CN1241862C - 导电沥青混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种导电沥青混凝土及其制备方法，该导电沥青混凝土由粗集料、细集料、矿粉填料和沥青及掺入量为混凝土量10%～20%wt的导电材料石墨粉组成。其制备方法是将170℃热态沥青加入石墨粉拌和均匀后，与加热到170℃的集料拌和，再加入矿粉填料拌和均匀，其击实成型采用马歇尔击实法两面各击75次，或者采用轮碾法成型，往返碾压16～20次，或者采用旋转压实法根据具体情况选择旋转压实次数。本发明在满足路用性能的基础上，改善了沥青路面的电学性能，适用于沥青路面冬季融雪化冰、路面损坏检测、公路交通智能化管理。

Description

导电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导电性能明显改善的材料及其制备方法，具体为导电沥青混凝土及其制备方法。
背景技术
目前沥青混凝土是由粗集料、细集料和填料经人工合理选择级配组成矿质混合料，与适量的沥青材料经拌和制成均匀混合料，在适宜的温度下压实后所得的具有一定强度和孔隙率的道路复合材料。
沥青是复杂的有机混合物，其电阻率一般为1011～1013Ω·m，而沥青混凝土的电阻率约为107～109Ω·m，两者均属于绝缘体材料。通过向沥青混凝土中加入导电相，如石墨粉、碳纤维、钢纤维等，可以改善沥青混凝土的导电性能，由此可制得电阻率为10～103Ω·m的导电沥青混凝土。导电沥青混凝土除了具有良好的力学和路用性能外，还可以具备以下新的功能：
1、利用热电效应在寒冷季节除冰化雪，提高道路桥梁在冬季的通行能力；
2、利用压阻特性实现对应力应变的监控；
3、利用温阻特性对温度变化和分布的进行监控；
总之，利用这些新的特性对结构安全性监控、冬季运行能力提高、病害早期诊断以及智能交通的发展有重要的意义。
在寒冷季节，路面因降雪而积雪结冰时，会给道路畅通和行车安全带来严重的影响，甚至造成道路和机场的关闭，给运输带来不便，为了保障交通畅通和安全，提高道路和机场的运营效益，必须采取措施清除路面积雪。通过改善沥青混凝土的导电性能，利用导电沥青混凝土的电热效应，可以对导电沥青混凝土路面进行加热，在提高其低温性能的同时，也将使路面冬季除冰雪工作更为简便。
压阻特性是指材料的电阻随着应力产生的应变而发生变化的现象。材料的压阻特性可以将其作为应变或应力传感器来加以应用。沥青混凝土的压阻特性是非常吸引人的，其可应用于桥梁的振动传感、公路的载荷传感等。与其它埋设传感器的智能材料相比，导电沥青混凝土不用在其内部埋设传感器就能传感自身的应变或应力而成为智能材料，其成本更低。导电沥青混凝土的传感体积大，整个结构均能传感。材料在发生破坏时会导致其电阻率的增加。材料的应变与破坏能够通过测定其电阻率的形式进行分析。因此材料在应力或应变环境下发生破坏的信息就可以及时获得，有利于材料早期破坏的自我诊断。导电沥青混凝土可以利用此功能对路面进行早期破坏的诊断，用以指导路面、桥面铺装层、机场道面等的养护和维修。
发明内容
本发明的目的是改善沥青混凝土的电学性能，使其满足其功能化、智能化发展的需要，提供一种导电沥青混凝土及其制备方法。该导电沥青混凝土既具有优异路用性能，同时具有良好电学性能。
实现本发明目的的技术方案是，一种导电沥青混凝土，它包含粗集料、细集料、矿粉填料和沥青，特点是还包含导电材料，所述的导电材料为石墨粉，石墨粉的掺入量为混凝土量的10％～20％wt。
所述的导电沥青混凝土的拌和采用三层次拌和，然后成型，具体步骤是：
(1)将170℃热态沥青加入石墨粉拌和均匀后，与加热到170℃的集料拌和90秒钟，再加入矿粉填料拌和90秒钟；
(2)采用马歇尔击实法成型，将导电沥青混凝土两面各击75次，或者采用轮碾法成型，往返碾压16～20次，或者采用旋转压实法根据具体情况选择旋转压实次数。
我们研究发现，导电石墨沥青混凝土的导电机理是：在未掺石墨的沥青混凝土中，集料间的接触所形成的导电通路起主要作用；在未达到石墨临界掺量前，石墨在集料间起桥梁作用，减少了集料间的接触电阻；在临界点附近，石墨粒子充分接近，形成隧道效应。此时，石墨的间隙电阻、石墨的间隙电容是主要影响因素；达到临界掺量后，石墨相接触形成导电通路网络，电阻率由导电填料接触电阻决定。掺碳纤维、钢纤维的沥青混凝土的导电机理与导电石墨沥青混凝土相似。
普通沥青混凝土是由粗集料、细集料和填料组成，而本导电沥青混凝土则由粗集料、细集料、填料和导电材料组成。当石墨粉的粒径小于0.075mm时，加入后影响沥青混合料的体积指标，使其路用性能恶化。在石墨导电沥青混凝土中，采用石墨粉代替部分矿粉填料，从而充分利用石墨导电性能和填充作用；而在碳纤维和钢纤维导电沥青混凝土中，依据普通沥青混凝土级配设计理论，将适量的碳纤维和钢纤维加入沥青混合料，可起到加筋和导电桥梁的作用。本发明采用沥青路面施工规范中(GB50092-96)规定的各种级配、Superpave12.5及SMA级配和导电填料设计出既具有优异路用性能，同时具有良好电学性能的导电沥青混凝土。
石墨掺量设计：石墨掺量低时，电阻率极大。随着石墨掺量的增加，粒子间接触增多，形成网状几率增大，导电性增加，且呈线性变化。当体系中的石墨掺量达到一个临界值时，体系中的电阻突然下降，变化幅度显著，然后随着导电填料的继续增加，电阻率变化平缓，如图2。利用AK-13A等级配设计石墨导电沥青混凝土时，首先通过不同石墨掺量的沥青混凝土的电阻率，确定其电阻率可达到1～100Ω·m时的石墨掺量。
沥青用量影响：当石墨导电粒子的加入量很少时，石墨导电粒子被沥青分开，沥青混凝土呈绝缘性；石墨导电粒子加入量渐渐增大时，石墨颗粒间的距离缩短，部分相互接触，沥青混凝土的出现导电性；当石墨用量增大到一定程度时，沥青混凝土表现出良好的导电性，此为石墨导电粒子相互接触形成通路的结果。不同的沥青用量的沥青混凝土的电阻率的测试结果如图3。
沥青用量优选首先经电学性能试验，满足要求后再经马歇尔稳定度试验、浸水马歇尔稳定度试验、车辙试验、冻融劈裂试验等检验，综合确定最佳沥青用量范围。
拌和与成型温度选择：掺入石墨后，沥青混凝土粘性增大，一般方法难拌和均匀，有必要提高其拌和与成形温度。导电沥青混凝土的拌和温度为：重交沥青170℃；成型温度为：重交沥青145～150℃。
本发明的有益效果是，可以改善沥青路面的电学性能，同时可以改善其路用性能，满足其在沥青路面冬季融雪化冰、路面损坏检测、公路交通智能化管理等方面应用要求。
附图说明
图1为导电石墨沥青混凝土的导电模型。
图2为石墨掺量与沥青混凝土的电阻率的关系图。
图3为沥青用量与沥青混凝土的电阻率的关系图。
图4为导电沥青混凝土制备工艺流程图。
图1中Rc-石墨接触电阻；Re-石墨电阻；Rg-石墨间隙电阻；Cg-石墨间隙电容。
具体实施方式
采用下述的原材料，按前述的制备方法，制备AC-10I导电沥青混凝土和Superpave12.5导电沥青混凝土，
原材料：1、石墨粉：结晶石墨和微晶石墨；
2、沥青：湖北省科氏重交沥青AH-70；
3、集料：京山玄武岩，最大粒径为19mm，分为19～9.5mm，9.5～4.75mm，4.75～2.36mm和小于2.36mm四种；
4、矿粉：亲水系数0.9，主要化学成分CaO51.5％，SiO21.76％。
实施例1
AC-10I导电沥青混凝土
表1AC-10I沥青混合料的合成级配设计
  孔径(mm)   9.5   4.75   2.36   1.18   0.6   0.3   0.15   0.075
  合成级配(％)   100.0   98.8   68.9   48.8   37.9   23.0   14.6   7.6
微晶石墨导电沥青混凝土：沥青用量7％，微晶石墨用量12％，电阻率为75.4Ω·m；结晶石墨导电沥青混凝土：沥青用量6.5％，结晶石墨用量4％，电阻率25.3Ω·m。
实施例2
Superpave12.5导电沥青混凝土
                                           表2 Superpave12.5沥青混合料的合成级配设计
  孔径(mm)   19   13.2   9.5   4.75   2.36   1.18   0.6   0.3   0.15   0.075
  合成级配(％)   100   96.9   76.7   49.5   32.7   23.3   18.3   13.6   10.8   7.4
微晶石墨导电沥青混凝土：沥青用量6.5％，微晶石墨用量10％，电阻率为63.2Ω·m；结晶石墨导电沥青混凝土：沥青用量6.2％，结晶石墨用量5％，电阻率10.5Ω·m。

Claims (2)

1、一种导电沥青混凝土，它包含粗集料、细集料、矿粉填料和沥青，其特征是还包含导电材料，所述的导电材料为石墨粉，石墨粉的掺入量为混凝土量的10％～20％wt。
2、权利要求1所述的导电沥青混凝土的制备方法，其特征是混凝土的拌和采用三层次拌和，然后成型，具体步骤是：
(1)将170℃热态沥青加入石墨粉拌和均匀后，与加热到170℃的集料拌和90秒钟，再加入矿粉填料拌和90秒钟；
(2)采用马歇尔击实法成型，将导电沥青混凝土两面各击75次，或者采用轮碾法成型，往返碾压16～20次，或者采用旋转压实法根据具体情况选择旋转压实次数。
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