CN108164188B - 一种电热传导型沥青混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电热传导型沥青混凝土，其特征在于，由以下组份按照一定重量份原料配制而成：集料85‑95份，沥青4‑8份，矿粉2‑6份，金属纤维1‑3份，石墨烯1‑3份，橡胶粉2‑3份，丙烯酸树脂0.5‑1份。采用水浴恒温加热，金属纤维与石墨烯的自组装，实现金属纤维与石墨烯的活性基团的化学键连接，在沥青混凝土中形成相互相连的导电网络。该电热传导型沥青混凝土能够降低电阻率至100Ω·m以下。

Description

一种电热传导型沥青混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及沥青混凝土领域，具体涉及一种导电沥青混凝土。

背景技术

沥青混凝土，是人工选配具有一定级配组成的矿料，碎石或轧碎砾石、石屑或砂、矿粉等，与一定比例的路用沥青材料，在严格控制条件下拌制而成的混合料。普通的沥青混凝土，一般为热和电的不良导体。根据导电高分子理论基础需通过掺入适宜导电材料掺量，可望获得电热传导型的沥青混凝土。

导电导热沥青混凝土具备热和电的感知和转换能力，这就使得它具有特殊的功能。一方面，可以利用路用性能变化与其电阻变化之间的关系，对沥青混凝土内部的疲劳损伤进行判断，进而确定沥青混凝土路面的最佳养护时机；另一方面，可以利用其电阻性能，在路面两端施加安全电压，使导电沥青混凝土加热升温融化道路表面的冰雪，这种新型的除冰雪的方法，能够克服机械除雪以及盐碱除雪带来的不便和污染，并减少对路面本身的损伤。

导电沥青混凝土是一种新型的特种功能混凝土，具备热和电的感知和转换能力，是一种“功能”型材料导电沥青混凝土。目前现有技术中目前已对此种新型功能的沥青混凝土材料研究。中国专利CN106186836A公开一种导电型沥青混凝土，该沥青混凝土由以下重量份的组分组成：包括集料、矿粉、导电材料，所述导电材料为碳系导电材料、金属系导电材料、金属氧化物系导电材料或者复合导电材料中的一种或者几种组合。中国专利CN105439498A公开了一种具有导电性能的复合改性沥青混凝土由以下原料制成：矿料100份，沥青4.0～6.0份，聚硫化氮1～5份，聚苯乙炔0.1～0.9份，聚乙烯咔唑0.1～0.9份，铜纤维0.10～0.50份，稳定剂0.05～0.25份，偶联剂0.05～0.2份，分散剂0.05～0.2份；通过加入铜纤维热拌得到具有导电性能的复合改性沥青混凝土；同时沥青中掺入聚硫化氮，用导电聚合物改性沥青，既保证了沥青混凝土良好的路用性能，又提高了沥青混凝土的导电性能。中国专利CN107417173A公开了一种导电沥青混凝土，由以下质量份的原料制成：集料91～98份，矿粉填料2～9份，沥青3～8份，导电材料0.7～11份，3,4-二羟基肉桂酸0.01～2份，偶联剂0.01～2份，分散剂0.01～0.5份；首次应用纳米银溶液、镀银导电纱、黑钛粉混合组成的导电材料，提高导电性能，此外3,4-二羟基肉桂酸导电改善剂的协同作用大大提高了导电材料的导电性能。

目前现有技术中制备导电沥青混凝土，主要方法是加入导电纤维，如碳纤维，金属纤维。然而仅局限于加入单一状态的导电纤维等物质，纤维状物质在沥青混凝土制备过程中存在难以分散，最终得到的沥青混凝土产品也存在纤维状态不可控、电热传导性能提高有限的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种导电沥青混凝土，目的在于改善沥青混凝土的电学性能，该沥青混凝土既具有优异的路用性能，同时也具有良好的电、热传导性能。

本发明提供如下一种技术方案：

一种电热传导型沥青混凝土，其特征在于，由以下组份按照一定重量份原料配制而成：

集料85-95份，沥青4-8份，矿粉2-6份，金属纤维1-3份，石墨烯1-3份，橡胶粉2-3份，丙烯酸树脂0.5-1份。

在另一个实施方式中，所述沥青选自基质沥青、石油质沥青或SBS改性沥青的一种。

在另一个实施方式中，所述集料选自砂或碎石。

在另一个实施方式中，所述矿粉选自石灰石。

在另一个实施方式中，所述金属纤维选自铝纤维和/或铜纤维。

同时，本发明提供一种沥青混凝土的制备方法的技术方案：

一种电热传导型沥青混凝土的制备方法，其特征在于：

1)金属纤维-石墨烯复合导电物质的制备：将石墨烯原料加入乙醇溶剂中，搅拌并分散，得到均匀分散的石墨烯分散液；将金属纤维分散到石墨烯分散液，辅助超声分散，用氨水调节pH值为弱碱性，放入水浴中，80-100℃保温60-120min，得到混合均匀的悬浊物，干燥，得到前驱体；将前驱体置于真空炉中，在惰性气氛中，加热至800-1000℃，保温30-60min，得到金属纤维-石墨烯复合导电物质；

2)沥青改性：将沥青原料加热至160-185℃，加入步骤1)得到的金属纤维-石墨烯复合导电物质，混合均匀，加入剪切机中搅拌5-10min，得到改性沥青；

3)沥青混凝土的制备：加热集料至170-190℃，搅拌30s，将步骤2)得到的导电物质的沥青，加入集料，拌和30-60s，然后再加入剩余的原料搅拌90s，即可得到电热传导型沥青混凝土。

在另一个实施方式中，所述步骤1)中pH值为8-9.5。

在另一个实施方式中，所述步骤1)得到的金属纤维-石墨烯复合导电物质，可进一步进行包浆处理。

在另一个实施方式中，所述包装处理，是将金属纤维-石墨烯复合导电物质，置于含聚丙烯酸的树脂溶液中进行浸渍。

本发明技术方案中，利用水浴恒温反应，实现了金属纤维与石墨烯的自组装效应，得到的复合导电物质中，金属纤维与石墨烯中的活性基团，如羧基、羟基等含氧基团，通过化学键作用连接。因此，导电物质就在沥青混凝土产品中形成了相互连通的导电导热网络。

相比现有技术，本发明取得的实际技术效果有：

通过加入层状石墨烯，通过自组装作用，与导电纤维形成相互连接作用，可以控制沥青混合物中纤维的分散状态及分布形态，形成三维连通的导电网络。同时，石墨烯本身也是热和电的良导体，且具有润滑、分散的作用。本发明得到的沥青混凝土产品为电导体，电阻率能降至100Ω·m以下。

具体实施方式

为更好地说明本发明的原理及方案，对本发明技术方案涉及的各种物质以及制备步骤中各种参数做出以下详细解释。更具体的技术方案，可参见实施例方案。

本发明克服了现有技术中导电沥青混凝土单独添加导电纤存在电阻率过大，且纤维分散形态难以控制等不足，通过水浴恒温加热方法，实现了金属纤维与石墨烯复合物的自组装反应，石墨烯中大量的活性含氧基团，如羟基，羧基与金属纤维中的自由基产生化学键作用，相互作用地连接在一起。导电纤维也能够均匀地分散，不产生团聚。同时，该导电复合物能够在后期的沥青混凝土中形成连通的导电导热网络，有效地提高导电率。

实施例1

配置下列质量组成的原料：

集料90份，沥青5份，矿粉2份，铝纤维1份，石墨烯3份，橡胶粉2份，丙烯酸树脂0.5份。

其沥青混凝土具体的制备方法为：

1)铝纤维-石墨烯复合导电物质的制备：将石墨烯原料加入乙醇溶剂中，搅拌并分散，得到均匀分散的石墨烯分散液；将铝纤维分散到石墨烯分散液，辅助超声分散，用氨水调节pH值为弱碱性，放入水浴中，100℃保温60min，得到混合均匀的悬浊物，干燥，得到前驱体；将前驱体置于真空炉中，在惰性气氛中，加热至800℃，保温30min，得到铝纤维-石墨烯复合导电物质；

2)沥青改性：将沥青原料加热至165℃，加入步骤1)得到的铝纤维-石墨烯复合导电物质，混合均匀，加入剪切机中搅拌5min，得到改性沥青；

3)沥青混凝土的制备：加热集料至175℃，搅拌30s，将步骤2)得到的导电物质的沥青，加入集料，拌和30s，然后再加入剩余的原料搅拌90s，即可得到电热传导型沥青混凝土。

实施例2

配置下列质量组成的原料：

集料85份，沥青8份，矿粉2份，铜纤维2份，石墨烯3份，橡胶粉2.5份，丙烯酸树脂0.6份。

其沥青混凝土具体的制备方法为：

1)铜纤维-石墨烯复合导电物质的制备：将石墨烯原料加入乙醇溶剂中，搅拌并分散，得到均匀分散的石墨烯分散液；将铜纤维分散到石墨烯分散液，辅助超声分散，用氨水调节pH值为弱碱性，放入水浴中，80℃保温100min，得到混合均匀的悬浊物，干燥，得到前驱体；将前驱体置于真空炉中，在惰性气氛中，加热至1000℃，保温60min，得到铜纤维-石墨烯复合导电物质；

2)沥青改性：将沥青原料加热至180℃，加入步骤1)得到的铜纤维-石墨烯复合导电物质，混合均匀，加入剪切机中搅拌10min，得到改性沥青；

3)沥青混凝土的制备：加热集料至190℃，搅拌30s，将步骤2)得到的导电物质的沥青，加入集料，拌和60s，然后再加入剩余的原料搅拌90s，即可得到电热传导型沥青混凝土。

实施例3

配置下列质量组成的原料：

集料95份，沥青5份，矿粉2份，铜纤维1份，石墨烯1份，橡胶粉2份，丙烯酸树脂0.5份。

其沥青混凝土具体的制备方法为：

1)铜纤维-石墨烯复合导电物质的制备：将石墨烯原料加入乙醇溶剂中，搅拌并分散，得到均匀分散的石墨烯分散液；将铜纤维分散到石墨烯分散液，辅助超声分散，用氨水调节pH值为弱碱性，放入水浴中，90℃保温120min，得到混合均匀的悬浊物，干燥，得到前驱体；将前驱体置于真空炉中，在惰性气氛中，加热至900℃，保温50min，得到铜纤维-石墨烯复合导电物质；

2)沥青改性：将沥青原料加热至175℃，加入步骤1)得到的铜纤维-石墨烯复合导电物质，混合均匀，加入剪切机中搅拌5min，得到改性沥青；

3)沥青混凝土的制备：加热集料至190℃，搅拌30s，将步骤2)得到的导电物质的沥青，加入集料，拌和40s，然后再加入剩余的原料搅拌90s，即可得到电热传导型沥青混凝土。

实施例4

配置下列质量组成的原料：

集料93份，沥青7份，矿粉2份，铜纤维1份，石墨烯3份，橡胶粉2份，丙烯酸树脂0.5份。

其沥青混凝土具体的制备方法为：

1)铜纤维-石墨烯复合导电物质的制备：将石墨烯原料加入乙醇溶剂中，搅拌并分散，得到均匀分散的石墨烯分散液；将铜纤维分散到石墨烯分散液，辅助超声分散，用氨水调节pH值为弱碱性，放入水浴中，100℃保温120min，得到混合均匀的悬浊物，干燥，得到前驱体；将前驱体置于真空炉中，在惰性气氛中，加热至900℃，保温60min，得到铜纤维-石墨烯复合导电物质；

2)沥青改性：将沥青原料加热至175℃，加入步骤1)得到的铜纤维-石墨烯复合导电物质，混合均匀，加入剪切机中搅拌5min，得到改性沥青；

3)沥青混凝土的制备：加热集料至190℃，搅拌30s，将步骤2)得到的导电物质的沥青，加入集料，拌和30s，然后再加入剩余的原料搅拌90s，即可得到电热传导型沥青混凝土。

实施例5

配置下列质量组成的原料：

集料89份，沥青8份，矿粉6份，铝纤维3份，石墨烯3份，橡胶粉2份，丙烯酸树脂1份。

其沥青混凝土具体的制备方法为：

1)铝纤维-石墨烯复合导电物质的制备：将石墨烯原料加入乙醇溶剂中，搅拌并分散，得到均匀分散的石墨烯分散液；将铝纤维分散到石墨烯分散液，辅助超声分散，用氨水调节pH值为弱碱性，放入水浴中，100℃保温60min，得到混合均匀的悬浊物，干燥，得到前驱体；将前驱体置于真空炉中，在惰性气氛中，加热至1000℃，保温60min，得到铝纤维-石墨烯复合导电物质；

2)沥青改性：将沥青原料加热至170℃，加入步骤1)得到的铝纤维-石墨烯复合导电物质，混合均匀，加入剪切机中搅拌5min，得到改性沥青；

3)沥青混凝土的制备：加热集料至190℃，搅拌30s，将步骤2)得到的导电物质的沥青，加入集料，拌和50s，然后再加入剩余的原料搅拌90s，即可得到电热传导型沥青混凝土。

对比例1

不添加石墨烯，其余原料组成和组份都与实施例1相同，制备方法也相同。

对比例2

不添加石墨烯，其余原料组成和组份都与实施例2相同，制备方法也相同。

为了突出本发明电热传导型沥青混凝土良好的道路性能及导电性能，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJE20-2011)规定进行基本性能试验。同时，采用如下方法测试整块沥青混凝土材料的电阻率：

将电流源连到样品的两端。电压表的引线则按已知的距离放置。根据样品的横截面积和电压表引线之间的距离计算出电阻率：

其中：ρ＝以米·欧姆为单位的电阻率

V＝电压表测量的电压

I＝电流源电流

A＝以平方米为单位的样品的横截面积(w×t)

L＝以米为单位的电压表引线之间的距离

各实施例及对比例的测试数据如表1所示：

表1

由表1的测试数据可知，本发明的沥青混凝土的路用性能均能够满足于JTG F40-2004中相关规定的要求，且电阻远小于100Ω·m，远低于普通沥青混凝土的电阻率，为电热的良导体。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电热传导型沥青混凝土的制备方法，其特征在于，原料由以下组份按照一定重量份配制而成：集料85-95份，沥青5-8份，矿粉2-6份，金属纤维1-3份，石墨烯1-3份，橡胶粉2-3份，丙烯酸树脂0.5-1份；所述沥青选自基质沥青、石油质沥青或SBS改性沥青的一种；所述集料选自砂或碎石；矿粉选自石灰石；所述金属纤维选自铜纤维；

所述的电热传导型沥青混凝土的制备方法，其特征在于：

1)金属纤维-石墨烯复合导电物质的制备：将石墨烯原料加入乙醇溶剂中，搅拌并分散，得到均匀分散的石墨烯分散液；将金属纤维分散到石墨烯分散液，辅助超声分散，用氨水调节pH值为8-9.5，放入水浴中，80-100℃保温60-120min，得到混合均匀的悬浊物，干燥，得到前驱体；将前驱体置于真空炉中，在惰性气氛中，加热至800-1000℃，保温30-60min，得到金属纤维-石墨烯复合导电物质；

2)沥青改性：将沥青原料加热至160-180℃，加入步骤1)得到的金属纤维-石墨烯复合导电物质，混合均匀，加入剪切机中搅拌5-10min，得到改性沥青；

3)沥青混凝土的制备：加热集料至170-190℃，搅拌30s，将步骤2)得到的导电物质的沥青，加入集料，拌和30-60s，然后再加入剩余的原料搅拌90s，即可得到电热传导型沥青混凝土。

2.如权利要求1所述的电热传导型沥青混凝土的制备方法，其特征在于：

1)金属纤维-石墨烯复合导电物质的制备：将石墨烯原料加入乙醇溶剂中，搅拌并分散，得到均匀分散的石墨烯分散液；将金属纤维分散到石墨烯分散液，辅助超声分散，用氨水调节pH值为8-9.5，放入水浴中，80-100℃保温60-120min，得到混合均匀的悬浊物，干燥，得到前驱体；将前驱体置于真空炉中，在惰性气氛中，加热至800-1000℃，保温30-60min，得到金属纤维-石墨烯复合导电物质；进一步进行包浆处理：将金属纤维-石墨烯复合导电物质，置于含聚丙烯酸的树脂溶液中进行浸渍；

2)沥青改性：将沥青原料加热至160-180℃，加入步骤1)得到的金属纤维-石墨烯复合导电物质，混合均匀，加入剪切机中搅拌5-10min，得到改性沥青；

3)沥青混凝土的制备：加热集料至170-190℃，搅拌30s，将步骤2)得到的导电物质的沥青，加入集料，拌和30-60s，然后再加入剩余的原料搅拌90s，即可得到电热传导型沥青混凝土。