王黎明　吳文杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150040)

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導(dǎo)電瀝青混合料拌合工序的優(yōu)化

王黎明吳文杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040)

通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)、車(chē)轍試驗(yàn)和低溫小梁彎曲試驗(yàn)，從電阻率、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性等方面，分析了拌合工序?qū)?dǎo)電瀝青混合料性能的影響，結(jié)果表明，簡(jiǎn)單的改變拌合工藝可提升導(dǎo)電瀝青混合料的綜合性能。

道路工程，導(dǎo)電瀝青混合料，拌合工序，碳纖維

以短切碳纖維為主要導(dǎo)電組分的導(dǎo)電瀝青混合料[1]在融雪化冰路面技術(shù)中，因?yàn)椴捎铆h(huán)保能源，可在不中斷交通的條件下進(jìn)行除雪工作，在眾多主動(dòng)除雪技術(shù)[2]中逐漸為學(xué)者與工程認(rèn)可。其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)就在于加入短切的聚丙烯腈碳纖維后可以在混合料中形成導(dǎo)電的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將本身可視為絕緣材料的瀝青混合料改變?yōu)檫m合作為發(fā)熱材料的導(dǎo)體，同時(shí)還能不同程度地增強(qiáng)瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能[3]。碳纖維單絲強(qiáng)度高，模量高，化學(xué)穩(wěn)定性好，并且耐高溫，預(yù)熱膨脹小，除了具備較好的導(dǎo)電性能外，其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能也迎合了融雪化冰路面的傳熱要求。

單位質(zhì)量的碳纖維中含有大量單絲，這就為在混合料中形成空間網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電通路提供了條件。根據(jù)程景[4]的研究，碳纖維的最佳摻量為0.1%，說(shuō)明低摻量的碳纖維就可以使瀝青混合料的電阻率降低到適合作為發(fā)熱材料的電阻率范圍，所以能否將少量碳纖維在瀝青混合料中均勻分散成為一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。在導(dǎo)電瀝青混合料生產(chǎn)工藝中，除了拌合時(shí)間，對(duì)纖維分散性影響較大的就是拌合工序。本文通過(guò)對(duì)不同拌合工序所制備的試件進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)濕拌工藝可以制備出性能更好的導(dǎo)電瀝青混合料。

1　試驗(yàn)材料

1.1碳纖維

本次試驗(yàn)使用的是無(wú)膠PAN(聚丙烯腈)基短切碳纖維，性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　聚丙烯腈短切碳纖維物理性能參數(shù)

短切碳纖維是由碳纖維長(zhǎng)絲短切而成，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、耐腐蝕、耐摩擦、碳纖維重量輕、耐高溫、膨脹系數(shù)小、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，在碳纖維混合到瀝青中可以利用碳纖維相互搭接形成導(dǎo)電通路。碳纖維不僅可以改善導(dǎo)電性，且由于其單絲具有的柔韌性和較高的強(qiáng)度，在瀝青混合料成型的碾壓過(guò)程中或擊實(shí)過(guò)程中不會(huì)折斷和損壞；同時(shí)數(shù)量巨大的單絲會(huì)吸收游離瀝青成為結(jié)構(gòu)瀝青附著于單絲表面，利于提高混合料的各項(xiàng)性能。

1.2瀝青

本次試驗(yàn)采用90號(hào)基質(zhì)瀝青，其各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　90號(hào)瀝青參數(shù)

1.3導(dǎo)電瀝青混合料級(jí)配

本次試驗(yàn)采用AC-13C型級(jí)配，如表3所示。選擇當(dāng)?shù)厮a(chǎn)石灰?guī)r作為集料，石灰?guī)r礦粉作為填料。

表3　AC-13C級(jí)配設(shè)計(jì)

2　不同拌合工序的對(duì)比

選用碳纖維制備導(dǎo)電瀝青混合料，其投料工序可分為以下幾種：

前三種工序只變換了碳纖維投料的順序，可通稱(chēng)為干拌法。而在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)預(yù)先將碳纖維與瀝青形成膠漿后再同集料拌合的濕拌工藝可以使碳纖維分散更均勻：

為了探究每種工序的優(yōu)劣，以四種工序在相同試驗(yàn)條件與用量下制備試件，測(cè)試其性能。

2.1電阻率

以不同的工序制備馬歇爾試件(碳纖維摻量為0.1%，油石比為5.2%)，采用伏安法測(cè)試其電阻率大小，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，四種制備方法所得試件電阻率都在適合作為發(fā)熱材料電阻率范圍內(nèi)[5]。前兩種拌合工序所制備的試件得到的電阻率較大，并且有很大的離散性，不利于導(dǎo)電瀝青混合料的質(zhì)量控制，而后兩種電阻率較小，且工序4雖然電阻率比工序3稍大，但是數(shù)據(jù)離散性很小，對(duì)于質(zhì)量控制有利。采用工序3制備的試件其中的碳纖維可以較均勻地分布在馬歇爾試件中，但仍存在少量未完全分散的碳纖維相互搭接形成了貫穿兩個(gè)測(cè)試界面的導(dǎo)電通路直接與電極接觸，即使通路數(shù)量較少也使得測(cè)得的電阻值偏小。然而這表現(xiàn)出的偏小的電阻率并不能很好地服務(wù)于均勻發(fā)熱的目的，甚至可能導(dǎo)致電極之間的短路而其他局部斷路。這勢(shì)必會(huì)引起發(fā)熱路面在工作時(shí)局部路面積雪無(wú)法融化。而工序4濕拌法預(yù)先將碳纖維均勻分散到融化的高溫瀝青中，成束的碳纖維分散開(kāi)，以單絲狀態(tài)與瀝青混合形成更為均質(zhì)的體系后同集料拌合，取得了更均勻的分散效果，電阻率稍大但表現(xiàn)穩(wěn)定，利于質(zhì)量控制和整個(gè)導(dǎo)電瀝青混合料結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定發(fā)熱。

2.2水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)對(duì)比不同工序制得試件的水穩(wěn)定性，根據(jù)T 0709—2011的試驗(yàn)方法，將第一組試件在60 ℃水浴中30 min后測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度MS，第二組試件在60 ℃水浴中48 h后測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度MS1，以MS1與MS的比值MS0為殘留穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

加入適量纖維可以提升導(dǎo)電瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度[6，7]。由圖2可以看出，而采用工序4濕拌法制備的馬歇爾試件不僅強(qiáng)度有所增大，所測(cè)強(qiáng)度值離散性小，殘留穩(wěn)定度也比其他組更大，較之空白組更是有明顯提升。說(shuō)明更均勻分散的纖維填充了瀝青混合料的部分空隙，吸附游離的瀝青，形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青，降低了水對(duì)混合料的損害，不僅提升了混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，對(duì)于水穩(wěn)定性也有所增強(qiáng)。

2.3高溫穩(wěn)定性

采用不同工序制備車(chē)轍試件，測(cè)試其動(dòng)穩(wěn)定度DS來(lái)探究拌合工序?qū)Ω邷匦阅艿挠绊?，結(jié)果如圖3所示。

纖維的加入可以提升瀝青混合料的高溫性能[8，9]。如圖3可知，高模高強(qiáng)的碳纖維對(duì)改善高溫性能的作用更為顯著。纖維單絲對(duì)混合料中的集料具有握裹作用，使集料的骨架作用更加明顯，更多結(jié)構(gòu)瀝青增加了混合料抵抗變形的能力，纖維絲可以傳遞應(yīng)力并起到了加筋的作用，減少了混合料的變形，所以混合料整體的抗車(chē)轍能力變強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性得以提高。但這都是以碳纖維均勻分散為前提，所以前三種工序制備的試件動(dòng)穩(wěn)定度略低于工序4。

2.4低溫抗裂性能

導(dǎo)電瀝青混合料主要在冬季降雪多溫度低的地區(qū)使用，所以應(yīng)當(dāng)具備良好的低溫性能。采用低溫小梁試驗(yàn)T 0715—2011檢驗(yàn)不同工序所制試件的低溫抗裂性能，結(jié)果如表4所示。

表4　拌合工序?qū)Φ蜏乜沽研阅艿挠绊?/p>

如表4可以發(fā)現(xiàn)，適量的纖維摻入瀝青混合料中可以改善混合料的低溫抗裂性能。碳纖維增加了混合料的整體韌性，減少和阻滯了裂縫的產(chǎn)生，并且傳遞和分散了部分外界應(yīng)力，使彎曲勁度模量變小，有利于抵抗外力作用和變形。而這些作用在纖維分散越均勻的情況下表現(xiàn)越顯著，所以工序4試件的各項(xiàng)低溫抗裂性能指標(biāo)都優(yōu)于其他組。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上不同拌合工序下所制備試件所做的各項(xiàng)性能對(duì)比，可得到以下結(jié)論：

1)碳纖維的加入可以不同程度提升瀝青混合料的各項(xiàng)性能，但是唯有纖維在瀝青混合料中均勻分散才能使之更好地發(fā)揮作用。2)采用工序4濕拌法來(lái)制備導(dǎo)電瀝青混合料，可以使碳纖維分散得更均勻，對(duì)于電阻率與質(zhì)量的穩(wěn)定性控制都更加有利，濕拌法可以制備出性能更優(yōu)秀的導(dǎo)電瀝青混合料。

[1]吳少鵬,磨煉同,水中和,等.導(dǎo)電瀝青混凝土的制備研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2002,26(5):567-570.

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Optimization of conductive asphalt mixing processes

Wang LimingWu Wenjie

(School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China)

From the electrical resistance, water stability, high-temperature stability, and low-temperature crack-resistance, the paper analyzes the influence of the mixing procedure on the conductive asphalt mixing process by the immersion Marshall test, wheel rutting test, and low-temperature small beam bending test, and proves by the result that the simply altered mixing craft can improve the comprehensive performance of the conductive asphalt mixture.

road project, conductive asphalt mixture, mixing procedure, carbon fiber

1009-6825(2016)25-0112-02

2016-06-24

王黎明(1975- )，男，博士，副教授；吳文杰(1991- )，男，在讀碩士

TU535

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