导电沥青混凝土

1、会计学1导电沥青混凝土导电沥青混凝土第1页/共90页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，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。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前言第2页/共90页提纲提纲u 研究背景研究背景u 导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的制备u 导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的性能u 导电沥青混凝土的导电机理导电沥青混凝土的导电机理u 导电沥青混凝土的机敏特性导电沥青混凝土的机敏特性第3

2、页/共90页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、研究背景一、研究背景功能性第4页/共90页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、研究背景第5页/共90页一、研究背景一、研究背景融雪化冰方式类型优点缺点清除法人工清除法除雪交彻底效率低、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范围小、机械需求量大、费

3、用高融化法化学融化法氯化物融雪剂材料来源广泛、价格便宜降低路面耐久性、污染环境环保融雪剂环保、融雪较氯盐快价格昂贵难以推广热融化法地热管法利用清洁能源、绿色环保融雪效率低，初期投资大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荷载破坏，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绿色环保、融雪及时、无需中断交通要消耗电能，适宜于在机场、桥面等重要路段应用第6页/共90页 目前，世界各国主要通过撒盐（NaCl、CaCl2）来

4、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、研究背景一、研究背景第7页/共90页 2003年，美国内布拉斯加州道路管理局在Roca Spur Bridge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，Christopher Y. Tuan等对各种融冰化雪方式的成本进行了对比分析。一、研究背景一、研究背景第8页/共90页第9页/共90页 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/m

5、2，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、研究背景第10页/共90页一、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。第11页/共90页一、研究背景一、研究背景导电水泥混凝土导电沥青混凝土第12页/共90页一、研究背景一、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

6、渐缩小，沥青路面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，沥青路面已占已占80以上；我国高速公路总里程已超过以上；我国高速公路总里程已超过5.3万公里，其中万公里，其中90以上为沥青以上为沥青路面。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。广泛应用。第13页/共90页一、研究背景一、研究背景融雪化冰道路监测利用导电沥青混凝土的机利用导电沥青混凝土的机敏特性来实

7、现对外部应力敏特性来实现对外部应力及其产生的应变，甚至内及其产生的应变，甚至内部结构损伤的自诊断。部结构损伤的自诊断。导电沥青混凝土良好的导导电沥青混凝土良好的导电性能使其在接通外部电电性能使其在接通外部电源后，电能转化为热能，源后，电能转化为热能，产生足够的热量使沥青路产生足够的热量使沥青路面升温，实现融雪化冰。面升温，实现融雪化冰。第14页/共90页一、研究背景一、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(25 wt.%)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

8、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10 wt.25 wt.。第15页/共90页一、研究背景一、研究背景第16页/共90页一、研究背景一、研究背景第17页/共90页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“ 第18页/共90页u 研究背景研究背景u 导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的制备u 导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的性能u 导电沥青混凝土的导电机理导电沥青

9、混凝土的导电机理u 导电沥青混凝土的机敏特性导电沥青混凝土的机敏特性提纲提纲第19页/共90页二、导电沥青混凝土的制备二、导电沥青混凝土的制备石墨石墨钢渣钢渣纤维纤维导电相优选导电相优选矿料级配矿料级配沥青用量沥青用量制备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，测定常规路用性能第20页/共90页二、导电沥青混凝土的制备二、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

10、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12，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至35。比重为1.92.3。比表面积范围集中在120m2/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。主要导电相材料。 第21页/共90页二、导电沥青混凝土的制备二、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

11、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、隐晶质石墨第22页/共90页二、导电沥青混凝土的制备二、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。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。第23页/共90页二、导电沥青混凝土

12、的制备二、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。善导电沥青混凝土的导电性能。性能性能数值数值比重 3.2 - 3.6密度, kg/m3 1600 - 1920孔隙率3%成成 分分含含 量量CaO40 - 52 SiO210 - 19FeO10 - 40MnO5 - 8MgO5 - 10Al2O31 - 3P2O50.5 - 1S150100蜡含量（蒸馏法）（%）1.72.2闪点（）308260密度（15）（g/cm3）1.033实测溶解度 %99.899.5RTFOT后质量变化

13、（）0.080.8残留针入度比（25）（）6661残留延度（10）（cm）12.16第31页/共90页二、导电沥青混凝土的制备二、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为石墨用量第32页/共90页二、导电沥青混凝土的制备二、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：0.50-200.020可调；

14、旋转速度：300.5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分钟第33页/共90页二、导电沥青混凝土的制备二、导电沥青混凝土的制备沥青加热至沥青加热至160；集料加热至；集料加热至170；拌锅升温至；拌锅升温至180添加纤维，拌合添加纤维，拌合90s；添加沥青，拌合添加沥青，拌合90s；添加石墨和矿粉，拌合添加石墨和矿粉，拌合90s控制混合料温度控制混合料温度140装模旋转成型装模旋转成

15、型标定旋转压实仪标定旋转压实仪脱模；编号脱模；编号试模加热至试模加热至105第34页/共90页u 研究背景研究背景u 导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的制备u 导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的性能u 导电沥青混凝土的导电机理导电沥青混凝土的导电机理u 导电沥青混凝土的机敏特性导电沥青混凝土的机敏特性提纲提纲第35页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、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导电性能导电沥青混凝土的路用性能导电沥青混凝土的路用性能第36页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的电学性能导电沥青混凝土的电学性能电阻率表征

16、了导体的导电性能，是材料的特征参数，其倒数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。是电导率。SRH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。第37页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、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

17、利 KEITHLEY最高的电流测量灵敏度110-17A；最高的电阻(率)直接测量能力510-17；测量范围：电流(10-1710-2A)； 电压(10-6102/104V)； 温度(-1901350)； 电阻(10-11017)； 电荷(10-1510-6C)； 湿度(0.3%100%)电阻率测定实验电阻率测定实验第38页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、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。第39页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、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%

18、。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。第40页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、导电沥青混凝土的性能第41页/共90页三、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

19、导电相材料。第42页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、导电沥青混凝土的性能全自动马歇尔稳定度仪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。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第43页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、导电沥青混凝土的性能10010MSMSMSMS

20、0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）浸水马歇尔实验浸水马歇尔实验第44页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、导电沥青混凝土的性能T 2T1TSRR/ R100%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 ）冻融劈裂实验冻融劈裂实验第45页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、导电沥青混凝土的性能间接拉伸实验动态蠕变实验UTM-25动态试验系统第46页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、导电沥青混凝土的性能动态蠕变实验动态蠕变实验动态蠕变：第一阶段，迁移期，蠕

21、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为抗车辙流值第47页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、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。第48页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、导电沥青混凝土的性能nfKN01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)

22、； 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：间接拉伸疲劳实验间接拉伸疲劳实验第49页/共90页三、导电沥青混凝土的性能三、导电沥青混凝土的性能nkNeat concrete3.2832887.1Concrete with 22% graphite4.8673593.1Concrete with 22% graphite+ 0.2% carbon fibers5.4506377.8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

23、性对于沥青路面设计是十分重要的。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。第50页/共90页提纲提纲u 研究背景研究背景u 导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的制备u 导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的性能u 导电沥青混凝土的导电机理导电沥青混凝土的导电机理u 导电沥青混凝土的机敏特性导电沥青混凝土的机敏特性第51页/共90页四、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

24、体系导电网络的形成及其导电行为。电导率与频率电导率与频率的依赖性的依赖性电导率对石墨电导率对石墨掺量的依赖性掺量的依赖性直流直流V-I特性特性第52页/共90页四、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tcPP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第53页/共90页四、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clglg PP 这

25、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1.62.0。第54页/共90页四、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pE / kTE/ kTpeeare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

26、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。第55页/共90页四、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1/3rP1/3apPe1/3lgP 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-

27、2.11.8，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。第56页/共90页四、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 在低石墨掺量（PPc）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（PPc）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

28、。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综合作用的结果第57页/共90页四、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。第58页/共90页四、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PPc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PPc时，导电粒子的间隙小于rc，电子难以穿过沥青膜

29、，相当于多个电容和一个电阻并联当PPc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第59页/共90页四、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RUIRCIUC0SCr1/3CISP1/ 222RCImInI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。第60页/共90页四、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第61页/共90页四、导电沥青混凝土的导电机理四、导电

30、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。第62页/共90页四、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 220A0B0rSEEj Ej exp1TKE隧道电流密度j(E)与导电粒子间隙大小

31、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。第63页/共90页四、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

32、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。第64页/共90页四、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第65页/共90页提纲提纲u 研究背景研究背景u 导电沥青混凝土的制备导电沥青混凝土的制备u 导电沥青混凝土的性能导电沥青混凝土的性能u 导电沥青混凝土的导电机理导电沥青混凝土的导电机理u 导电沥青混凝土的机敏特性导电沥青混凝土的机敏特性第66页/共90页导电沥青混凝土的机敏特性主要用于结构自诊断：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

33、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第67页/共90页导电沥青路面使用性能变化导电沥青路面使用性能变化导电沥青路面养护点导电沥青路面养护点传统沥青路面表观破坏养护点传统沥青路面表观破坏养护点使用性能使用性能使用年限使用年限10年年20年年30年年100%传统沥青路面使用性能变化传统沥青路面使用性能变化五、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

34、的无损检测技术。 第68页/共90页五、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现有的人工检测，通常在沥青路面性能指数下降到现有的人工检测，通常在沥青路面性能指数下降到7080%的时候才的时候才提出养护，即使恢复也只能停留在原有水平的提出养护，即使恢复也只能停留在原有水平的7080%之间。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。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在损伤的初期阶段就能

35、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。，使路面寿命得到大幅度地延长。第69页/共90页五、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空隙率对电阻率的影响第70页/共90页五、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21.93exp( /0.748)521.22yx6971exp( /2.48)2757.4yxexp( /)yAx BC其中，y为材料的电阻率；x为材料

36、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。一定的指数关系。15vol%石墨22.5vol%石墨从定性的角度来拟合出电阻率与空隙率之间的关系:第71页/共90页五、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温度对电阻率的影响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

37、的降低而减少。第72页/共90页五、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沥青的体积膨胀系数约为610-4 / ，其对导电粒子接触效应和，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。隧道效应所形成的导电网络的影响是最为直观的。第73页/共90页五、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在应变变

38、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。第74页/共90页五、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: 00pRR/ R 00kRR/ R导电沥青混凝上的机敏特性是指混凝土材料的电阻

39、随着应力产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。生的应变而发生变化的现象。第75页/共90页五、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76页/共90页五、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，形成了更多的导电通路，表现为输出电阻率急剧下降，此过 程的电阻率分数变化值约为70%； 第二阶段，沥青混凝土试件处于平稳变形阶段，这一过程大约占疲劳寿命 的80%时间（从1%82%），在此过程内，

40、沥青混凝土内部结构变化很 小，表现为电阻率变化也很小，总过程的电阻率变化值不超过10%； 第三阶段，由于沥青混凝土的微细裂缝逐渐发展，最终导致试件的完全破 坏和裂开，导电通路遭到严重破坏，表现为电阻率急剧增大，这一过程约 占疲劳寿命的20%时长，电阻率变化值超过50%。 第77页/共90页五、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当施加的荷载后，导电沥青混凝土的输出电阻率急剧增大，这是由于加载后沥青混凝土的结构受到荷载的扰动错位，并导致原来已经形成的导电通路错位，表现为电阻率急剧升高。但是继续碾压，由于追密作用导电沥青混凝土的电阻率在总体上又呈下降趋势。第78页/共90页五、导电

41、沥青混凝土的机敏特性五、导电沥青混凝土的机敏特性导电沥青混凝土车辙试件突然受到荷载作用，结构产生急剧的变化，导致电阻率迅速增加。随后，由于轮碾产生压密作用，导致电阻率下降，最后达到稳定状态（由于到达车辙深度时试件的厚度使到其导电网络没有完全破坏，所以电阻率没有显著的变化）。第79页/共90页五、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利用可同步进行CT扫描的导电沥青混凝土间接拉伸重复加、卸载实验，可探讨不同加、卸载阶段的损伤变量的计算方法，推导出损伤发展、演化方程和强度衰减的规律，为评价沥青混凝上受载后的损伤自诊断研究奠定了基础。第80页/共90页五、导电沥青混凝土的机敏特性五、导

42、电沥青混凝土的机敏特性为了进一步分析沥青混凝土细观结构损伤演化过程，对不同疲劳阶段图像进行了处理。利用WIT图像处理软件的K-meas法对图像进行分割处理，得到试件扫描表面空隙面积的变化，然后将此变化与电阻率变化对加载时间的关系曲线绘制成如下图所示：第81页/共90页五、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1、加载初期A-B段，空隙率下降，集料之间接触变得更加紧密，与之对应的是电阻率出现下降；2、加载中期C-D段，损伤开始出现，混合料内部空隙率逐渐增大，电阻率开始出现小幅增加；3、加载末期D-E段，微损伤逐渐发展扩大，出现较大开裂，混合料的空隙率急剧增大，导致试件遭到破坏，电阻率出现大幅度增加。研究表明，疲劳试验过程中混合料电阻率的变化就是由于空隙率变化研究表明，疲劳试验过程中混合料电阻率的变化就是由于空隙率变化所造成的。反之，通过研究疲劳过程中电阻率的变化情况，也可了解所造成的。反之，通过研究疲劳过程中电阻率的变化情况，也可了解混合料内部结构的变化情况，实现真正意义上的自诊断效果。混合料内部结构的变化情况，实现真