沥青路面材料导电性能的实验研究报告.docx

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沥青路面材料导电性能的实验研究报告

沥青路面材料导电性能的实验研究

摘要

本文实验研究了不同掺量的导电石墨和不同细度的天然鳞片石墨对导电沥青混凝土的导电性能的影响，结果表明：

随着石墨掺量的增加，电阻率不断减小，石墨掺量为40%时导电性能最好，电阻率趋于稳定；随着天然鳞片石墨细度的增加导电沥青混凝土的导电性能是降低的。

同时还研究了在不同温度，不同湿度下导电沥青混凝土的电导率的变化：

在不同温度下，当掺量较小时主要表现为PTC效应；当掺量较大时还要受粒子的热扰动性影响，温度与导电性呈非线性关系。

选取合适的掺量对导电沥青混合料的电阻稳定性有较大的帮助；在不同湿度下，湿度对电阻率的影响不是很明显，对电阻率的升高影响不大。

关键词：

导电沥青混凝土，石墨，电学性能，电阻率

Asphaltpavementmaterialsconductive

performancestudy

ABSTRACT

Inthispaper,wemainlyanalysistheconductivityofconductiveasphaltoncrete,thedifferentdosageofconductivegraphiteanddifferentfinenessofnaturalflakegraphiteeffectonconductivityofconductiveasphaltconcreteareexpounded.throughtheexperiment,Graphiteproduction40%conductiveperformanceisbest;conductivitydecreasescontinuously,afterreachacertaincontent,conductivitytendstobestable.Atthesametimewiththeincreaseoffinenessofnaturalflakegraphiteconductiveperformanceofconductiveasphaltconcreteislower.Finally,thisarticlealsostudiedatdifferenttemperature,thechangeoftheconductivityofconductiveasphaltconcreteunderdifferenthumidity.Experimentalresultsshowthatunderdifferenttemperature,whenthedosageissmallmainlyforPTCeffect;Whenthedosageisbiggerwasmainlyaffectedbyparticlethermaldisturbanceofsex,temperatureandelectricalconductivityisnonlinearrelationship.Selecttheappropriatedosageofconductiveresistancestabilityoftheasphaltmixturehasagreathelp.Underdifferenthumidity,humidityinfluenceonresistivityisnotveryobvious,theresistivityincreases.

Keywords:

Electricallyconductiveasphaltconcrete;Graphite;Electricalproperties;Resistivity

1绪论

1.1研究的背景和意义

从20世纪50年代以来世界各国修建的沥青混凝土路面的数量增长迅猛。

在总的公路里程当中,沥青混凝土路面所占的比重越来越大。

20世纪20年代我国开始铺设沥青路面。

1949年以后随着中国自产路用沥青材料工业的发展，沥青路面开始广泛应用于城市道路和公路干线，成为目前中国铺筑面积最多的一种高级路面。

改革开放以后我国高速公路建设事业取得了突出成就。

1988年我国第一条高速公路—全长18.5公里的沪嘉高速公路建成通车。

此后又相继建成全长375公里的大高速公路和143公里的京津塘高速公路。

1990年在国道主干线总体规划指导下，我国高速公路建设步伐不断加快，每年建成的高速公路由几十公里上升到1000公里，甚至高达5000公里。

根据国家高速公路网布局方案和效果我们确定的国家高速公路网布局方案可以归纳为“7918”网，采用放射线和纵横网格相结合的形式，包括7条放射线，9条纵向路线和18条横向路线组成，总规模约8.5万公里，其中主线6.8万公里，地区环线、联络线等其它路线约1.7万公里[1]。

与水泥混凝土路面相比，沥青混凝土路面具有如下优势阵，首先，沥青混凝土是一种具有弹性、塑性以及粘性的复合材料，在施工中不需要设置伸缩缝，而水泥混凝土是一种刚性材料，因为温度变化产生热胀冷缩，需要在路面建设时预留伸缩缝。

第二，沥青混凝土路面与水泥混凝土路面相比表面比较平整，同时又有一定的粗糙度，使得沥青混凝土在雨雪天气也具有一定的抗滑性能；黑色的沥青混凝土路面没有明显的强反光，降低了行车安全隐患；沥青混凝土材料具有一定的弹性和塑性，起到减缓震动，降低噪音的作用，行车更为舒适。

第三，沥青混凝土施工方便快捷。

不管是水泥混凝土路面还是沥青混凝土路面，都会在几年后涉及到修补的问题。

水泥路面重修时要比沥青路面麻烦很多，费用也高出了不少。

几公里的沥青路面要想加铺沥青层，一个晚上就可以实现，而水泥路面重修的施工过程要繁琐很多，首先要用大型设备粉碎路面，然后再进行平铺工程等等。

同样长度的公路，如果是沥青路面一晚上完成，水泥路面恐怕一个月也不能完成。

因此，沥青混凝土路面必将成为今后公路建设的主要路面结构形式，目前已经在高速公路、机场跑道、桥面铺装、城市道路等各个方面得到广泛的应用，而且随着经济和交通事业的发展以及公路交通的需要，沥青混凝土路面将逐步取代水泥混凝土路面，得到更为广阔的发展[2-3]。

随着沥青混凝土路面的广泛应用与蓬勃发展许多问题也随之而来。

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刹车失灵[4-5]。

特别是近几年气候的改变，我国中部及部分南方地区也频繁遭受冻雨雪灾等寒冷天气的侵袭影响交通运输。

比如2008年1月10日起中国、、、、、、XX等19个省级行政区均受到低温、雨雪、冰冻灾害影响，死亡60人，交通严重受阻，其中有14个民航机场因大雪被迫封闭,五纵七横干线也有约2万公里封闭限行，滞留旅客达到百万。

车站以及公路沿线，造成直接经济损失537.9亿元[6-7]。

为了保障行车安全和道路通畅，提高道路的运营效率，必须采取有效措施防止并清除积雪。

目前国外除雪方式主要有人工清除法、机械清除法和撒融雪剂法。

人工清除法效率低且影响交通，机械清除法设备昂贵且闲置期长。

撒融雪剂法是最常见且被广泛应用的方法，世界各国主要通过撒盐（NaCI、CaCI2）来实现融冰化雪。

然而，撒盐给混凝土路面结构和环境带来了许多负面效应，主要表现为钢筋钢纤维锈蚀、路面剥离破坏和环境污染等问题。

世界上不少国家因使用除雪盐造成道路、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。

例如，1998年，美国60万座钢筋混凝土桥中，被列入修复计划的费用是2000亿美元，是当初建桥费用的4倍。

因此，迫切地需要开发新型的道路融雪化冰方法来取代传统方法，以减少除雪盐的使用，降低其对道路、桥梁的损坏[8]。

表1.1中是目前应用过的融冰化雪的方式类型以及它们各自的优点和缺点。

其中，导电沥青混凝土是在普通沥青混合料的基础上按照一定的比例掺入导电相材料，通过改变沥青混凝土部的结构组成使之由绝缘材料转变为可以导电的新型复合材料。

导电沥青混凝土与外部电源接通后，由于电热效应产生热量，热量由沥青混凝土部传至路面表层，使路表温度升高，起到融冰化雪的作用。

利用导电沥青混凝土法融雪具有及时、无需中断交通、绿色环保等优点，在融冰化雪技术领域中具有非常明显的天然优势，特别是在桥面铺装、机场跑道建设以及高速公路的弯道、坡路等对路面摩擦力要求较高的地段。

大力推广和使用导电沥青混凝土，不仅能够实现及时、高效的清除路面的冰雪，保障道路畅通及行驶安全，而且更重要的是能够减少甚至杜绝使用融冰盐，彻底免去融冰盐对道路桥梁和环境的危害,实现国民经济的可持续发展。

表1.1不同类型的融冰化雪方法及各自特点

融冰雪化冰方式类型

优点

缺点

清除法

人工清除法

除雪较彻底

效率低、影响交通、浪费人力

机械

清除

法

机械设备铲雪

除雪面积大、速度较快

清除不彻底、影响交通、设备昂贵且闲置期长，经济效益差

吹风机除雪

除雪安全环保

适用围小、机械需求量大、费用大

融化法

化学

融化

法

氯化物融雪剂法

材料来源广泛、价格便宜

降低路面耐久性、污染环境

环保融雪剂法

环保、融雪较氯盐快

价格昂贵难以推广

热化

学法

地热管法

用清洁能源、绿色环保

融雪效率低，初期投资大，且耐久性较差

红外线管加热

自动融雪、易于控制

升温过于迟缓且受外部风向的影响大，现已基本不用

电热丝法

不需变压器等服务设施、加热效果好

电热丝易被行车载荷破坏，不易维修，限制了其应用

流体加热法

利用自然热水源或太阳能加热、绿色环保

系统本身与安装价格昂贵、换热管道易渗漏而影响加热效果

导电混凝土法

融雪及时、无需中断交通、绿色环保

要消耗电能，适宜于在机场、桥面等重要路段应用

另一方面，在低温环境中对导电沥青混凝土通电，使路面的温度升高，可以改善沥青混凝土路面由于低温而开裂的问题。

导电沥青混凝土具有很好的机敏特性，可以通过测定电阻率的变化反映路面部情况，同时还可以使沥青混凝上具有结构自诊断功能。

1.2导电沥青混凝土的研究与应用现状

1968年，L.D.Minsk首次发表了美国联邦航空局与超级石墨公司共同研制的石墨（25wt%）导电沥青混凝土及其试验应用情况：

六个试验段在两个冬季中表现出了令人满意的融雪效果，但经过18个月后电阻率升高了21%至85%，同时研究认为导电沥青混凝土的成本相对于其它路面加热方法更具有竞争力。

1998年，美国的L.D.Zaleski公布了电传导性路面混合料与道路系统专利，该专利研究了无定形石墨与合成石墨（2:

1）的混合物（20wt%～30wt%）掺入沥青混合料中制备出的导电沥青混合料电阻率达到100至15Ω·m，施加120V电压时可用来融化路面的冰雪。

2000年，R.L.Fitzgerald研究发现掺入碳纤维（0.5wt%）不仅可使沥青混凝土的电阻率降低一个数量级，而且可改善沥青混凝土的力学性能。

国的吴少鹏等从2002年开始对导电沥青混凝土进行了大量的富有成效的探索与研究工作，主要包括导电沥青混合料的组成设计及其制备、导电机理分析、机敏特性和自诊断应用研究等方面[10]。

研究发现：

（1）石墨对沥青混凝土导电性能的改善效果良好，掺入足量的石墨可以使沥青混凝上的电阻率达到融雪化冰应用要求，但混凝土的路用性能不能满足；炭黑的吸油性、石墨的润滑性和碳纤维的分散性分别限制了其在沥青混凝土中的掺量。

（2）石墨和碳纤维复合可制备具有良好导电性能的沥青混凝土，且其路用性能也有所提高，但电学性能的稳定性与路用性能的耐久性有待深入研究。

（3）采用渗流模型解释掺入石墨后沥青混凝土导电通路的形成与发展，发现石墨粒子间隙会由于热扰动和沥青的热膨胀而增大，进而影响电导率的稳定性。

（4）导电沥青混凝土在应力应变下具有灵敏的电阻变化响应；在间接拉伸试验下，导电沥青混凝土具有良好的机敏特性，对外加应力所产生的应变具有良好的诊断能力，可用于沥青混凝土部损伤诊断[11-12]。

综上所述，导电沥青混凝土的应用技术正在逐步成熟，从已有的研究成果来看，导电沥青混凝土通过掺入导电相材料已经可以实现融冰化雪，虽然路用性能会因为石墨的引入导致一定程度的下降，但碳纤维的加筋作用弥补了这一不足[13]，导电沥青混凝土的各项指标也均符合我国使用的技术规。

目前存在的主要问题一方面是在保证路面路用性能的基础上降低电阻率，提高融雪效率；另一方面就是导电沥青混凝土的结构设计。

导电沥青混凝土在国还没有经过试验段的验证，如何经济高效的实现在工程中的应用，并制定出一套适合导电沥青混凝土的施工工艺必将成为今后研究的重点之一。

1.3本文的主要研究容

本课题的主要工作就是在了解目前沥青路面材料组成和导电性能的基础上，通过初步选择确定出大致的导电介质（最好颗粒状），再通过配比实验确定出导电介质的合适掺量（电阻率适合电热融冰雪），就是在目前沥青路面材料的基础上掺加哪几种、掺加多少导电介质后，路面材料的电阻率适合于电热融冰雪。

在此基础上，尚须进行导电沥青路面材料导电稳定性的影响因素研究，即分析有哪些因素影响电阻率的稳定性。

2文献综述

2.1导电沥青混凝土的导电介质分类

目前，导电沥青混凝土的研制根据其选择的导电相材料分为三个大的方向，包括粉末状导电相材料、纤维导电相材料和集料导电相材料。

国外学者分别对各种导电相材料制备的导电沥青混凝土进行了相应的研究，发现各种导电相材料都可以在一定程度上提高沥青混凝土的电导率[14]。

（l）导电粉末（石墨、炭黑）

石墨和炭黑具有良好的导电性，与铜粉、铁粉、铝粉等金属粉末相比，具有化学性质稳定、耐酸碱、抗氧化性好等优点，是制备导电沥青混凝土最理想的导电相材料。

研究发现，当掺入石墨后，导电沥青混凝土电阻率显著降低，其规律是：

开始时，石墨掺量逐步增大，电阻率呈缓慢降低；到石墨掺量达到沥青体积的11%一12%时，电阻率突然显著下降；继续加大掺量时，电阻率降低速度变缓。

采用渗流理论能进行解释这种变化规律。

在研究石墨导电沥青混凝土力学性能时发现，随着石墨掺量的增加显著削弱沥青混凝土的路用性能，特别是力学性能具有润滑性：

炭黑能降低沥青混凝土电阻率，但在同等掺量下不如石墨有效；且由于炭黑的多孔结构而具有显著的吸油性。

从经济性角度说炭黑远逊于石墨[15、18]。

（2）导电纤维（碳纤维、钢纤维）

碳纤维自身具有高强、高模、高弹、耐高温、耐酸碱腐蚀和良好的导电性能，碳纤维导电混凝土具有良好的导电性和电热效应；钢纤维具有提高混凝土的抗拉、抗弯、抗剪等力学性能的优点[16]，同时作为金属也可以发挥导电功能，但是其与沥青的相容性不好，用于混凝土中必然导致成本偏高。

沥青混凝土中掺入适量的碳纤维时，碳纤维不仅能显著降低沥青混凝土电阻率，而且在一定程度上能增强其力学性能；但由于碳纤维在沥青混凝土制备过程中存在难以分散的问题而无法大量掺入。

SherifYehia等在研究钢纤维导电混凝土时发现,随着时间的延长，钢纤维混凝土的电阻率明显增大，经过1年后增大了近60倍，原因在于环境中的碱性使得金属产生钝化膜，增加了电阻率[17]。

（3）导电集料（钢渣）

钢渣是炼钢过程中产生的副产品。

钢渣具有与硅酸盐相似的化学成分，其力学性能较扎制的碎石好，不仅耐磨、颗粒级配形状好，而且与沥青有良好的粘附性，故可以考虑作为沥青混凝土原材料使用。

如果其能成功应用，一方面可节约矿料资源，另一方面可以对钢渣这种废弃物进行利用，前景广阔；同时钢渣中含有15%一26%的氧化铁、10%一15%的金属废钢，因而其颗粒通常具有导电性，可以考虑用作导电混凝土的导电介质[19]。

PerviZAhmedzade等人通过实验研究发现，钢渣替代SMA沥青混合料中部分石灰岩粗集料时，可以大幅提高沥青混凝土的力学性能，同时其电导率要明显大于石灰岩沥青混合料，但如果要达到融雪化冰所要求的电阻率则相去甚远。

2.2导电机理

普通的沥青混凝土属于高度的不良导体，其电阻率可以高达1015Ω·m,但是在混凝土中添加一定量的导电物质，如石墨颗粒、钢纤维、碳黑以及碳纤维，则可使其导电性能大大增强，有望制备出具有良好电学性能的沥青混凝土。

目前，学术界主要有三种理论用于解释复合材料的导电机理：

渗滤理论、隧道效应学说、电场发射学说[20]。

其中，渗滤理论是从宏观上阐述复合材料的导电行为，而隧道效应学说、电场发射学说都是从微观意义上解释复合材料的导电行为。

这三种理论最早被应用于导电高分子复合材料。

随着瓷基、水泥基复合材料的相继出现，这三种理论被原本移植过来，并用于解释相应的导电现象。

这三种理论本质上都是正确的，但需要结合具体情况来解释相应材料的导电行为。

碳纤维导电混凝土、钢纤维导电混凝土及石墨导电混凝土的导电相只有一种，即碳纤维、钢纤维或石墨[21]。

2.2.1复合导电材料的导电机理

导电复合材料的导电机理研究是导电复合材料研究过程中的热点课题之一。

复合导电材料的发展可以追溯到上世纪中叶。

自从复合型导电高分子材料出现后，人们对其导电机理进行了广泛的研究，获得了一批研究成果，提出了许多理论模型。

但是对于复合导电材料的导电机理人们仍然一直存在争论。

目前比较流行的有两类理论：

一类是宏观的渗流理论，即导电通路学说；另一类是量子力学的隧道效应和场致发射效应学说[22]。

目前这两类理论都能够解释一些实验现象。

（l）导电通道学说

导电通道理论最早由Kemp提出，其后Parkinson，Habgood，Bulgin等人作了一些修正。

导电通道学说的实践基础是复合型导电材料其添加浓度必须达到一定数值后才具有导体性质。

导电分散相在连续相中形成导电网络必然需要一定浓度和分散度，只有在这个浓度以上是复合材料的导电能力会急剧升高，因此这个浓度也称为临界浓度。

认为只有在此浓度以上，导电材料作为分散相在连续相高分子材料中相互接触构成导电网络[23]。

该理论认为这种在复合材料体系中形成的导电网络是导电的主要原因。

一般而言，当导电粒子相互接触形成链状网络，或是导电粒子的间隙很小（<100nm）时，即可形成电流的通道。

处于接触状态的导电粒子越多，网络越密，粒子之间的间隙越小，则复合材料导电率越高。

一般来说，聚集体大的导电微粒易形成导电链。

由于石墨粒径小、比表面积大，因此容易形成导电网络。

关于导电网络的形成问题，人们引入了粒子平均接触数m的概念。

一般来说，当导电粒子为球状时，m=0~12，m≥1时导电网络开始形成，m≥2时全部粒子加入导电链中，并传导电流[24]。

对于导电通道理论来说，影响复合材料电导率的主要因素是导电粒子的接触电阻和粒子间隙以及导电粒子的接触数目。

目前根据导电通道学说人们推导出了一些数学关系式用来解释导电复合材料电阻率与浓度之间的一些关系，主要借助实验数据为依据从宏观的角度解释复合材料的导电现象，取得了一些成果，其中比较著名的有BueChe公式。

如果将导电分散相颗粒假定为球形，可以借助于Flory凝胶化理论公式推导出能够解释复合导电高分子材料电阻率的BueChe公式：

（式2.1）

式中：

脚标

和

分别表示聚合物基体和导电分散颗粒，

和

分别表示聚合物基体与构成导电粒子材料的电阻率；V表示导电颗粒的体积分数；

由下面的关系式确定：

Wf=l-（1-a）×y/（1-y）×a（式2.2）

a（l-a）f-2y=y（l-y）f-2a（式2.3）

式中，常数f表示一个导电粒子可以和f个导电粒子连接，与粒子的空间参数和形状有关。

a表示粒子间的连接概率。

值得注意的是上述公式只能适合用于部分导电复合材料[25]。

Bruggeman应用有效介质理论推导出导电复合材料电导率的公式：

（式2.4）

r=（3

-1）

+（3

-1）

（式2.5）

式中，

是复合材料的电导率；

和

分别为两种复合材料的电阻率。

它们相应的体积分数分别用

和

表示。

但是一些科学家发现，应用本计算公式的极限浓度不能超过1/3。

此外，对于炭黑/高分子复合体系亦不适用。

此外，已有的研究还发现发现，导电粒子尚未形成链及粒子间距较大时亦会产生导电现象。

如Polley和Boonstra利用电子显微镜观察到炭黑粒子未能紧密连接时以及导电橡胶在延伸状态下也能导电[24]，对此类现象导电通道学说难以解释。

（2）隧道效应和场致发射效应学说

隧道效应学说解释导电现象应用的则是量子力学理论。

Polly等人用导电炭黑/丁苯橡胶材料研究了电阻率与导电粒子间隙的关系。

他们发现还没有形成导电网络时就已经具有导电能力，因此认为导电现象的产生必然还有其他非接触原因。

Voet认为，导电不是粒子链长度决定的，而是与间隙有关，并提出了隧道效应产生导电现象。

该学说认为，复合材料的导电依然有导电网络形成的问题，但并不仅是靠导电粒子的直接接触来导电，当导电粒子接近到一定距离时，在热振动时电子可以在电场作用下通过相邻导电粒子之间形成的某种隧道实现定向迁移，完成导电过程。

而此时导电粒子的间隙比100nm大得多。

Beek等人也认为导电复合材料部的电子通道是隧道效应的结果，但他们认为这实际上是部电场发射的结果。

场致发射效应理论认为虽然导电粒子之间存在绝缘体，但当导电粒子距离小于10nm时，这些粒子之间所具有的强大电场可诱使发射电场的产生，从而导致电流的产生，其主要方程为：

J=A

exp（-B/E）（式2.6）

式中，J为电流密度，E为场强，A为隧道频率，n和B为复合材料的特性常数，介于1～3之间。

电场发射理论由于受温度及导电填料浓度的影响较小，此相对于渗滤理论和有效介质理论具有更广的应用围，且可以合理地解释许多复合材料的非欧姆特性。

通过对各种导电机理的探讨和研究，对于新型复合导电材料的制备具有实际的指导意义[24]。

2.2.2石墨导电沥青混凝土的导电机理

石墨是一种较容易获取的无机材料，具有优异的导电、导热、耐腐蚀等特性，它几乎与极大多数的酸、碱、盐都不起反应，不溶于有机与无机溶剂，且有较好的抗氧化性，在不少工业制品中常被用作导电材料。

目前广泛的应用于导电混凝土的研究中。

普通的沥青混凝土属于高度的不良导体，其电阻率可以高达1013Ω·cm。

在普通的沥青混凝土中间掺加石墨，能够制备出具有良好导电性能沥青混凝土材料，有望利用沥青混凝土材料的导电性能用于路面冬季融雪除冰。

对于导电沥青混凝土来说，主要起导电作用的是沥青混凝土中间所掺的导电相材料，例如石墨。

导电相材料的导电性能以及导电相材料的相互接触情况对沥青混凝土的导电性能起着决定性的作用。

导电相材料的加入使整个沥青混凝土沥青质中出现相连的导电粒子链，借助电子的运动使之导电。

起导电作用的主要是导电相材料与沥青胶结料之间形成的二相复合材料。

所以，目前关于导电沥青混凝土的导电机制多数借鉴的是复合材料导电理论[17]。

伴随着复合材料的发展以及复合材料导电机理的研究。

目前，关于导电混凝土导电机理的研究比较流行的有三个理论：

一是宏观的渗流理论，即导电通道学说；二是微观量子力学的隧道效应理论；三是微观量子力学场致发射效应理论。

由于前面己经对于这三种理论进行了分析说明，这里不做特别介绍。

石墨是一种较容易获取的无机材料，具有优异的导电、导热、耐腐蚀等特性，它几乎与极大多数的酸、碱、盐都不起反应，不溶于有机与无机溶剂，且有较好的抗氧化性，在不少工业制品中常被用作导电材料，目前广泛应用于导电混凝土的研究中。

一般地，渗流理论常用于解释其绝缘一导电转变过程，其认为随着石墨体积掺量增加，导电相粒子间相互接触几率增大，达到渗流阂值Pc后导电率突变，其导电机制是导电相粒子的相互接触形成了体系的导电通路网络。

导电沥青混凝土中