多相复合导电沥青混凝土的制备.docx
《多相复合导电沥青混凝土的制备.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多相复合导电沥青混凝土的制备.docx（43页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
多相复合导电沥青混凝土的制备
目录
目录1
摘要2
Abstract3
1绪论4
1.1课题的提出4
1.2导电沥青混凝土的研究现状及意义6
1.3本文研究的内容和技术路线7
2原材料和试验方法9
2.1原材料9
2.2试验方法11
3导电沥青混凝土的组成设计及制备18
3.1材料组成设计18
3.2导电沥青混凝土的制备20
4导电沥青混凝土的电学性能研究23
4.1导电沥青混凝土电阻率23
4.2导电沥青混凝土电阻率影响因素分析24
4.3导电沥青混凝土导电机理分析25
4.4导电沥青混凝土的自诊断26
5导电沥青混凝土路用性能研究28
5.1水稳定性28
5.2高温稳定性30
5.3疲劳寿命30
6结论与建议33
参考文献34
致谢36
摘要
沥青混凝土广泛应用于高等级公路和机场跑道。
沥青混合料的电阻率约为107-109Ω*m,属于绝缘体材料。
通过掺入适量的导电相材料，改善沥青混合料的电学性能，可望获得多功能的沥青混凝土，将会对沥青路面冬季融雪化冰、路面损坏检测等产生深远的影响。
导电沥青混凝土的级配设计采用Superpave设计方法，合成曲线尽可能远离禁区，提供足够的矿料间隙率来填充高掺量的导电相材料。
导电粉末可作为一部分填料，但与矿粉的密度差异大，需折算成当量矿粉质量。
通过掺入石墨和碳纤维可改善沥青混凝土的导电性能。
石墨的润滑性和吸油性及碳纤维的分散性分别限制其在导电沥青混凝土的应用。
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时,改善作用显著，可作为导电沥青混凝土的主要导电相材料，少量碳纤维作为辅助导电相，同时碳纤维代替部分矿粉既可起增强作用。
掺入少量短切碳纤维可明显改善导电粉末填充沥青混凝土的导电性能，发挥碳纤维大的长径比所具有的导电桥梁作用和导电通路短接作用，改善电子的导电机制。
石墨对沥青的吸收能力强，评价导电沥青混凝土的体积性能指标必须考虑吸收沥青。
马歇尔残留稳定度试验、冻融劈裂试验和车辙试验表明石墨导电沥青混凝土的抗水损害能力强，高温稳定性能良好，可作为新型路面使用。
通过控制沥青用量和石墨用量，增加沥青混凝土的压实度，可获得稳定的导电性能。
关键词:
沥青混凝土；导电；材料组成；路用性能
Abstract
Asphaltconcretehasbeenextensivelyappliedinexpresswayandrunwayofairfield.Itbelongselectricalinsulatingmaterialwitharesistivitvyof107-109Ω*m.Theconductivebehaviorofasphaltmixturecanbeimprovedwiththeadditionofconductivematerials,thusamultifunctionalAsphaltconcretecanbeobtained，whichwouldhaveaprofoundeffectonpavementdeicing,damagetestingandsoon.
SuperpavedesignmethodwasemployedtodesignthemixProportionofelectricallyconductiveasphaltconcrete.ThecurveofmixProportionkeptawayfromtherestrictedzoneinordertoprovideenoughvoidsinmineralaggregatetofillthehighcontentofconductivematerials.ConductivePowdercanregardasapartoffillerinasphaltconcrete.Buttheyneedtomakeaconversionforequalqualityoflimestonepowderbecauseofthedeferenceofthedensity.Theconductivebehaviorofasphaltmixturecanbeimprovedbyaddinggraphiteandcarbonfiber.TheabsorbingoilnatureandlubricatedeffectofgraphiteandthebaddispersionofcarbonfiberlimittheirapplicationinECACrespectively.TheimprovingeffeteofgraphiteontheresistivityofECACisexcellent，andthecompositemodificationwithotherconductivematerialsalsoisobvious.Graphitewasusedasmaincomponent，andafewcarbonfiberswereaddedasassistantcomponent.carbonfibersreplacedapartoflimestonepowder，whichhasanenforcementeffeteonasphaltconcrete.TheconductiveperformanceofconductivePowderfillingasphaltconcreteisimprovedbyaddingafewchoppedcarbonfibers.CarbonfibersPlayaroleoftheconductivebridgeeffectandtheshortcircuiteffectbecauseofhighlong/diameterratio，improvingtheconductivemechanismofelectron.
Graphiteabsorbsasphaltinliquidstatestrongly.TheevaluationofvolumeperformanceofECACmusttakeabsorbedasphaltintoaccount.ExperimentalresultsofMarshallRemnantStabilityTest，WaterSusceptibilityTensileStrengthRatioTestandRuttingTestshowthatgraphitemodifiedECACpossessesofhighanti-waterdamageabilityandexcellenthigh-temperaturestability，whichisexpectedtoapplyasnew-typepavement.Stableconductiveperformancecanbeachievedbycontrolledgraphitecontentandasphaltcontentandincreasingthecompactdegree.
Keywords:
Asphaltconcrete;Electricalconduction;Materialcomponent;conductivemechanism;Pavementperforma
1绪论
1.1本课题的提出
1.1.1沥青路面的应用现状
沥青混凝土路面具有无接缝、表面平整性好、行车和飞机滑行平稳、舒适性强、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，沥青混凝土路面越来越受到重视，沥青混凝土越来越广泛地被用来修建高速公路、桥面铺装和飞机跑道。
我国高速公路总里程超过6万公里，其中已建成或在建的高速公路中，90%以上采用沥青混凝土路面。
同时一些高速公路水泥混凝土路面已经达到其使用年限，面临着改造重大使命。
沥青混凝土罩面是水泥混凝土路面加铺改造的主要方式之一，许多大城市都对其主要城市干道进行沥青混凝土铺装。
与水泥混凝土桥面铺装相比，沥青混凝土桥面铺装优势明显而日益受重视，如国内的阳逻大桥、杭州湾跨海大桥等均应用沥青混凝土铺装。
随着沥青路面的发展，高速公路沥青混凝土桥面铺装也已是大面积应用，许多高速公路桥面采用与沥青面层结构相一致的铺装结构。
1.1.2除雪化冰
1.除雪化冰的方式
随着我国现代化建设的快速发展、高速公路、城市高架桥和飞机场的大量兴建汽车机数量速度不提改善道路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己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]。
如2008年1月我国南方遭受罕见的低温雨雪冰冻极端天气，进半个月时间内，因为道路积雪冰冻使得湖南、贵州、安徽、江苏、江西等南方数省的大部分高速公路、机场跑道封闭，所造成的损失高达数百亿元。
因此，如何及时有效的解决路面融雪化冰，对于保持道路通畅、提高交通安全具有非常重要的意义。
道路、桥梁、机场除雪已是函待解决的现实问题。
目前世界各国采用的除雪化冰方法有清除法和融化法[2]，如图1-1所示。
图1-1除雪化冰的方式
在我们的日常生活中，最常见的是撒盐融化法，利用盐与水的作用降低水的冰点，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，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，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15亿美元。
从1970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[3][4]。
加热融化法：
利用热源如电热远红外辐射、天然气、蒸汽、电热、地热等进行融雪，其成本较高，使用范围受到限制。
地热管法：
在路面结构中安装管道，利用水蒸汽或热水进行加热，使冰雪融化。
地热水可由温泉或打深层井获得，但在使用时要加入防冻剂，避免水在循环过程中结冰[5]。
红外线管加热法：
利用红外光对冰雪直接照射加热，使其融化;
流体加热法：
在冰雪上喷洒热溶液，如地热水，使其融化。
电热丝法：
在路面结构中埋入电热丝或电热网，利用电热效应进行加热，使冰雪融化；该法已经进入商业化初期。
导电混凝土：
导电混凝土除雪机理是通过在混凝土中添加适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后，导电混凝土产生热量（将电能转换成热能），使路面温升高。
当路面温度上升到0℃以上后，路面上的冰雪就会自动融化成水蒸发流走，使路面无积雪、不结冰，从而保障道路畅通和行车安全。
2.导电沥青混凝土的前景
导电混凝土利用电热效应使路面升温而融雪，作为一种功能复合材料，导电沥青混凝土在路面融雪化冰技术中具有明显优势，尤其在机场跑道、桥梁、及高速公路的弯道、坡道等重要路段。
因此许多国家都进行了大力研究。
但主要集中在水泥混凝土上。
然而，随着水泥混凝土路面所占比例的减少，沥青路面已占有绝对优势。
导电沥青混凝土既能发挥沥青路面的优点，还能解决融雪化冰问题，并解决沥青路面的低温开裂，有助于提高路面的使用性能和提高服役寿命。
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。
这对于提高沥青路面，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。
1.2导电沥青混凝土的研究现状及意义
1.2.1国内外研究现状
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改性沥青混凝土，并于1994年开展了试验，结果表现出了较好的融雪效果，并有一定的实用性[6]。
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.%[7]。
国内外对采用碳纤维、钢纤维材料制备导电沥青混凝土的研究发现，相对粉末状导电材料，纤维类材料在沥青混凝土中的渗流阀值较低，但其对电学性能改善效果很有限，导电率一般在1000Ω*cm数量级。
美国NebraskaDepartmentofRoads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$48/m2，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，YehiaS.和C.Y.Tuan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48伏的电压，59lW/m2，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$0.7到$1.0/m2[8]。
日本N.Sugawara等研究人员在距表面10cm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954m。
1992年和1993年两个冬季，该试验段单位面积总的电能消耗分别为167.8和75.2KWh/m2。
我校吴少鹏课题组在国内最早开始了导电沥青混凝土的探索与研究，主要内容是采用石墨和沥青基碳纤维制备导电沥青混凝土对导电沥青混凝土组成设计方法及制备技术、导电机理、电热效应、路用性能、安全性、经济性等方面展开了深入研究，结果表明：
（1）石墨对沥青混凝土导电性能改善效果良好，掺入足量的石墨可以使导电率达到1-100Ω*cm，但路用性能无法满足；
（2）石墨的润滑性和碳纤维的分散性限制了其在沥青混凝土中的掺量；（3）石墨和碳纤维复合可以制备具有导电性能良好的沥青混凝土，且其强度、抗水损害等性能均满足国家规范要求；（4）室内模拟疲劳测试发现，导电沥青混凝土的疲劳寿命比普通混凝土提高了2-4倍；（5）导电沥青混凝土的抗高温性能提高了。
1.2.2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，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成当务之急。
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到O℃以上，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，满足环保要求。
此外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。
使用导电沥青混凝土可以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。
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的耐久性，建立道路智能诊断系统将具有重要意义。
1.3本文的研究内容和技术路线
通过深入研究导电沥青混凝土电性能与材料组成的关系，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。
1.3.1基本内容
本文的研究内容为多相复合导电沥青混凝土的制备技术，具体如下：
①多相复合导电材料的协同效应与组成方式：
研究导石墨和碳纤维的形状特征、掺量、掺入方式等对沥青混凝土的电学性能和路用性能的影响规律，分析其配伍性与协同效应，优化各导电相材料的掺入方式和掺入比例。
②材料的组成设计：
根绝级配理论和组成原理，结合多相导电材料的组成结构，设计导电沥青混凝土的矿料级配范围；研究沥青用量对导电沥青混凝土电学性能和路用性能的影响规律，提出多相复合导电沥青混凝土的组成设计方法。
③电学性能：
测试多相复合导电沥青混凝土的电阻率，比较导电相材料各掺量的电阻率变化，研究多相复合导电的规律。
④路用性能：
研究多相复合导电沥青混凝土的抗水损害、高温稳定性、耐疲劳特性等路用性能的演化规律，为其用于沥青路面和机场道面材料的提供可行性分析。
1.3.2技术路线
图2-2导电沥青混凝土制备的技术路线
2原材料和试验方法
2.1原材料
2.1.1沥青
沥青属于粘弹性材料，具有粘弹性的特点，其性能主要受温度、荷载和承载率的影响。
同时沥青路面在高温、氧气、水及紫外线作用下，会出现脆变、粘性降低、逐渐硬化等老化现象。
沥青的电阻率约1012-1014Ω*m，要改善其电学性能，需加入高掺量的导电相材料。
本论文使用的90号沥青的技术指标见表2-1和2-2。
表2-1AH-90沥青的技术指标
项目
单位
检测结果
指标要求
针入度，25℃，100g，5s
dmm
83
80～100
延度，5cm/min，15℃
cm
＞120
≥100
软化点（环球法）
℃
45.1
≥44
密度（15℃）
g/cm3
1.020
实测记录
蜡含量（蒸馏法）
%
1.83
≤3.0
闪点（COC）
℃
300
≥245
溶解度（三氯乙烯）
%
99.9
≥99.5
表2-2老化后残留物性能（163℃，5h）
项目
检测结果
指标要求
质量损失（%）
0.09
0.8
残留延度，5cm/min，10℃（cm）
105
≥8
残留针入度比，25℃，100g，5s（%）
75
≥57
2.1.2矿料
集料占有沥青混合料的90%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。
粒径大于2.36mm的集料为粗集料，其主要是提供骨架作用；小于2.36mm的集料为细集料，其主要是锁紧和减少空隙的作用。
集料作为路面材料应清洁、干燥、无风化、无杂质，同时具有一定的强度和耐磨性。
本文所用石料由粗到细分成4档规格，如表2-3。
表2-3集料筛分结果
筛孔
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
一号料
二号料
三号料
四号料
100
100
100
100
77.2
100
100
100
15.5
99.4
100
100
0
36.5
90.9
99.1
0
0.8
2.8
78.4
0
0.1
1.7
52.5
0
0.1
1.4
32.7
0
0
1.3
19.2
0
0
1.2
11.7
0
0
1.0
5.0
在沥青混合料中，矿粉与沥青形成胶浆，对沥青混合料路用性能有很大的影响。
矿粉一般由碱性石料如石灰岩磨细的粉料。
矿粉对沥青混合料起到加劲作用，降低沥青的流动性，增加其粘度，其对混合料的稳定性和抗车辙能力有很大的关系。
矿粉的比表面积大，用量过多会使混合料变硬，因此限制了矿粉的用量，粉胶比一般为0.8-1.2。
本文所用的石灰岩磨细的矿粉的性能如表2-4。
表2-4细集料性能检测结果
性能
技术要求
实测值
视密度（g/cm³）
>2.5
2.81
含水量（%）
<1.0
0.2
粒度范围
<0.6mm,%
100
100
<0.15mm,%
90-100
97.5
<0.075mm,%
75-100
83.5
外观
无团粒结块块
无团粒结块块
亲水系数
<1.0
0.9
化学成分CaO（%）
-
51.5
化学成分SiO2（%）
-
1.76
2.1.3导电相材料
沥青及其混凝土均为绝缘体，沥青的电阻率一般为1011～1013Ω·m,而沥青混合料的电阻率为107～109Ω·m,两者均属于绝缘体材料。
根据导电高分子理论基础,通过掺入适宜导电材料掺量,如石墨粉、碳纤维等,可望获得电阻率10～103Ω·m的导电沥青混凝土。
导电沥青混凝土除了良好的路用性能外，还具有优异的电学性能，是一种新型的、多功能的沥青混凝土。
当前沥青路面广泛应用于高速公路和机场跑道，赋予其良好的电性能后，将会对公路沥青路面冬季融雪化冰、路面损坏检测、公路交通智能化管理等产生深远的影响。
（1）石墨[9][10]
石墨具有较高的导电率，其粒径小于0.075mm，可作为填充材料。
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。
石墨具有较强的吸油性，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。
石墨的主要性质见表2-5。
表2-5石墨的主要性质
化学
成分
密度
g/cm³
莫氏硬度
形状
晶系
颜色
光泽
条痕
C
2.1-2.3
1-2
六角板状鳞片状
六方
铁黑
钢灰
金属光泽
光亮黑色
（2）碳纤维[11][12]
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，一般碳含量在90%以上。
碳纤维具有一般碳素材料的特性，如：
耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等。
沥青基碳纤维对沥青混凝土既具有良好的加筋、增强作用，又具有良好的导电性能和相容性，是制备导电沥青混凝土的一种理想导电相材料，但其缺点是分散性较差。
碳纤维具有高达1000的长径比，易于相互搭接形成导电通路网络。
沥青基碳纤维的密度是1.75g/cm³本文所用碳纤维为其单丝主要性能如表2-6。
表2-6短切沥青基碳纤维单丝主要性能
指标名称
指标
抗拉强度MPa
>241
杨氏模量GPa
27.5-41.6
单丝电阻率10-3Ω*cm
15-30
单丝直径μm
10-14
碳元素含量%
>90
长度mm
4-7
2.2试验方法
2.2.1沥青混凝土级配设计
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。
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。
由于连续级配属于悬浮结
升级会员 