葛 琪，遇道欣

(1.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.哈爾濱市道路橋梁工程處，黑龍江 哈爾濱 150010)

普通瀝青混凝土是典型的高度不良導(dǎo)體，其電阻率甚至可以超過1 000 Ω·cm[1]。在普通瀝青混凝土中摻加石墨、碳纖維、銅纖維等導(dǎo)電相材料，可以獲得具有良好導(dǎo)電性能的瀝青混凝土，且導(dǎo)電過程中伴隨著自發(fā)熱現(xiàn)象，可在路面清冰除雪作業(yè)中應(yīng)用。同時(shí)，也可以有效緩解公路或城市道路路面因降雪結(jié)冰而發(fā)生的交通堵塞等客觀問題[2]。

目前，道路工程研究人員嘗試了在瀝青路面中采用發(fā)熱線纜、發(fā)熱碳纖維等方法對(duì)瀝青路面加熱，但由于線纜類材料需埋設(shè)在瀝青路面中，其耐久性受到了外在環(huán)境的挑戰(zhàn)，后期使用耐久性不佳[3]。因此，有必要將瀝青路面中的某一結(jié)構(gòu)層轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電體，發(fā)揮與發(fā)熱線纜相同的功能，在持續(xù)電流輸入條件下使路面升溫，實(shí)現(xiàn)清除冰雪目的[4]。

在導(dǎo)電瀝青混凝土路面中，各導(dǎo)電相的摻量不僅會(huì)影響到路面材料的成本，同樣會(huì)影響到路面結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電效率[5]。鑒于各個(gè)區(qū)域道路由于所處環(huán)境溫度存在差異，在同樣電壓條件下對(duì)路面升高溫度的要求略有差別，因此，明確石墨、碳纖維、銅纖維等各個(gè)導(dǎo)電相的摻入量會(huì)對(duì)瀝青路面導(dǎo)電性能及路面升溫產(chǎn)生影響，對(duì)區(qū)域性導(dǎo)電瀝青路面的推廣應(yīng)用具有一定借鑒意義。

1 混凝土導(dǎo)電效率的影響因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

瀝青混凝土的導(dǎo)電效率主要通過電阻率來表征，因此，設(shè)計(jì)合理的電阻率采集測試方法，對(duì)不同材料組成的瀝青混凝土車轍試件，進(jìn)行電阻率檢測，進(jìn)而評(píng)定不同材質(zhì)組成對(duì)導(dǎo)電瀝青混合料導(dǎo)電特性的影響。

1.1 試件制作

為橫向?qū)Ρ葘?shí)測數(shù)據(jù)，同時(shí)便于試件的批量加工，因此選擇瀝青混合料車轍試件作為電阻率測定的試件形式，具體尺寸為直徑300 mm×300 mm×50 mm。

1.2 導(dǎo)電效率檢測方案

1.2.1 儀器設(shè)備

1)萬用表。日本三和(SANWA)數(shù)字萬用表CD800A，電阻的測量量程為400～40 MΩ，電阻的測量分辨率為0.1 Ω，主要用于測量瀝青混凝土車轍試件的電阻值。

2)瑞士PROCEQ RESIPOD混凝土電阻率測試儀。瑞士PROCEQ混凝土電阻率測試儀，是一款基于4電極法的4點(diǎn)探頭式混凝土材料表面電阻率檢測儀，主要對(duì)瀝青混凝土車轍試件的表面電阻值進(jìn)行無損檢測。

1.2.2 電阻率測定方案

電阻率是表征材質(zhì)導(dǎo)電效率的直觀物理量，在室內(nèi)試驗(yàn)過程中，往往采用電阻與構(gòu)件尺寸之間的換算方法獲得，進(jìn)而獲得構(gòu)件的電阻率，具體計(jì)算公式為

式中：ρ為電阻率，Ω·m;R為電阻，Ω;S為試件截面面積，m2;L為長度，m。

測定導(dǎo)電瀝青混凝土試件電阻率時(shí)，為精準(zhǔn)測得試件電阻數(shù)值，在試件側(cè)邊對(duì)稱位置用導(dǎo)電膠布粘貼紫銅片，并在銅片處用萬用筆測量兩銅片間的對(duì)應(yīng)電阻，經(jīng)過換算確定每一個(gè)試件的電阻率，電阻率的測定試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)電瀝青混凝土試件電阻測定方案示意圖

2 導(dǎo)電效率的影響因素試驗(yàn)結(jié)果分析

從原則上看，導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻率越低越有利于電流的傳導(dǎo)與發(fā)熱，因此，參考相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)條件[6]，設(shè)計(jì)導(dǎo)電瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層的目標(biāo)電阻率不大于1.0 Ω·m，并以此為目標(biāo)判斷導(dǎo)電瀝青混凝土石墨、碳纖維、銅纖維等各個(gè)導(dǎo)電相摻量對(duì)電阻率造成的影響。

2.1 石墨含量對(duì)導(dǎo)電效率的影響

采用不同體積摻量的石墨進(jìn)行比較對(duì)比，其中導(dǎo)電相材料碳纖維體積摻量為0.3%，碳纖維長度為4 mm，銅纖維體積摻量為1%，設(shè)計(jì)石墨的體積含量為5%、10%、15%、 20%、25%及30%，比較不同石墨含量對(duì)導(dǎo)電瀝青混凝土導(dǎo)電特性產(chǎn)生的影響。

經(jīng)過試驗(yàn)采樣，不同體積含量石墨的導(dǎo)電瀝青混凝土電阻值及電阻率分布情況如表1、圖2及圖3所示。

表1 不同石墨摻量電阻值檢測結(jié)果

圖2 不同石墨摻量下電阻變化情況

圖3 不同石墨摻量下電阻率變化情況

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)導(dǎo)電瀝青混凝土內(nèi)部的石墨摻量小于10%時(shí)，瀝青混凝土內(nèi)部電阻值較大，當(dāng)含量達(dá)到15%以上時(shí)，電阻值降低較為明顯，電阻率值也隨之降低，瀝青混凝土導(dǎo)電性明顯改善。但隨著石墨含量增加，石墨摻量分別為20%、25%、30%時(shí)，電阻率降低幅度趨緩，最小值0.77 Ω·m。

2.2 碳纖維對(duì)導(dǎo)電效率的影響

碳纖維具有良好的導(dǎo)電特性，同時(shí)碳纖維有較高的韌性，在土木工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。將碳纖維摻入到導(dǎo)電瀝青混凝土中，不僅可以發(fā)揮其導(dǎo)電性較好的特性，同時(shí)也可改善瀝青混凝土的路用性能。此次試驗(yàn)，分別取用體積摻量為0.2%、0.3%，0.4%，0.5%的碳纖維，并選取4 mm、6 mm、8 mm、10 mm等4種不同的碳纖維長度，石墨含量為20%，2 mm銅纖維含量為1%，評(píng)價(jià)碳纖維對(duì)瀝青混凝土導(dǎo)電特性的影響?，F(xiàn)場檢測結(jié)果如表2、圖4及圖5所示。

表2 碳纖維含量及參數(shù)對(duì)瀝青電阻率的影響 Ω·m

圖4 不同碳纖維長度對(duì)電阻率的影響

圖5 不同碳纖維摻量對(duì)電阻率的影響

從表2及圖4、圖5中可以發(fā)現(xiàn)，在石墨摻量為10%、銅纖維摻量為1%的條件下，瀝青混凝土導(dǎo)電率隨著碳纖維長度的增加而顯著降低，隨碳纖維摻量的增加也會(huì)顯著降低，但當(dāng)碳纖維含量超過0.5%之后，電阻率的降低程度已不明顯。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，碳纖維含量對(duì)電阻率產(chǎn)生的影響更為顯著，同時(shí)，隨著碳纖維長度的增加，實(shí)驗(yàn)室均勻分散性變差，易出現(xiàn)團(tuán)狀，對(duì)導(dǎo)電性造成影響。

2.3 銅纖維對(duì)導(dǎo)電效率的影響

銅具有良好的導(dǎo)電特性，同時(shí)本身具有一定韌性和抗拉性能，將銅纖維散布于導(dǎo)電瀝青混凝土中，將有效提高材料的導(dǎo)電性，同時(shí)鋼纖維作為骨架加筋結(jié)構(gòu)，能夠起到改善瀝青路面高低溫的穩(wěn)定性作用。本次試驗(yàn)選用黃銅纖維，直徑為60～80 μm，含油量<0.05%。為比較不同纖維長度對(duì)導(dǎo)電特性的影響，體積摻量分別取0.5%，1%，2%，纖維長度分別為2 mm，3 mm，4 mm的銅纖維進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析其對(duì)導(dǎo)電率的影響。在試件加工過程中，石墨摻量選用20%，4 mm長度碳纖維摻量選用0.3%。電阻率測試結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同銅纖維摻量對(duì)電阻率的影響

圖7 不同碳纖維長度對(duì)電阻率的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，銅纖維的摻入可有效改善瀝青混凝土導(dǎo)電特性，隨著銅纖維摻入量的增大，瀝青混凝土電阻率降低明顯，尤其銅纖維含量由0.5%增加到1%時(shí)，電阻率降低50%左右，后續(xù)隨著銅纖維數(shù)量的增加，降低幅度逐漸趨于緩和。同時(shí)，隨著銅纖維長度的增加，電阻率也逐漸降低。以摻入2.0%含量的銅纖維電阻率試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例， 4 mm銅纖維混凝土電阻率大約為2 mm銅纖維混凝土電阻率的60%。

3 結(jié) 論

本文在設(shè)計(jì)導(dǎo)電瀝青混凝土導(dǎo)電試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別研究了石墨含量、碳纖維含量及長度、銅纖維含量及長度等影響因素對(duì)瀝青混凝土導(dǎo)電性的影響，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

1)導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻率隨石墨含量的增加而明顯降低，當(dāng)石墨體積含量超過20%時(shí)，降低幅度不顯著；

2)導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻率隨著碳纖維、銅纖維含量的增加而降低，隨著碳纖維、銅纖維長度的增加而降低，與石墨類似，當(dāng)碳纖維、銅纖維含量增加到一定量級(jí)之后，改善效果衰減明顯；

3)經(jīng)試驗(yàn)分析，綜合考慮成本等其他因素，本文導(dǎo)電瀝青混凝土最佳導(dǎo)電相摻量為：石墨體積含量為20%；碳纖維體積含量為0.3%，碳纖維長度為8 mm；銅纖維體積含量為1%，銅纖維長度為4 mm。