CN109574553A - 一种导电沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

一种导电沥青混合料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导电沥青混合料及其制备方法，其制备方法包括以下步骤：步骤1，对镀镍碳纤维进行剪切，得短切镀镍碳纤维；步骤2，将所述短切镀镍碳纤维加入沥青中，剪切搅拌，得沥青胶浆；步骤3，将磁铁矿石粉和矿粉混合均匀，得复合矿粉；步骤4，将集料拌和均匀，加入沥青胶浆并搅拌，加入复合矿粉，继续搅拌，得导电沥青混合料。本发明所得的导电沥青混合料具有较好的高低温性能和导电导热性能，满足在寒冷天气下对路面进行高效的除冰融雪，其制备方法简单，易操作实施。

Description

一种导电沥青混合料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程用材料领域，具体涉及一种导电沥青混合料及其制备方法。
背景技术
在冬季较低气温影响下，沥青混合料路面会产生收缩裂缝，尤其在一些高寒地区，低温开裂的现象更是严重。同时冬季的降雨降雪会使路面结冰，对人们的交通便利、生命财产等都带来了不可预估的影响和威胁。近年来，为了保障人们的生产、生活安全，对于如何快速有效地将路面的积雪、冰霜的快速有效的清除成为一项亟待解决的技术问题。
目前，国内大多数采用“撒盐法”对冰雪进行清除，但氯化纳、氯化钙等融雪剂在除冰雪的过程中，一方面破坏着路面结构，另一方面对于环境也有着严重的污染，同时效率也有待提高。融雪剂溶于水(雪)后，其冰点在零度下，如，氯化钠融雪剂溶于水后冰点在-10℃，氯化钙在-20℃左右，醋酸类可达-30℃左右。使用融雪剂后的积雪在融化后其盐类残留物，流入附近的农作物和树木，将会造成绿化植物大量死亡，甚至是毁灭性的；盐类融雪剂与沥青会产生化学反应，将大大降低沥青材料与砂石料的黏附，造成沥青从砂石料表面脱落，在行车荷载作用下对路面造成损坏，同时盐类遇水以后，会发生盐涨现象，又会造成道路路基破坏。因此，迫切需要开发一种新的沥青混合料来提高除冰雪效率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种导电沥青混合料及其制备方法，该导电沥青混合料具有较好的高低温性能和导电导热性能，满足在寒冷天气下对路面进行高效的除冰融雪，其制备方法简单，易操作实施。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)一种导电沥青混合料，包括以下原料：复合矿粉、集料、沥青和镀镍碳纤维。
优选的，所述复合矿粉包含磁铁矿石粉和矿粉。
优选的，所述镀镍碳纤维中碳纤维的长度为8.5-9.5mm。
优选的，所述镀镍碳纤维的质量为所述导电沥青混合料质量的0.25-0.35％。
优选的，所述沥青和镀镍碳纤维的总质量为所述复合矿粉和集料总质量的4.5-6.5％；所述复合矿粉的质量为所述集料总质量的5.0-6.0％。
优选的，所述复合矿粉中磁铁矿石粉和矿粉的质量比为1:1。
(二)一种导电沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维进行剪切，得短切镀镍碳纤维；
步骤2，将所述短切镀镍碳纤维加入沥青中，剪切搅拌，得沥青胶浆；
步骤3，将磁铁矿石粉和矿粉混合均匀，得复合矿粉；
步骤4，将集料拌和均匀，加入沥青胶浆并搅拌，加入复合矿粉，继续搅拌，得导电沥青混合料。
优选的，步骤2中，所述剪切搅拌的温度为150-160℃，剪切搅拌的时间为20-40min。
优选的，步骤4中，所述拌和的温度为150-160℃，拌和的时间为80-100s；搅拌的时间为110-130s，继续搅拌的时间为110-130s。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所得的导电沥青混合料具有较好的高低温性能和导电导热性能，通过添加镀镍碳纤维和磁铁石矿粉，可以显著提高沥青混合料的导电导热性能，进而满足在寒冷天气下对路面进行高效的除冰融雪，同时在一定程度上提高了沥青混合料的高温性能和低温性能。
本发明所得的导电沥青混合料在之后的路面坑槽、裂缝修补等养护工程、厂拌热再生技术中，对导电沥青混合料加热更为便利，减少了环境污染。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
一种导电沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维在室温下进行剪切，得9.0mm的短切镀镍碳纤维。
步骤2，将短切镀镍碳纤维加入的SK#70沥青中，在155℃条件下剪切搅拌30min，得沥青胶浆；其中，镀镍碳纤维占导电沥青混合料质量的0.25％。
步骤3，对磁铁矿石Fe3O4进行破碎粉磨，得磁铁矿石粉，磁铁矿石粉的级配与矿粉的级配相同；将磁铁矿石粉和矿粉按质量比1:1混合均匀，得复合矿粉。
步骤4，在155℃条件下，将集料拌和90s，拌和至均匀，加入沥青胶浆并搅拌120s，加入复合矿粉并继续搅拌120s，得导电沥青混合料；其中，导电沥青混合料中的油石比为4.5％，即沥青和镀镍碳纤维的总质量占复合矿粉和集料总质量的4.5％，复合矿粉的质量占整个集料总质量的6％。
实施例2
一种导电沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维在室温下进行剪切，得8.5mm的短切镀镍碳纤维。
步骤2，将短切镀镍碳纤维加入的SK#70沥青中，在150℃条件下剪切搅拌20min，得沥青胶浆；其中，镀镍碳纤维占导电沥青混合料质量的0.30％。
步骤3，对磁铁矿石Fe3O4进行破碎粉磨，得磁铁矿石粉，磁铁矿石粉的级配与矿粉的级配相同；将磁铁矿石粉和矿粉按质量比1:1混合均匀，得复合矿粉。
步骤4，在150℃条件下，将集料拌和100s，拌和至均匀，加入沥青胶浆并搅拌110s，加入复合矿粉并继续搅拌130s，得导电沥青混合料；其中，导电沥青混合料中的油石比为4.5％，即沥青和镀镍碳纤维的总质量占复合矿粉和集料总质量的4.5％，复合矿粉的质量占整个集料总质量的6％。
实施例3
一种导电沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维在室温下进行剪切，得9.5mm的短切镀镍碳纤维。
步骤2，将短切镀镍碳纤维加入的SK#70沥青中，在160℃条件下剪切搅拌40min，得沥青胶浆；其中，镀镍碳纤维占导电沥青混合料质量的0.35％。
步骤3，对磁铁矿石Fe3O4进行破碎粉磨，得磁铁矿石粉，磁铁矿石粉的级配与矿粉的级配相同；将磁铁矿石粉和矿粉按质量比1:1混合均匀，得复合矿粉。
步骤4，在160℃条件下，将集料拌和80s，拌和至均匀，加入沥青胶浆并搅拌130s，加入复合矿粉并继续搅拌110s，得导电沥青混合料；其中，导电沥青混合料中的油石比为4.5％，即沥青和镀镍碳纤维的总质量占复合矿粉和集料总质量的4.5％，复合矿粉的质量占整个集料总质量的6％。
实施例4
一种导电沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维在室温下进行剪切，得9.0mm的短切镀镍碳纤维。
步骤2，将短切镀镍碳纤维加入的SK#70沥青中，在155℃条件下剪切搅拌20min，得沥青胶浆；其中，镀镍碳纤维占导电沥青混合料质量的0.25％。
步骤3，对磁铁矿石Fe3O4进行破碎粉磨，得磁铁矿石粉，磁铁矿石粉的级配与矿粉的级配相同；将磁铁矿石粉和矿粉按质量比1:1混合均匀，得复合矿粉。
步骤4，在155℃条件下，将集料拌和90s，拌和至均匀，加入沥青胶浆并搅拌120s，加入复合矿粉并继续搅拌120s，得导电沥青混合料；其中，导电沥青混合料中的油石比为5.0％，即沥青和镀镍碳纤维的总质量占复合矿粉和集料总质量的5.0％，复合矿粉的质量占整个集料总质量的6％。
实施例5
一种导电沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维在室温下进行剪切，得8.5mm的短切镀镍碳纤维。
步骤2，将短切镀镍碳纤维加入的SK#70沥青中，在160℃条件下剪切搅拌30min，得沥青胶浆；其中，镀镍碳纤维占导电沥青混合料质量的0.30％。
步骤3，对磁铁矿石Fe3O4进行破碎粉磨，得磁铁矿石粉，磁铁矿石粉的级配与矿粉的级配相同；将磁铁矿石粉和矿粉按质量比1:1混合均匀，得复合矿粉。
步骤4，在160℃条件下，将集料拌和80s，拌和至均匀，加入沥青胶浆并搅拌120s，加入复合矿粉并继续搅拌130s，得导电沥青混合料；其中，导电沥青混合料中的油石比为5.0％，即沥青和镀镍碳纤维的总质量占复合矿粉和集料总质量的5.0％，复合矿粉的质量占整个集料总质量的6％。
实施例6
一种导电沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维在室温下进行剪切，得9.5mm的短切镀镍碳纤维。
步骤2，将短切镀镍碳纤维加入的SK#70沥青中，在150℃条件下剪切搅拌40min，得沥青胶浆；其中，镀镍碳纤维占导电沥青混合料质量的0.35％。
步骤3，对磁铁矿石Fe3O4进行破碎粉磨，得磁铁矿石粉，磁铁矿石粉的级配与矿粉的级配相同；将磁铁矿石粉和矿粉按质量比1:1混合均匀，得复合矿粉。
步骤4，在150℃条件下，将集料拌和100s，拌和至均匀，加入沥青胶浆并搅拌110s，加入复合矿粉并继续搅拌120s，得导电沥青混合料；其中，导电沥青混合料中的油石比为6.5％，即沥青和镀镍碳纤维的总质量占复合矿粉和集料总质量的6.5％，复合矿粉的质量占整个集料总质量的6％。
实施例7
一种导电沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维在室温下进行剪切，得9.5mm的短切镀镍碳纤维。
步骤2，将短切镀镍碳纤维加入的SK#70沥青中，在150℃条件下剪切搅拌40min，得沥青胶浆；其中，镀镍碳纤维占导电沥青混合料质量的0.35％。
步骤3，对磁铁矿石Fe3O4进行破碎粉磨，得磁铁矿石粉，磁铁矿石粉的级配与矿粉的级配相同；将磁铁矿石粉和矿粉按质量比1:1混合均匀，得复合矿粉。
步骤4，在150℃条件下，将集料拌和100s，拌和至均匀，加入沥青胶浆并搅拌110s，加入复合矿粉并继续搅拌120s，得导电沥青混合料；其中，导电沥青混合料中的油石比为5.0％，即沥青和镀镍碳纤维的总质量占复合矿粉和集料总质量的5.0％，复合矿粉的质量占整个集料总质量的5％。
实施例8
一种导电沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维在室温下进行剪切，得9.0mm的短切镀镍碳纤维。
步骤2，将短切镀镍碳纤维加入的SK#70沥青中，在150℃条件下剪切搅拌30min，得沥青胶浆；其中，镀镍碳纤维占导电沥青混合料质量的0.30％。
步骤3，对磁铁矿石Fe3O4进行破碎粉磨，得磁铁矿石粉，磁铁矿石粉的级配与矿粉的级配相同；将磁铁矿石粉和矿粉按质量比1:1混合均匀，得复合矿粉。
步骤4，在150℃条件下，将集料拌和100s，拌和至均匀，加入沥青胶浆并搅拌110s，加入复合矿粉并继续搅拌120s，得导电沥青混合料；其中，导电沥青混合料中的油石比为5.0％，即沥青和镀镍碳纤维的总质量占复合矿粉和集料总质量的5.0％，复合矿粉的质量占整个集料总质量的5.5％。
对比例1
一种沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
将SK#70基质沥青以4.5％的油石比拌和沥青混合料，其中普通矿粉占整个集料质量的6％。
对比例2
一种含复合式矿粉的沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对磁铁矿石Fe3O4进行破碎粉磨，得磁铁矿石粉，磁铁矿石粉的级配与矿粉的级配相同；将磁铁矿石粉和矿粉按质量比1:1混合均匀，得复合矿粉。
步骤2，在150℃条件下，将集料、SK#70基质沥青和复合矿粉拌和均匀，得含复合式矿粉的沥青混合料；其中，含复合式矿粉的沥青混合料的油石比为4.5％，复合式矿粉的质量占整个集料质量的6％。
以上实施例中，镀镍碳纤维为上海力硕复合材料科技有限公司生产的镀镍碳纤维；导电沥青混合料的级配为AC-13。
本发明中，为了保证导电沥青混合料中的镀镍碳纤维在其中有较好的分散，同时避免因镀镍碳纤维和集料在没有沥青的情况下拌和时产生静电而导致团聚，所以先将集料搅拌均匀，然后加入沥青和镀镍碳纤维拌和后的沥青胶浆，镀镍碳纤维在沥青的润滑作用下比较均匀地分散在沥青混合料中，制备的试件表面颗粒剥落很少。
依据量子力学隧道效应理论，复合材料的导电现象归咎于两个原因：a)复合材料粒子之间相互接触形成导电通路；b)镀镍碳纤维、磁铁矿石粉等粒子的电子处于热震动的条件下，会在其粒子空隙之间发生电子的迁移。本发明的导电沥青混合料导电的原因主要有以下几点：
(1)部分镀镍碳纤维粒子之间相互接触，碳纤维和镍金属中的电子会发生迁移，形成导电通路。
(2)部分磁铁矿石Fe3O4粉与镀镍碳纤维之间有电流产生，形成通路。
(3)镀镍碳纤维粒子和磁铁矿石Fe3O4粉在电场或其他场的作用下吸收足够的能量，粒子中的电子进而越迁粒子之间的空隙，形成导电电流。
将实施例1-3所得的导电沥青混合料和对比例1-2所得的沥青混合料分别按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0703-2011，采用轮碾成型方法成型车辙板试件，然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》
T0719-2011和T0715-2011分别进行车辙板试样的混合料车辙试验与弯曲试验，具体试验结果如表1所示。
表1车辙试验与弯曲试验结果
试验 动稳定度(次/mm) 最大弯拉应变(με)
实施例1 5243 4079
实施例2 6119 4651
实施例3 6751 5173
对比例1 3948 2398.5
对比例2 3961 2803.5
由表1可知，实施例1-3所得的导电沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性均满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中关于沥青混合料路用性能的相关要求。且实施例1-3所得的导电沥青混合料的动稳定度和最大弯拉应变均明显高于对比例1所得的沥青混合料的动稳定度和最大弯拉应变，表明在沥青混合料中添加镀镍碳纤维和复合式矿粉，能显著提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性。这是由于在沥青混合料中加入镀镍碳纤维，由于其纤维的桥接和加筋作用，从而改善老化后沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性等路用性能。
由表1可知，对比例2所得的含复合式矿粉的沥青混合料均满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中关于沥青混合料路用性能的相关要求。对比例2的动稳定度和对比例1的动稳定度相差不大，对比例2的最大弯拉应变明显高于对比例1的最大弯拉应变，表明本发明所得的含复合式矿粉的沥青混合料中添加的复合矿粉对沥青混合料的高温性能几乎没有影响，但对沥青混合料的低温性能有所增益。且实施例1-3的动稳定度和最大弯拉应变明显高于对比例2的动稳定度和最大弯拉应变，表明本发明所得的导电沥青混合料中添加的镀镍碳纤维能显著提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性。
将实施例4-6所得的导电沥青混合料分别按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0702-2011法成型标准马歇尔试件，采用二电极法，并采用万用表来测量其电阻率，通过电阻率来反应沥青混合料的导电导热特性，试验结果如表2所示。
表2电阻率试验结果
试验 电阻率ρ(Ω·m)
实施例4 97
实施例5 8.6
实施例6 2.1
对比例1 10<sup>7</sup>-10<sup>9</sup>
对比例2 10<sup>5</sup>-10<sup>7</sup>
由表2可知，实施例4-6的电阻率明显低于对比例1的电阻率，表明本发明所得的导电沥青混合料具有较好的导电性，这是由于将镀镍碳纤维加入沥青混合料中，可极大地降低混合料的电阻率，使本发明所得的导电沥青混合料应用于寒冷天气、地区的路面上，更有利于提高冰雪的去除效率。
由表2可知，对比例1和对比例2的电阻率基本没有变化，这是由于将复合矿粉加入到沥青混合料中，沥青包裹住磁铁矿粉导致其基本不导电或者导电能力较弱。本发明的导电沥青混合料中利用磁铁矿石粉对微波的吸收可转化为热能，导电性能基本没有提高或提高幅度较小；碳纤维的吸收微波的能力也较强，所以两者对于微波吸收(主要是碳纤维)的叠加，可以在日后道路养护和沥青混合料的回收再利用方面有着较大的优势。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种导电沥青混合料，其特征在于，包括以下原料：复合矿粉、集料、沥青和镀镍碳纤维。
2.根据权利要求1所述的导电沥青混合料，其特征在于，所述复合矿粉包含磁铁矿石粉和矿粉。
3.根据权利要求1所述的导电沥青混合料，其特征在于，所述镀镍碳纤维中碳纤维的长度为8.5-9.5mm。
4.根据权利要求1所述的导电沥青混合料，其特征在于，所述镀镍碳纤维的质量为所述导电沥青混合料质量的0.25-0.35％。
5.根据权利要求1所述的导电沥青混合料，其特征在于，所述沥青和镀镍碳纤维的总质量为所述复合矿粉和集料总质量的4.5-6.5％；所述复合矿粉的质量为所述集料总质量的5.0-6.0％。
6.根据权利要求2所述的导电沥青混合料，其特征在于，所述复合矿粉中磁铁矿石粉和矿粉的质量比为1:1。
7.一种导电沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对镀镍碳纤维进行剪切，得短切镀镍碳纤维；
步骤2，将所述短切镀镍碳纤维加入沥青中，剪切搅拌，得沥青胶浆；
步骤3，将磁铁矿石粉和矿粉混合均匀，得复合矿粉；
步骤4，将集料拌和均匀，加入沥青胶浆并搅拌，加入复合矿粉，继续搅拌，得导电沥青混合料。
8.根据权利要求7所述的导电沥青混合料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述剪切搅拌的温度为150-160℃，剪切搅拌的时间为20-40min。
9.根据权利要求7所述的导电沥青混合料的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述拌和的温度为150-160℃，拌和的时间为80-100s；搅拌的时间为110-130s，继续搅拌的时间为110-130s。
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