傳導(dǎo)性瀝青混凝土導(dǎo)電瀝青混凝土

1、導(dǎo)電瀝青混凝土導(dǎo)電瀝青混凝土 傳導(dǎo)性瀝青混凝土傳導(dǎo)性瀝青混凝土 導(dǎo)電瀝青混凝土是在瀝青混合料中摻入適當(dāng)類型和適宜摻量的導(dǎo)電相材料， 使瀝青混凝土由絕緣材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢▽?dǎo)電能力的復(fù)合材料。 石墨 炭黑 碳纖維 鋼纖維 冶金渣 粉末導(dǎo)電相纖維導(dǎo)電相 集料導(dǎo)電相 前言前言 提綱提綱 u 研究背景研究背景 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的制備導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的性能導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 廣泛的應(yīng)用前景 導(dǎo)電混凝土 屏蔽無(wú)線電 干擾、防御 電磁波 金屬陰極保 護(hù)系統(tǒng)、接 地裝置 道路融

2、雪化 冰、建筑物 加熱 智能控制和 監(jiān)測(cè)、無(wú)損 檢測(cè) 一、研究背景一、研究背景 功能性 融雪化冰 清除法 機(jī)械設(shè)備鏟雪 人工清除 機(jī)械清除 吹雪機(jī)除雪 融化法 化學(xué)融化 熱融化 氯化物融雪劑 環(huán)保型融雪劑 紅外線加熱 導(dǎo)電混凝土法 電熱絲法 流體加熱法 一、研究背景一、研究背景 一、研究背景一、研究背景 融雪化冰方式類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 清除法 人工清除法除雪交徹底效率低、影響交通、浪費(fèi)人力 機(jī)械 清除法 機(jī)械設(shè)備 鏟雪 除雪面積大、速度快 清除不徹底、影響交通、設(shè)備昂貴且 閑置期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益差 吹風(fēng)機(jī) 除雪 除雪安全環(huán)保適用范圍小、機(jī)械需求量大、費(fèi)用高 融化法 化學(xué) 融化法 氯化物 融雪劑 材料來(lái)源

3、廣泛、 價(jià)格便宜 降低路面耐久性、污染環(huán)境 環(huán)保融雪劑環(huán)保、融雪較氯鹽快價(jià)格昂貴難以推廣 熱融化法 地?zé)峁芊?利用清潔能源、 綠色環(huán)保 融雪效率低，初期投資大 紅外線管 加熱 自動(dòng)融雪、易于控制 升溫過(guò)于遲緩且受外部風(fēng)向的影響大， 現(xiàn)已基本不用 電熱絲法 不需變壓器等服務(wù) 設(shè)施、加熱效果好 電熱絲易被行車荷載破壞，不易維修， 限制了其應(yīng)用 流體加熱法 利用自然熱水源或 太陽(yáng)能加熱、綠色環(huán)保 系統(tǒng)本身與安裝價(jià)格昂貴、換熱管道 易滲漏而影響加熱效果 導(dǎo)電混凝土法 綠色環(huán)保、 融雪及時(shí)、無(wú)需中斷交通 要消耗電能，適宜于在機(jī)場(chǎng)、橋面等 重要路段應(yīng)用 目前，世界各國(guó)主要通過(guò)撒鹽（NaCl、 CaCl2）

4、來(lái)實(shí)現(xiàn)融冰化雪。然而，撒鹽法給 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)和環(huán)境帶來(lái)了許多負(fù)面效應(yīng)。 世界上不少國(guó)家因使用除冰鹽，已造成道路、 橋梁的嚴(yán)重破壞，目前正在花費(fèi)巨額費(fèi)用進(jìn) 行修復(fù)，其經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。 一、研究背景一、研究背景 2003年，美國(guó)內(nèi)布拉斯加州道路管理局在Roca Spur Bridge上鋪筑完成了世 界上第一條用于融冰化雪的導(dǎo)電水泥混凝土橋面。在經(jīng)過(guò)5年的使用和跟蹤調(diào) 查之后，Christopher Y. Tuan等對(duì)各種融冰化雪方式的成本進(jìn)行了對(duì)比分析。 一、研究背景一、研究背景 結(jié)果表明：導(dǎo)電水泥混凝土初始建造成本為635/m2，使用時(shí)的能 源消耗為350W/m2，每場(chǎng)降雪的運(yùn)行成本為0.7

5、6/m2，設(shè)計(jì)使用壽命為 35年。導(dǎo)電混凝土在未來(lái)有潛力成為最經(jīng)濟(jì)有效的道路融冰化雪方式。 一、研究背景一、研究背景 一、研究背景一、研究背景 1989年，美國(guó)的D.D.L. Chung發(fā)現(xiàn)將一定形狀、尺寸 和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土材料中，電阻率變化與 加載成一定的近似比例關(guān)系，可以使混凝土材料具有自感 知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變，并且電阻率變化的部分 不可逆表明電阻率變化能夠反映材料結(jié)構(gòu)的損 傷程度的功能。 一、研究背景一、研究背景 導(dǎo)電水泥混凝土 導(dǎo)電瀝青混凝土 一、研究背景一、研究背景 在世界各國(guó)已建公路中，水泥混凝土路面所占比例逐漸縮小，瀝青路面 已占80以上；我國(guó)高速公路總里程已超過(guò)5.

6、3萬(wàn)公里，其中90以上為瀝青 路面。瀝青路面對(duì)于行車具有油耗低、噪音小、抗滑性好、車輛磨損小等優(yōu) 點(diǎn)，目前已在機(jī)場(chǎng)跑道、橋面鋪裝、高速公路、城市道面等主要道路中得到 廣泛應(yīng)用。 一、研究背景一、研究背景 融雪化冰 道路監(jiān)測(cè) 利用導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī) 敏特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部應(yīng)力 及其產(chǎn)生的應(yīng)變，甚至內(nèi) 部結(jié)構(gòu)損傷的自診斷。 導(dǎo)電瀝青混凝土良好的導(dǎo) 電性能使其在接通外部電 源后，電能轉(zhuǎn)化為熱能， 產(chǎn)生足夠的熱量使瀝青路 面升溫，實(shí)現(xiàn)融雪化冰。 一、研究背景一、研究背景 1968年，Mink首次報(bào)道了美國(guó)聯(lián)邦航空局與超級(jí)石墨公司共同研制的 石墨(25 wt.%)改性瀝青混凝土及其試驗(yàn)路情況：六個(gè)實(shí)驗(yàn)段在兩

7、個(gè)冬季表 現(xiàn)出了令人滿意的融冰化雪效果，但電學(xué)性能的不穩(wěn)定性（電阻率顯著增 加）制約了后期應(yīng)用。 1998年Zaleski公布了兩種不同石墨共同改性的導(dǎo)電瀝青混凝土專利， 其石墨摻量為10 wt.25 wt.。 一、研究背景一、研究背景 一、研究背景一、研究背景 新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃“結(jié)構(gòu)自診斷瀝青基復(fù)合材料” 一、研究背景一、研究背景 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目”融雪化冰用多相復(fù)合 導(dǎo)電瀝青混凝土的制備及服役行為研究“ 西部交通科技項(xiàng)目”融雪化冰用導(dǎo)電瀝青混凝土 橋面鋪裝技術(shù)研究“ u 研究背景研究背景 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的制備導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的性能導(dǎo)電瀝青混凝土的性能

8、u 導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 提綱提綱 二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 石墨 鋼渣 纖維 導(dǎo)電相優(yōu)選 礦料級(jí)配 瀝青用量 制備 根據(jù)級(jí)配理論與 組成原理設(shè)計(jì)集 料組成 根據(jù)擬合公式修正 體積性能，確定最 佳瀝青用量 根據(jù)配伍性與協(xié) 同效應(yīng)，針對(duì)導(dǎo) 電相的形狀特征 和導(dǎo)電率，調(diào)整 摻入方式和摻配 比例 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試 件，測(cè)定空隙率、 礦料間隙率和瀝 青飽和度 馬歇爾擊實(shí)和車 轍成型試件，測(cè) 定常規(guī)路用性能 二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，它的結(jié)晶格架為六邊形

9、層狀結(jié)構(gòu)。 每一網(wǎng)層間的距離為3.40埃，同一網(wǎng)層中碳原子的間距為1.42 埃。屬六方晶系，具完整的層狀解理。 石墨質(zhì)軟，黑灰色。硬度為12，沿垂直方向隨雜質(zhì)的增加 其硬度可增至35。比重為1.92.3。比表面積范圍集中在 120m2/g。 石墨對(duì)瀝青混凝土導(dǎo)電性能改善效果良好，可作為導(dǎo)電瀝青混凝土的 主要導(dǎo)電相材料。 二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍。導(dǎo)熱性超過(guò) 鋼、鐵、鉛等金屬材料。導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低。 石墨能夠?qū)щ?是因?yàn)槭忻總€(gè)碳原子與其他碳原子只形成3個(gè)共價(jià)鍵,每個(gè)碳原子 仍然保留1個(gè)自由電子來(lái)傳輸電荷。 根據(jù)

10、結(jié)晶形態(tài)不同，將天然石墨分為三類 : 1、致密結(jié)晶狀石墨 2、鱗片石墨 3、隱晶質(zhì)石墨 二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 纖維類導(dǎo)電材料在混凝土中的滲流閾值較低，少量纖維可明顯 改善導(dǎo)電粉末填充瀝青混凝土的導(dǎo)電性能。 碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量在90% 以上，是由人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨 化處理等工藝制成的，具有 耐高溫、耐磨、導(dǎo)電、導(dǎo)熱 及耐腐蝕等特性。 二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 鋼渣作為集料能顯著提高瀝青混凝土的路用性能，并且可以改 善導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電性能。 性能性能數(shù)值數(shù)值 比重 3.2 - 3.6 密

11、度, kg/m3 1600 - 1920 孔隙率3% 成成 分分含含 量量 CaO40 - 52 SiO210 - 19 FeO10 - 40 MnO5 - 8 MgO5 - 10 Al2O31 - 3 P2O50.5 - 1 S150100 蠟含量（蒸餾法）（%）1.72.2 閃點(diǎn)（）308260 密度（15）（g/cm3）1.033實(shí)測(cè) 溶解度 %99.899.5 RTFOT后 質(zhì)量變化（）0.080.8 殘留針入度比（25）（）6661 殘留延度（10）（cm）12.16 二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 導(dǎo)電相材料具有一定的吸油性, 有一部分瀝青被吸收到石墨的微孔中，

12、并不參與填充礦料間隙率 。石墨用量與最佳瀝青用量具有良好的線性 關(guān)系，應(yīng)用擬合公式修正體積性能后可采用Superpave指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià) 。 Y為最佳瀝青用量 X為石墨用量 二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 美國(guó)Troxler公司 4140-B旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀 單板機(jī)操作板控制，液壓加載； 壓實(shí)壓力：200-1000kpa可調(diào)； 旋轉(zhuǎn)角度：0.50-200.020可調(diào)； 旋轉(zhuǎn)速度：300.5轉(zhuǎn)/分鐘，固定； 旋轉(zhuǎn)次數(shù)：1-999次，可調(diào)； 模筒直徑：100mm，150mm可選； LD-168全自動(dòng)瀝青混合料拌合機(jī) 拌和容量：20升（導(dǎo)熱油加熱） 控溫范圍：常溫300 拌漿轉(zhuǎn)速：公轉(zhuǎn)47圈

13、/分 自轉(zhuǎn)76圈/分 控溫精度：3 控時(shí)范圍：0-100分鐘 二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備二、導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 瀝青加熱至160；集料加熱至170；拌鍋升溫至180 添加纖維，拌合90s； 添加瀝青，拌合90s； 添加石墨和礦粉，拌合90s 控制混合料溫度140 裝模旋轉(zhuǎn)成型 標(biāo)定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀 脫模；編號(hào) 試模加熱至105 u 研究背景研究背景 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的制備導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的性能導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 提綱提綱 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的

14、性能 導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電性能 導(dǎo)電瀝青混凝土的路用性能 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 導(dǎo)電瀝青混凝土的電學(xué)性能 電阻率表征了導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，是材料的特征參數(shù)，其倒數(shù) 是電導(dǎo)率。 S R H 導(dǎo)電性好的材料，電荷的載體主要存在于材料的內(nèi)部，電流也是通過(guò)材 料的內(nèi)部而流動(dòng)。而對(duì)導(dǎo)電性能差的材料，其表面電荷載體移動(dòng)所形成 的電流已不能忽略，為了區(qū)別材料內(nèi)部和表面的電流，分別將其稱為體 積電流和表面電流，相應(yīng)部位的導(dǎo)電能力分別以體積電阻率和表面電阻 率表征。這里所指的電阻率均為體積電阻率。 為試件的電阻率； R為試件的電阻； S為試件橫截面積； H為試件的高度。 三、導(dǎo)電瀝青混凝

15、土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 高阻計(jì),靜電計(jì)6517A 產(chǎn)地: 美國(guó) 廠商: 美國(guó)吉時(shí)利 KEITHLEY 最高的電流測(cè)量靈敏度110-17A； 最高的電阻(率)直接測(cè)量能力510-17； 測(cè)量范圍：電流(10-1710-2A)； 電壓(10-6102/104V)； 溫度(-1901350)； 電阻(10-11017)； 電荷(10-1510-6C)； 濕度(0.3%100%) 電阻率測(cè)定實(shí)驗(yàn) 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 1、石墨對(duì)瀝青混凝土導(dǎo)電性能的改善優(yōu)于炭黑。 2、石墨的臨界體積分?jǐn)?shù)為11.0%，由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電體。 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土

16、的性能 1、碳纖維單位體積改善效果最好，臨界體積摻量為5%。 2、摻加少量碳纖維可明顯改善導(dǎo)電粉末填充瀝青混凝土的導(dǎo)電性能。 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 2、碳纖維的體積臨界摻量最低，少量纖維可明顯改善導(dǎo)電性能。 通過(guò)降低石墨摻量，添加碳纖維，可以同時(shí)改善瀝青混凝土的 導(dǎo)電性能和路用性能。 3、炭黑、石墨和碳纖維在瀝青混凝土中的摻量受到自身物理化學(xué) 性能的制約。炭黑的吸油性、石墨的潤(rùn)滑性及碳纖維的分散性 分別限制了其在導(dǎo)電瀝青混凝土的應(yīng)用。 1、三種導(dǎo)電相材料的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明石墨單位體積對(duì)瀝青 混凝土導(dǎo)電性能改善效果

17、良好，可作為導(dǎo)電瀝青混凝土的主要 導(dǎo)電相材料。 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 全自動(dòng)馬歇爾穩(wěn)定度儀 HM-3000 主要技術(shù)指標(biāo): 最大加載25KN，精度0.01KN 加載速率50.8mm/min 主機(jī)具有存儲(chǔ)功能，可存貯250組試驗(yàn)數(shù)據(jù) 水損害是瀝青路面的主要病害之一，瀝青混合料的 抗水損害能力是決定路面水穩(wěn)定性的根本因素。 評(píng)價(jià)瀝青與礦料 的粘附性 評(píng)價(jià)瀝青混合 料水穩(wěn)定性 浸水馬歇爾試驗(yàn) 評(píng)價(jià)抗水 損害能力 凍融劈裂試驗(yàn) 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 100 1 0 MS MS MS MS0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度（%） MS1為試件浸水48h后的穩(wěn)

18、定度（kN） MS為試件的穩(wěn)定度（kN） 浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn) 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 T 2T1 TSRR/ R100% TSR為凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比（%） RT1為常規(guī)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度（Mpa） RT2為凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度（ Mpa ） 凍融劈裂實(shí)驗(yàn) 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 間接拉伸實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)蠕變實(shí)驗(yàn) UTM-25動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng) 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 動(dòng)態(tài)蠕變實(shí)驗(yàn) 動(dòng)態(tài)蠕變： 第一階段，遷移期，蠕變變形在 瞬間迅速增大，但應(yīng)變速率隨時(shí)間 迅速減?。?第二階段，穩(wěn)定期，蠕變變形呈 直線形穩(wěn)定度增長(zhǎng)，應(yīng)變速率保持 穩(wěn)

19、定，這是線性永久變形階段； 第三階段，破壞期，蠕變變形和 應(yīng)變速率均急劇增大，直至破壞。 K為車轍敏感因子，F(xiàn)n為抗車轍流值 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 摻加石墨降低了車轍敏感因子K，并且增加了抗車轍流值Fn，表明石墨增強(qiáng) 了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性；碳纖維降低了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。這與 常規(guī)車轍試驗(yàn)得出的結(jié)果相吻合。 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 n f KN 0 1 式中：Nf試件疲勞破壞時(shí)的重復(fù)荷載作用次數(shù); 施加的應(yīng)力(MPa)； K、n由試驗(yàn)確定的系數(shù)。 采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)，在應(yīng)力控制方 式下，瀝青混合料的疲勞壽命-應(yīng)力關(guān) 系可用經(jīng)典疲勞

20、方程來(lái)表征： 間接拉伸疲勞實(shí)驗(yàn) 三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 nk Neat concrete3.2832887.1 Concrete with 22% graphite4.8673593.1 Concrete with 22% graphite+ 0.2% carbon fibers 5.4506377.8 疲勞損傷是路面破壞的主要形式之一，研究瀝青混合料在一定的交通 和環(huán)境條件下的疲勞特性對(duì)于瀝青路面設(shè)計(jì)是十分重要的。 在應(yīng)力低于1.0Mpa時(shí)，導(dǎo)電瀝青混凝土 的疲勞壽命高于普通瀝青混凝土。 提綱提綱 u 研究背景研究背景 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的制備導(dǎo)電瀝青混凝土的制備

21、u 導(dǎo)電瀝青混凝土的性能導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 目前，解釋導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)制的有粒子接觸導(dǎo)電效應(yīng)， 電場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)，隧道效應(yīng)等。但沒(méi)有一個(gè)較為完善的、普遍適用的 導(dǎo)電機(jī)制來(lái)解釋體系導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成及其導(dǎo)電行為。 電導(dǎo)率與頻率 的依賴性 電導(dǎo)率對(duì)石墨摻 量的依賴性 直流V-I特性 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 t c PP 滲流理論常用于解釋無(wú)規(guī)則混合導(dǎo)電復(fù)合材料的絕緣-導(dǎo)電轉(zhuǎn)變過(guò)程。 隨著石墨摻量增

22、加，導(dǎo)電瀝青混凝土表現(xiàn)典型的滲流導(dǎo)電行為。 用最小二乘法擬合公式，可得到導(dǎo)電 瀝青混凝土的擬合結(jié)果為t=3.16， Pc=11.0%。由公式作出的滲流模型 關(guān)系如圖中曲線所示 電阻率與導(dǎo)電相材料的體積分?jǐn)?shù)滿 足如下關(guān)系 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 c lglg PP 這種高的臨界指數(shù)值，是與導(dǎo)電瀝 青混凝土負(fù)載體系的特征相關(guān)，石墨顆 粒無(wú)規(guī)則分布在瀝青中，特別是在Pc附 近，體系的電導(dǎo)顯然是由通過(guò)導(dǎo)電顆粒 間距很窄的絕緣層的隧穿機(jī)制所控制， 局部電導(dǎo)與顆粒間距和隧穿幾率有關(guān)， 因此具有一定的分布。 當(dāng)Pc=11.0%時(shí)，lg與lg（P-Pc）具有良好的線性關(guān) 系，

23、但臨界指數(shù)t值明顯高于標(biāo)準(zhǔn)格子滲流問(wèn)題的普適臨 界指數(shù)1.62.0。 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 在Pc附近，體系發(fā)生隧穿電導(dǎo)，隧穿 機(jī)制中電子遷躍幾率p為 p E / kT E/ kT pee ar e 電子躍過(guò)間隙的能力隨著間隙尺寸的減小而呈指數(shù)增大，間隙尺 寸與導(dǎo)電相的摻量有關(guān)。 為常數(shù)，T為樣品溫度，E 為躍遷能隙所需活化能，Ep 是越過(guò)壁壘的局部活化能， 為隧道因子， r為電子必須 穿過(guò)的空間距離。 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 1/3 rP 1/3 ap Pe 1/3 lgP 假設(shè)石墨粒子隨即分散于瀝青中，粒子間的 平均間隙

24、r與體積摻量P有如下關(guān)系 隧穿電導(dǎo)有兩個(gè)特征空間距離：電子穿過(guò)的最大空間距離rc和容易穿過(guò)的 空間距離r0 。導(dǎo)電瀝青混凝土中導(dǎo)電粒子間隙千差萬(wàn)別，當(dāng)間隙小于r0 時(shí)，其起到電子遷移捷徑的作用，對(duì)電導(dǎo)率貢獻(xiàn)最大，當(dāng)粒子間隙位于rc 和r0之間時(shí)，粒子間隙微小的變化均會(huì)引起電導(dǎo)率的顯著變化。 將11%18%代人公式，發(fā)現(xiàn)lg的變 化范圍為-2.11.8，表明隧穿電導(dǎo)隨 著P變化極為有限，只在Pc附近一個(gè)很 小的范圍產(chǎn)生。 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 在低石墨摻量（PPc）時(shí)，導(dǎo)電粒子接觸幾率極小且導(dǎo)電粒子 間隙大，電子難以躍遷，體系呈絕緣性； 在石墨摻量P接近Pc時(shí)

25、，導(dǎo)電粒子接觸幾率小，粒子間隙窄而產(chǎn) 生隧道效應(yīng)，局部粒子間的偶然接觸在小區(qū)域內(nèi)起電子遷移捷徑 的作用，但隧穿機(jī)制控制體系電導(dǎo)，表現(xiàn)出絕緣-導(dǎo)電急劇轉(zhuǎn)變； 在高摻量（PPc）時(shí)，導(dǎo)電粒子接觸幾率大，粒子接觸效應(yīng)起 主要作用，電子在由石墨粒子構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通路內(nèi)遷移，此時(shí) 滲流模型可解釋由粒子接觸效應(yīng)所組成的導(dǎo)電通路的形成與發(fā)展。 導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)制可看作是粒子接觸效應(yīng)和隧道效應(yīng) 綜合作用的結(jié)果 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 隨著石墨摻量增加，電導(dǎo) 率與頻率的依賴性減弱。 這種依賴性是不能用粒子 接觸電導(dǎo)來(lái)解釋的，證實(shí) 隧穿電導(dǎo)的存在。 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電

26、機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 可將導(dǎo)電瀝青混凝土在交變電場(chǎng)中的導(dǎo)電行為等效為電阻R和電容C 并聯(lián)的情形。 當(dāng)PPc時(shí)，導(dǎo)電粒子的間隙小于r0，電子 容易穿過(guò)瀝青膜，相當(dāng)于多個(gè)電阻和一個(gè)電 容并聯(lián) 當(dāng)PPc時(shí)，導(dǎo)電粒子的間隙小于rc，電 子難以穿過(guò)瀝青膜，相當(dāng)于多個(gè)電容和一 個(gè)電阻并聯(lián) 當(dāng)PPc時(shí)，導(dǎo)電粒子的間隙位于rc和r0之 間，相當(dāng)于幾個(gè)電阻和一個(gè)電容并聯(lián) 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 在頻率為的電場(chǎng)中，電路中m個(gè)電阻R和n個(gè)電容C并聯(lián)的情況 R U I R C IUC 0 S C r 1/3 C ISP 1/ 2 22 RC ImInI 在一定石墨摻量時(shí)，

27、頻率增大，IC增大， 但由于電阻R的導(dǎo)電捷徑作用，mIR遠(yuǎn)大 于nIC，IC增大對(duì)I貢獻(xiàn)不大，直至頻率足 夠大，nIC增大引起I增大，表現(xiàn)為電導(dǎo)率 與頻率的依賴性。 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 石墨摻量在臨界點(diǎn)附近時(shí) 電阻隨電壓增加而迅速減 小；增加石墨摻量，電阻 減小處于緩和。 高石墨摻量時(shí)顆粒間接觸幾率增加，石 墨顆粒間的相互接觸構(gòu)成了導(dǎo)電通路網(wǎng) 絡(luò)，接觸電導(dǎo)起主要作用，體系表現(xiàn)出 線性V-I特性。 當(dāng)石墨摻量為18.4%和 16.4%時(shí)，V與I具有線性 特性。而摻量為11.1%時(shí)， V與I表現(xiàn)為非線性

28、。 通電過(guò)程中，粒子間隙存在導(dǎo)電發(fā)熱和熱 傳導(dǎo)散熱過(guò)程。熱擾動(dòng)的加劇有助于提高 電導(dǎo)率；瀝青膨脹使得粒子間隙加大，造 成電導(dǎo)率下降。 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 2 2 0A 0 B0 rSEE j Ej exp1 TKE 隧道電流密度j(E)與導(dǎo)電粒子間隙大小和面積，溫度 和電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。 高電場(chǎng)強(qiáng)度誘發(fā)電子發(fā)射躍遷，在導(dǎo)電顆粒間隙大于rc時(shí) 誘發(fā)額外的導(dǎo)電通路。 粒子間的導(dǎo)電行為可看作是一個(gè)細(xì)小的電阻絲，過(guò)高的電流 會(huì)產(chǎn)生電阻絲熔斷效應(yīng)，造成導(dǎo)電率下降。 產(chǎn)生非線性V-I特性的根源是粒子間的非線性導(dǎo)電和高電場(chǎng)時(shí) 誘發(fā)額外的導(dǎo)電通路。 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)

29、理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 摻加少量短切纖維可明顯改善導(dǎo)電粉末填充瀝青混凝的導(dǎo)電性能。 在低摻量導(dǎo)電粉末的瀝青混凝土中，分布在瀝青混凝土中的導(dǎo)電粉末能 相互或只分開幾個(gè)原子直徑的距離形成一個(gè)三維空間網(wǎng)絡(luò)，但其摻量均 低于臨界摻量值，形成導(dǎo)電通路幾率小。具有較大長(zhǎng)徑比的纖維的摻入 沖破一些集料對(duì)導(dǎo)電鏈的阻隔，跨越集料連接導(dǎo)電鏈，促進(jìn)三維導(dǎo)電網(wǎng) 絡(luò)形成。纖維還可起到導(dǎo)電橋梁的作用、導(dǎo)電通路短接的作用。 四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 提綱提綱 u 研究背景研究背景 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的制備導(dǎo)電瀝青混凝土的制備 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的性能導(dǎo)電瀝青混凝土的性能 u 導(dǎo)電瀝青

30、混凝土的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理 u 導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性主要用于結(jié)構(gòu)自診斷：結(jié)構(gòu)自診斷導(dǎo)電瀝青 混凝土是將具有導(dǎo)電能力的瀝青混凝土作為結(jié)構(gòu)的一部分，在受到諸如 反復(fù)行車荷載、氣候環(huán)境等外部條件作用時(shí)，其應(yīng)力、應(yīng)變、疲勞裂紋 甚至老化等結(jié)構(gòu)損傷通過(guò)由于瀝青路面微觀結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的電學(xué)性能 的變化做出響應(yīng)。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 導(dǎo)電瀝青路面使用性能變化導(dǎo)電瀝青路面使用性能變化 導(dǎo)電瀝青路面養(yǎng)護(hù)點(diǎn)導(dǎo)電瀝青路面養(yǎng)護(hù)點(diǎn) 傳統(tǒng)瀝青路面表觀破壞養(yǎng)護(hù)點(diǎn)傳統(tǒng)瀝青路面表觀破壞養(yǎng)護(hù)點(diǎn) 使用性能使用性能 使用年限使用

31、年限 10年年20年年30年年 100% 傳統(tǒng)瀝青路面使用性能變化傳統(tǒng)瀝青路面使用性能變化 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 采用自診斷技術(shù)可以最大程度上保障路面的正常服役功能，減少養(yǎng)護(hù) 成本，是一種理想的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 現(xiàn)有的人工檢測(cè)，通常在瀝青路面性能指數(shù)下降到7080%的時(shí)候才 提出養(yǎng)護(hù)，即使恢復(fù)也只能停留在原有水平的7080%之間。 在養(yǎng)護(hù)點(diǎn)提出瀝青路面的養(yǎng)護(hù)方案，尋找最佳的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，可以大幅降 低養(yǎng)護(hù)成本，大幅度地延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。 在損傷的初期階段就能發(fā)現(xiàn)并提出解決方案，它將可以使路面的性能 指

32、數(shù)恢復(fù)到原有水平的90%100%，使路面壽命得到大幅度地延長(zhǎng)。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 電阻率隨著瀝青混凝土的空隙率的降低而逐漸下降。但是當(dāng)空隙 率下降到小于2.0%以后，電阻率變化幅度很小。 空隙率對(duì)電阻率的影響 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 21.93exp( /0.748)521.22yx 6971exp( /2.48)2757.4yx exp( /)yAx BC 其中，y為材料的電阻率；x為材料的空隙率；A為材料參數(shù)，它與 材料自身的導(dǎo)電性能有關(guān)；B為影響電阻率變化的影響因素，包括 有溫度、濕度等；C為常數(shù)。 導(dǎo)電瀝青混凝土

33、的電阻率隨著空隙率的變化很有規(guī)律，都遵從 一定的指數(shù)關(guān)系。 15vol%石墨 22.5vol%石墨 從定性的角度來(lái)擬合出電 阻率與空隙率之間的關(guān)系: 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 溫度對(duì)電阻率的影響 導(dǎo)電瀝青混凝土具有良好的溫敏特性，在升溫過(guò)程中，石墨導(dǎo)電瀝青混 凝土的電阻隨溫度的增加而增加，呈現(xiàn)為PTC效應(yīng)；在降溫過(guò)程中，石 墨導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻隨著溫度的降低而減少。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 1、對(duì)于導(dǎo)電粒子接觸效應(yīng)，溫度增高，瀝青的體積膨脹將使一 些原本相互接觸的導(dǎo)電粒子斷開，引起導(dǎo)電通路斷路。 2、對(duì)于隧道效應(yīng)，瀝青的體積膨

34、脹將使導(dǎo)電粒子間隙增大，電 子的躍遷能力隨著間隙的增大而呈指數(shù)減小，同時(shí)一些間隙增大 后也可能形成斷路。 瀝青的體積膨脹系數(shù)約為610-4 / ，其對(duì)導(dǎo)電粒子接觸效應(yīng)和隧 道效應(yīng)所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的影響是最為直觀的。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 在應(yīng)變變化的過(guò)程中，電阻率變化呈現(xiàn)負(fù)壓阻效應(yīng)，隨著荷載的增加 而下降，卸載后基本能回到初始狀態(tài)。電阻率的變化頻率和加載的頻 率是一致的，就是說(shuō)電阻率對(duì)每個(gè)循環(huán)的變化具有響應(yīng)作用。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 對(duì)試件施加與電流方向垂直的壓力荷載，導(dǎo)電瀝青混凝土將受到單 軸無(wú)側(cè)限的壓應(yīng)力，電阻在壓應(yīng)

35、力作用下發(fā)生變化，這就是復(fù)合材 料所謂的機(jī)敏性。機(jī)敏性的靈敏系數(shù)通?？梢酝ㄟ^(guò)下列方程來(lái)計(jì)算: 這里R和R0分別是在受壓之前和在應(yīng)力條件下受壓之后的電阻。 由于應(yīng)變對(duì)應(yīng)于壓縮應(yīng)力，因此應(yīng)變的敏感系數(shù)為: 00 pRR/ R 00 kRR/ R 導(dǎo)電瀝青混凝上的機(jī)敏特性是指混凝土材料的電阻隨著應(yīng)力產(chǎn) 生的應(yīng)變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 第一階段，在加載的初始階段（大概在疲勞壽命的1%時(shí)候），由于導(dǎo) 電瀝青混凝土試件受到荷載作用后產(chǎn)生追密作用，混合料之間接觸變得 更加緊密，形成了更多的導(dǎo)電通路

36、，表現(xiàn)為輸出電阻率急劇下降，此過(guò) 程的電阻率分?jǐn)?shù)變化值約為70%； 第二階段，瀝青混凝土試件處于平穩(wěn)變形階段，這一過(guò)程大約占疲勞壽命 的80%時(shí)間（從1%82%），在此過(guò)程內(nèi)，瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化很 小，表現(xiàn)為電阻率變化也很小，總過(guò)程的電阻率變化值不超過(guò)10%； 第三階段，由于瀝青混凝土的微細(xì)裂縫逐漸發(fā)展，最終導(dǎo)致試件的完全破 壞和裂開，導(dǎo)電通路遭到嚴(yán)重破壞，表現(xiàn)為電阻率急劇增大，這一過(guò)程約 占疲勞壽命的20%時(shí)長(zhǎng)，電阻率變化值超過(guò)50%。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 當(dāng)施加的荷載后，導(dǎo)電瀝青混凝土的輸出電阻率急劇增大，這是由于加載后瀝青 混凝土的結(jié)構(gòu)受到荷載的

37、擾動(dòng)錯(cuò)位，并導(dǎo)致原來(lái)已經(jīng)形成的導(dǎo)電通路錯(cuò)位，表現(xiàn) 為電阻率急劇升高。但是繼續(xù)碾壓，由于追密作用導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻率在總 體上又呈下降趨勢(shì)。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 導(dǎo)電瀝青混凝土車轍試件突然受到荷載作用，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生急劇的變化，導(dǎo)致 電阻率迅速增加。隨后，由于輪碾產(chǎn)生壓密作用，導(dǎo)致電阻率下降，最后 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（由于到達(dá)車轍深度時(shí)試件的厚度使到其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有完全 破壞，所以電阻率沒(méi)有顯著的變化）。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 利用可同步進(jìn)行CT掃描的導(dǎo)電瀝青混凝土間接拉伸重復(fù)加、卸載實(shí) 驗(yàn)，可探討不同加、卸載階段的損傷變量的計(jì)算方法，推導(dǎo)出損傷發(fā) 展、演化方程和強(qiáng)度衰減的規(guī)律，為評(píng)價(jià)瀝青混凝上受載后的損傷自 診斷研究奠定了基礎(chǔ)。 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 為了進(jìn)一步分析瀝青混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化過(guò)程，對(duì)不同疲勞階段圖像 進(jìn)行了處理。利用WIT圖像處理軟件的K-meas法對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，得 到試件掃描表面空隙面積的變化，然后將此變化與電阻率變化對(duì)加載時(shí)間 的關(guān)系曲線繪制成如下圖所示： 五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性 1、加載初期A-B段，空隙率下降，集料之間接觸變得更加緊密，