储功能 可存贮250组试验数据 水损害是沥青路面的主要病害之一 沥青混合料的抗水损害能力是决定路面水稳定性的根本因素 评价沥青与矿料的粘附性 评价沥青混合料水稳定性 浸水马歇尔试验 评价抗水损害能力 冻融劈裂试验 三 导电沥青混凝土的性能 MS0为试件的浸水残留稳定度 MS1为试件浸水48h后的稳定度 kN MS为试件的稳定度 kN 浸水马歇尔实验 三 导电沥青混凝土的性能 TSR为冻融劈裂试验强度比 RT1为常规试件的劈裂抗拉强度 Mpa RT2为冻融循环试件的劈裂抗拉强度 Mpa 冻融劈裂实验 三 导电沥青混凝土的性能 间接拉伸实验 动态蠕变实验 三 导电沥青混凝土的性能 动态蠕变实验 动态蠕变 第一阶段 迁移期 蠕变变形在瞬间迅速增大 但应变速率随时间迅速减小 第二阶段 稳定期 蠕变变形呈直线形稳定度增长 应变速率保持稳定 这是线性永久变形阶段 第三阶段 破坏期 蠕变变形和应变速率均急剧增大 直至破坏 K为车辙敏感因子 Fn为抗车辙流值 三 导电沥青混凝土的性能 掺加石墨降低了车辙敏感因子K 并且增加了抗车辙流值Fn 表明石墨增强了沥青混合料的高温稳定性 碳纤维降低了沥青混合料的高温稳定性 这与常规车辙试验得出的结果相吻合 三 导电沥青混凝土的性能 式中 Nf 试件疲劳破坏时的重复荷载作用次数 施加的应力 MPa K n 由试验确定的系数 采用间接拉伸疲劳试验 在应力控制方式下 沥青混合料的疲劳寿命 应力关系可用经典疲劳方程来表征 间接拉伸疲劳实验 三 导电沥青混凝土的性能 疲劳损伤是路面破坏的主要形式之一 研究沥青混合料在一定的交通和环境条件下的疲劳特性对于沥青路面设计是十分重要的 在应力低于1 0Mpa时 导电沥青混凝土的疲劳寿命高于普通沥青混凝土 提纲 研究背景导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的导电机理导电沥青混凝土的机敏特性 四 导电沥青混凝土的导电机理 目前 解释导电高分子复合材料的导电机制的有粒子接触导电效应 电场发射效应 隧道效应等 但没有一个较为完善的 普遍适用的导电机制来解释体系导电网络的形成及其导电行为 电导率与频率的依赖性 电导率对石墨掺量的依赖性 直流V I特性 四 导电沥青混凝土的导电机理 渗流理论常用于解释无规则混合导电复合材料的绝缘 导电转变过程 随着石墨掺量增加 导电沥青混凝土表现典型的渗流导电行为 用最小二乘法拟合公式 可得到导电沥青混凝土的拟合结果为t 3 16 Pc 11 0 由公式作出的渗流模型关系如图中曲线所示 电阻率与导电相材料的体积分数满足如下关系 四 导电沥青混凝土的导电机理 这种高的临界指数值 是与导电沥青混凝土负载体系的特征相关 石墨颗粒无规则分布在沥青中 特别是在Pc附近 体系的电导显然是由通过导电颗粒间距很窄的绝缘层的隧穿机制所控制 局部电导与颗粒间距和隧穿几率有关 因此具有一定的分布 当Pc 11 0 时 lg 与lg P Pc 具有良好的线性关系 但临界指数t值明显高于标准格子渗流问题的普适临界指数1 6 2 0 四 导电沥青混凝土的导电机理 在Pc附近 体系发生隧穿电导 隧穿机制中电子迁跃几率p为 电子跃过间隙的能力随着间隙尺寸的减小而呈指数增大 间隙尺寸与导电相的掺量有关 为常数 T为样品温度 E为跃迁能隙所需活化能 Ep是越过壁垒的局部活化能 为隧道因子 r为电子必须穿过的空间距离 四 导电沥青混凝土的导电机理 假设石墨粒子随即分散于沥青中 粒子间的平均间隙r与体积掺量P有如下关系 隧穿电导有两个特征空间距离 电子穿过的最大空间距离rc和容易穿过的空间距离r0 导电沥青混凝土中导电粒子间隙千差万别 当间隙小于r0时 其起到电子迁移捷径的作用 对电导率贡献最大 当粒子间隙位于rc和r0之间时 粒子间隙微小的变化均会引起电导率的显著变化 将11 18 代人公式 发现lg 的变化范围为 2 1 1 8 表明隧穿电导 随着P变化极为有限 只在Pc附近一个很小的范围产生 四 导电沥青混凝土的导电机理 在低石墨掺量 P Pc 时 导电粒子接触几率极小且导电粒子间隙大 电子难以跃迁 体系呈绝缘性 在石墨掺量P接近Pc时 导电粒子接触几率小 粒子间隙窄而产生隧道效应 局部粒子间的偶然接触在小区域内起电子迁移捷径的作用 但隧穿机制控制体系电导 表现出绝缘 导电急剧转变 在高掺量 P Pc 时 导电粒子接触几率大 粒子接触效应起主要作用 电子在由石墨粒子构成的导电网络通路内迁移 此时渗流模型可解释由粒子接触效应所组成的导电通路的形成与发展 导电沥青混凝土的导电机制可看作是粒子接触效应和隧道效应综合作用的结果 四 导电沥青混凝土的导电机理 随着石墨掺量增加 电导率与频率的依赖性减弱 这种依赖性是不能用粒子接触电导来解释的 证实隧穿电导的存在 四 导电沥青混凝土的导电机理 可将导电沥青混凝土在交变电场中的导电行为等效为电阻R和电容C并联的情形 当P Pc时 导电粒子的间隙小于r0 电子容易穿过沥青膜 相当于多个电阻和一个电容并联 当P Pc时 导电粒子的间隙小于rc 电子难以穿过沥青膜 相当于多个电容和一个电阻并联 当P Pc时 导电粒子的间隙位于rc和r0之间 相当于几个电阻和一个电容并联 四 导电沥青混凝土的导电机理 在频率为 的电场中 电路中m个电阻R和n个电容C并联的情况 在一定石墨掺量时 频率增大 IC增大 但由于电阻R的导电捷径作用 mIR远大于nIC IC增大对I贡献不大 直至频率足够大 nIC增大引起I增大 表现为电导率与频率的依赖性 四 导电沥青混凝土的导电机理 四 导电沥青混凝土的导电机理 石墨掺量在临界点附近时电阻随电压增加而迅速减小 增加石墨掺量 电阻减小处于缓和 高石墨掺量时颗粒间接触几率增加 石墨颗粒间的相互接触构成了导电通路网络 接触电导起主要作用 体系表现出线性V I特性 当石墨掺量为18 4 和16 4 时 V与I具有线性特性 而掺量为11 1 时 V与I表现为非线性 通电过程中 粒子间隙存在导电发热和热传导散热过程 热扰动的加剧有助于提高电导率 沥青膨胀使得粒子间隙加大 造成电导率下降 四 导电沥青混凝土的导电机理 隧道电流密度j E 与导电粒子间隙大小和面积 温度和电场强度有关 高电场强度诱发电子发射跃迁 在导电颗粒间隙大于rc时诱发额外的导电通路 粒子间的导电行为可看作是一个细小的电阻丝 过高的电流会产生电阻丝熔断效应 造成导电率下降 产生非线性V I特性的根源是粒子间的非线性导电和高电场时诱发额外的导电通路 四 导电沥青混凝土的导电机理 掺加少量短切纤维可明显改善导电粉末填充沥青混凝的导电性能 在低掺量导电粉末的沥青混凝土中 分布在沥青混凝土中的导电粉末能相互或只分开几个原子直径的距离形成一个三维空间网络 但其掺量均低于临界掺量值 形成导电通路几率小 具有较大长径比的纤维的掺入冲破一些集料对导电链的阻隔 跨越集料连接导电链 促进三维导电网络形成 纤维还可起到导电桥梁的作用 导电通路短接的作用 四 导电沥青混凝土的导电机理 提纲 研究背景导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的导电机理导电沥青混凝土的机敏特性 导电沥青混凝土的机敏特性主要用于结构自诊断 结构自诊断导电沥青混凝土是将具有导电能力的沥青混凝土作为结构的一部分 在受到诸如反复行车荷载 气候环境等外部条件作用时 其应力 应变 疲劳裂纹甚至老化等结构损伤通过由于沥青路面微观结构变化而导致的电学性能的变化做出响应 五 导电沥青混凝土的机敏特性 五 导电沥青混凝土的机敏特性 采用自诊断技术可以最大程度上保障路面的正常服役功能 减少养护成本 是一种理想的无损检测技术 五 导电沥青混凝土的机敏特性 现有的人工检测 通常在沥青路面性能指数下降到70 80 的时候才提出养护 即使恢复也只能停留在原有水平的70 80 之间 在养护点提出沥青路面的养护方案 寻找最佳的养护时机 可以大幅降低养护成本 大幅度地延长沥青路面的使用寿命 在损伤的初期阶段就能发现并提出解决方案 它将可以使路面的性能指数恢复到原有水平的90 100 使路面寿命得到大幅度地延长 五 导电沥青混凝土的机敏特性 电阻率随着沥青混凝土的空隙率的降低而逐渐下降 但是当空隙率下降到小于2 0 以后 电阻率变化幅度很小 空隙率对电阻率的影响 五 导电沥青混凝土的机敏特性 其中 y为材料的电阻率 x为材料的空隙率 A为材料参数 它与材料自身的导电性能有关 B为影响电阻率变化的影响因素 包括有温度 湿度等 C为常数 导电沥青混凝土的电阻率随着空隙率的变化很有规律 都遵从一定的指数关系 从定性的角度来拟合出电阻率与空隙率之间的关系 五 导电沥青混凝土的机敏特性 温度对电阻率的影响 导电沥青混凝土具有良好的温敏特性 在升温过程中 石墨导电沥青混凝土的电阻随温度的增加而增加 呈现为PTC效应 在降温过程中 石墨导电沥青混凝土的电阻随着温度的降低而减少 五 导电沥青混凝土的机敏特性 1 对于导电粒子接触效应 温度增高 沥青的体积膨胀将使一些原本相互接触的导电粒子断开 引起导电通路断路 2 对于隧道效应 沥青的体积膨胀将使导电粒子间隙增大 电子的跃迁能力随着间隙的增大而呈指数减小 同时一些间隙增大后也可能形成断路 沥青的体积膨胀系数约为6 10 4 其对导电粒子接触效应和隧道效应所形成的导电网络的影响是最为直观的 五 导电沥青混凝土的机敏特性 在应变变化的过程中 电阻率变化呈现负压阻效应 随着荷载的增加而下降 卸载后基本能回到初始状态 电阻率的变化频率和加载的频率是一致的 就是说电阻率对每个循环的变化具有响应作用 五 导电沥青混凝土的机敏特性 对试件施加与电流方向垂直的压力荷载 导电沥青混凝土将受到单轴无侧限的压应力 电阻在压应力作用下发生变化 这就是复合材料所谓的机敏性 机敏性的灵敏系数通常可以通过下列方程来计算 这里R 和R0分别是在受压之前和在 应力条件下受压之后的电阻 由于应变对应于压缩应力 因此应变的敏感系数为 导电沥青混凝上的机敏特性是指混凝土材料的电阻随着应力产生的应变而发生变化的现象 五 导电沥青混凝土的机敏特性 五 导电沥青混凝土的机敏特性 第一阶段 在加载的初始阶段 大概在疲劳寿命的1 时候 由于导电沥青混凝土试件受到荷载作用后产生追密作用 混合料之间接触变得更加紧密 形成了更多的