长沙理工大学学生课外科技项目
中期检查报告书
课题名称： 课题负责人： 所在学院： 填报日期：
导电式沥青混凝土材料研究 王泽林 交通运输工程学院 2013-5-15
本项目主要探讨和分析融冰化雪用导电沥青混凝土路面的结构，提出利用复合技术和协同效应制备导电层沥青混凝土的方法和性能控制指标，设计掺有融雪剂的新型罩面层，构建具有隔热作用的沥青路面粘结层。通过本项目的实施，总结导电式沥青混凝土的制备技术、各项材料成分比例指标，并对其路用性能等进行分析研究，希望对沥青路面融冰化雪相关问题，起到一定的指导作用。 本项目大致分为四个主要模块： (1) 了解项目国内外研究现状 (2) 确定最佳油石比 (3) 确定最佳碳纤维含量 (4)进行进行导电式沥青的路用性能试验，并对上述成果进行校正。 一、研究工作主要进展和结果 1 了解项目国内外研究现状 传统的混合料电阻率高达 106~1012Ω·m，属于电的不良导体，但通过往里掺加导电组分，可以使不良导体的混合料改善成具有较好导电性能的导体。一般符合实际融雪化冰需求的电阻率为 1~100Ω·m。综合目前的研究成果，导电沥青混凝土按导电掺料一般可以分为三类：一类是焦炭类，导电组分为石墨、炭黑等；第二类为金属类，导电组分为钢纤维、钢渣等；第三类是有机纤维类，导电组分为碳纤维等。早在 1968 年，美国联邦航空局与超级石墨公司共同研制出石墨改性沥青混合料，通过掺入石墨，提高沥青混合料的导电性能，用于机场道面的通电发热除雪化冰，但没有达到预期的效果。1990 年，超级石墨公司又重新资助该项目的研究，新泽西等几个州计划在高速公路和机场上应用该技术。1971 年 Minsk在沥青混合料中掺加体积百分比（导电相材料体积占沥青体积百分比，以下同）22%的石墨获得了电阻率在 0.0254~0.127Ω·m，获得了较好除冰效果的石墨导电沥青混凝2004 年武汉理工大学磨炼同在沥青混合料中掺加体积百分比为 22%的石墨制备 CAC，其电阻率在 102Ω·m 以内，高温稳定性、水稳定性、低温稳定性符合规范要求，但与零掺量性能相比均有所下降。2009 年吕林女等采用导电性能良好的钢渣部分替代 SMA 中的集料并掺入石墨，制备成钢渣导电沥青混凝土，钢渣掺量 35%、46%，石墨掺量 25%，导电性能稳定且满足融雪化冰的要求，路用性能符合规范要求，但与未掺钢渣相比除水稳定性外都有所下降。石墨沥青混合料改善沥青混合料导电性能需要的掺量比较大，同时石墨比较脆，混合料力学性能受其影响有所下降，所以在工程实践中应用有限。钢纤维具有良好的导电性能，其电阻率为(1.33~2.44)×10-3Ω·m，也是一种良好的导电增强纤维。余芳等在 AC 级配沥青混合料中掺加 2%的钢纤维，车辙试验的动稳定度与零掺量沥青混凝土相比略有提高，高温稳定性改善效果不明显；提高了其低温
抗拉强度，具有较小刚度，低温稳定性效果较好；冻融劈裂强度比有所下降，水稳定性不佳。美国田纳西州立大学黄宝山教授的研究显示，在热拌沥青混合料中掺入少量的不锈钢钢纤维或碳纤维就可以显著改善其导电性能（掺入体积百分比为 1.3%左右的钢纤维可以实现电阻率 102Ω·m 内），其导电率可以控制在 1000Ω·m 以内，而需要掺入体积百分比大约 18%的石墨才能达到这样的效果。钢纤维或碳纤维的掺入略微提高沥青混合料的高温抗车辙性能和耐久性能，有着和素沥青混凝土相近的低温抗裂性能。掺入石墨将显著提高高温抗车辙性能，但低温抗裂性有所下降。 钢纤维作为沥青混凝土加强成分，具有高强度，耐高温、高弯曲弹性、高取向性等路用性能，它能改善沥青混凝土的热稳定性和低温抗裂性，对沥青路面的裂缝、松散有良好的抑制作用。但钢纤维在沥青混合料中的相容性较差，与沥青混合料粘附性比较弱，握裹沥青能力较低，从而导致其抗剥落能力相对有所下降。另外金属比沥青混凝土的耐磨性更好，一般到了路面寿命后期，路面将出现钢纤维凸出的现象，将对车辆轮胎造成非常严重磨损现象。同时，钢纤维价格相对比较昂贵，尤其是不锈钢纤维。因此，钢纤维沥青混凝土的发展有所。碳纤维具有重量轻、耐高温、耐腐蚀、膨胀系数小、比热容及导电介于非金属和金属之间，具有极好的纤度（描述纤维粗细的单位，用一定长度纤维的重量来表示，纤度越小，纤维越细）等特点，是理想的沥青混合料导电增强组分。碳纤维根据主要原料又可分为沥青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、粘胶碳纤维三类。2005 年 Wu等在热拌沥青混合料掺入体积百分比为 3.8%的碳纤维实现了160Ω·m 的电阻率，但缺陷是碳纤维在混合料中比较难分散均匀，造价昂贵。磨炼同的硕士论文中，单独掺加体积百分比为 7.5%的沥青基碳纤维可以使电阻率达到 2.5×102Ω·m，碳纤维的掺入提高了沥青混合料的劈裂强度，文中只把碳纤维作为石墨沥青混合料的增强剂，没有涉及碳纤维沥青混合料路用性能的系统研究。 综上所述，国内外在纤维沥青混合料、导电沥青混凝料方面已开展了较多的研究。但在导电纤维沥青混凝土方面的研究不多，尤其是 PAN 基碳纤维沥青混合料导电性能和路用性能的系统研究。导电性只是沥青混凝土功能化的一部分，如何在不影响沥青混凝土路用性能的前提下进行材料组成设计以实现绝缘—导电转变将是本项目研究的重点所在。 2 确定最佳油石比 沥青在导电沥青混凝土中起绝缘相作用，其所占的体积分数对导电性能影响很大，在导电相材料的含量一定时，增加油石比将引起电阻率升高。选取几组试件进行对比，以观察每一碳纤维含量下油石比对马歇尔试件性能的影响情况，确定每一碳纤维含量下的最佳油石比。 本项目依据碳纤维的掺入量（0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）将试验分为六组，每一组油石比从5%到7%，每隔0.5%百分比做三个试件进行试验。试验成果如下:
0%碳纤维 油石比 编号 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 料重ma(g) 1504.5 1500.5 1499.9 1505 1501 1496.9 1500.6 1494.8 1490.8 1492.8 容器重mb(g) 8277.4 8246.1 8277.4 8246.1 8277.4 8246.1 8277.4 8246.1 8277.4 8246.1 总重mc(g) 9173.2 9139.9 9166.4 9137.3 9160 9133.6 9161.1 9124.8 9150.7 9121.6 最大理论相对密度(g/cm3) 2.472 2.473 2.455 2.452 2.427 2.456 2.432 2.426 2.414 2.418 最大理论密度(g/cm3) 2.4 2.466 2.448 2.445 2.420 2.449 2.425 2.419 2.407 2.411 平均值(g/cm3) 2.465 2.446 2.435 2.422 2.409 4.50% 5.00% 5.50% 6.00% 6.50% 0.1%碳纤维 油石比 编号 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 料重ma(g) 1586.5 1594.1 1595.9 1600.1 1595.4 1599.5 1593.3 1595.2 1593.2 1595.1 容器重mb(g) 8258 82 8258 82 82 82 8258 82 8258 82 总重mc(g) 9213.2 9227.9 9214 9223 9213.1 9225 9202.5 9220.8 9204.8 9214.1 4.50% 5.00% 5.50% 6.00% 6.50% 最大理论相对密度(g/cm3) 2.513 2.530 2.494 2.496 2.469 2.505 2.456 2.499 2.465 2.473 最大理论密度(g/cm3) 2.506 2.522 2.487 2.4 2.461 2.498 2.449 2.492 2.458 2.466 平均值(g/cm3) 2.514 2.488 2.480 2.470 2.462 0.2%碳纤维 油石比 编号 1 2 1 2 1 2 1 2 料重ma(g) 14.1 1501.7 1465.9 1497.6 1498.4 1495.2 1497.9 1500.5 容器重mb(g) 8281.5 8250.2 8281.5 8250.2 8281.5 8250.2 8281.5 8250.2 总重mc(g) 9167.8 9144.3 9148.3 9136.3 91.4 9131 9161.8 9131.4 最大理论相对密度(g/cm3) 2.470 2.472 2.447 2.449 2.434 2.434 2.425 2.423 最大理论密度(g/cm3) 2.463 2.4 2.440 2.442 2.427 2.427 2.418 2.416 平均值(g/cm3) 2.4 2.441 2.427 2.417 5.00% 5.50% 6.00% 6.50%
7.00% 1 2 1499.2 8281.5 8250.2 9126.3 0.000 2.406 0.000 2.399 2.399 0.3%碳纤维 油石比 编号 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 料重ma(g) 1502.4 1499.2 1506.1 1503.8 1501.9 1498.4 1503.1 1502.7 1501.3 1503.1 容器重mb(g) 8281.5 8250.2 8281.5 8250.2 8281.5 8250.2 8281.5 8250.2 8281.5 8250.2 总重mc(g) 9173.5 9140.1 9169.8 9140.8 9163.5 9130.6 9160.1 9131.6 9158.2 9124.3 最大理论相对密度(g/cm3) 2.461 2.461 2.438 2.452 2.423 2.425 2.407 2.419 2.404 2.390 最大理论密度(g/cm3) 2.454 2.453 2.431 2.445 2.416 2.418 2.400 2.412 2.397 2.383 平均值(g/cm3) 2.454 2.438 2.417 2.406 2.390 5.00% 5.50% 6.00% 6.50% 7.00% 0.4%碳纤维 油石比 编号 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 料重ma(g) 1500.4 1504.1 容器重mb(g) 8281.5 8250.2 总重mc(g) 9169.1 9141 最大理论相对密度(g/cm3) 2.448 2.452 最大理论密度(g/cm3) 2.441 2.445 平均值(g/cm3) 2.443 2.427 2.406 2.399 2.367 5.00% 5.50% 6.00% 6.50% 7.00% 1503.3 1500.4 1502.7 1502.6 1499.9 1499.9 1500.6 8250.2 8281.5 8250.2 8281.5 8250.2 8281.5 8250.2 9135.8 9160.9 9132.1 9159.5 9126.9 9146.5 9121.6 2.434 2.416 2.421 2.406 2.407 2.362 2.385 2.427 2.409 2.414 2.399 2.400 2.356 2.378 0.5%碳纤维 油石比 编号 1 2 1 料重ma(g) 1515.5 1500 容器重mb(g) 8281.5 8246.1 总重mc(g) 9176.6 9132.1 最大理论相对密度(g/cm3) 2.443 2.443 最大理论密度(g/cm3) 2.436 2.436 平均值(g/cm3) 2.436 2.428 5.00% 5.50%
6.00% 6.50% 7.00% 2 1 2 1 2 1 2 1497.8 1498.2 1493.3 8250.2 8281.5 8277.4 9132.8 9163 9155.7 2.435 2.429 2.428 2.428 2.422 2.421 2.422 2.394 2.373 1505.2 1492.3 1491.9 8250.2 8281.5 8250.2 9128.4 9139.3 9122.3 2.401 2.352 2.407 2.394 2.345 2.400 经过相关数据处理和分析，本项目最终确定了每个碳纤维含量下的最佳油石比如下表所列: 碳纤维掺量 0% 0.10% 0.20% 0.30% 0.40% 0.50% 最佳油石比 5.22% 5.73% 5.91% 6.10% 6.26% 6.40% 密度ρ (g/cm3) 2.339 2.385 2.351 2.344 2.324 2.32 空隙率 VV （%） 4.245 3.73 3.348 3.076 3.112 3.258 矿料间隙率VMA （%） 15.634 16.413 16.22 16.299 16.55 16.952 沥青饱和度VFA （%） 72.857 77.274 79.361 81.133 81.198 79.974 稳定度 流值 FL MS （0.1mm） （kN） 14.58 33.43 16.145 39.69 16.575 41.4 16.845 43.41 13.247 44.13 12.573 44.48 3、确定最佳碳纤维含量 碳纤维的含量对于导电沥青混凝土电阻率的影响十分显著。根据电阻率变化的特点，可将曲线划分为3个区域：高阻区、突变区和低阻区。碳纤维含量低于0.3％时，沥青混凝土的电阻率与集料的电阻率处于同一数量级，此时沥青混凝土主要是靠集料形成的导电通路导电。随着碳纤维含量的增加，碳纤维更容易搭接，形成网状的几率增大，碳纤维导电通路开始起主导作用，当碳纤维含量达到一个临界值后，电阻率突然下降，变化幅度显著，从试验数据中可以看出，电阻率由约106Ω·ｃｍ 下降到约103Ω·ｃｍ。在低阻区，即碳纤维含量约为0.6%左右时，导电沥青混凝土的电阻率再次有小幅度的降低，主要是由于更高掺量的碳纤维仍是加入到已经形成的导电通路中，再形成新的导电通路的几率明显减小，而后随着碳纤维含量的增加，电阻率的变化趋于平缓。 试验结果如下面图标所示：
二、研究内容调整和变化 本项目暂无调整的内容。 三、未按计划完成研究内容及原因 由于未及时与试验室的老师联系，浸水马歇尔试验被迫推迟到下个阶段完成。 四、存在问题、建设及需要说明的情况 下半个阶段由于要进行最关键的性能试验，为取得最佳的试验成果，感觉本项目成员的协作配合能力还需加强。 课题负责人（签章）： 年 月 日
所在学院审查意见： 负责人：（公章） 年 月 日 校团委意见： 负责人：（公章） 年 月 日
