导电沥青混凝土

导电沥青混凝土吴少鹏武汉理工大学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石墨钢渣纤维导电相优选矿料级配沥青用量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。性能数值比重>3.2-3.6密度,kg/m3

1600-1920孔隙率﹥3%成分含量CaO40-52SiO210-19FeO10-40MnO5-8MgO5-10Al2O31-3P2O50.5-1S<0.1MetallicFe0.5-10二、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；ρc、ρa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ρl、ρc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Superpave12.5级配合成筛孔尺寸(mm)1912.59.54.752.361.180.60.30.150.075合成级配(%)100.095.677.349.529.721.715.710.57.95.7二、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试验项目试验结果技术要求针入度（25℃，5s，100g）（0.1mm）70.460~80软化点（环球法）（℃）46.5≥46延度（5cm/min、15℃）（cm）>150≥100蜡含量（蒸馏法）（%）1.7≤2.2闪点（℃）308≥260密度（15℃）（g/cm3）1.033实测溶解度%99.8≥99.5RTFOT后质量变化（％）0.08≤±0.8残留针入度比（25℃）（％）66≥61残留延度（10℃）（cm）12.1≥6二、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。ρ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5×10-17Ω；

测量范围：电流(10-17~10-2A)；电压(10-6~102/104V)；

温度(-190~1350℃)；

电阻(10-1~1017Ω)；

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UTM-25动态试验系统三、导电沥青混凝土的性能动态蠕变实验动态蠕变：第一阶段Ⅰ，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Ⅱ，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Ⅲ，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;

σ——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nkNeatconcrete3.2832887.1Concretewith

22%graphite4.8673593.1Concretewith

22%graphite+0.2%carbonfibers5.4506377.8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，lgσ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。λ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，δ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lgσ的变化范围为-2.1~1.8，表明隧穿电导σ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