導(dǎo)電瀝青混凝土

1、會計學(xué)1導(dǎo)電瀝青混凝土導(dǎo)電瀝青混凝土第1頁/共90頁導(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，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。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)電相前言前言第2頁/共90頁提綱提綱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)敏特性第3

2、頁/共90頁廣泛的應(yīng)用前景導(dǎo)電混凝土屏蔽無線電干擾、防御電磁波金屬陰極保護(hù)系統(tǒng)、接地裝置道路融雪化冰、建筑物加熱智能控制和監(jiān)測、無損檢測一、研究背景一、研究背景功能性第4頁/共90頁融雪化冰清除法機(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、研究背景第5頁/共90頁一、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，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)

3、用高融化法化學(xué)融化法氯化物融雪劑材料來源廣泛、價格便宜降低路面耐久性、污染環(huán)境環(huán)保融雪劑環(huán)保、融雪較氯鹽快價格昂貴難以推廣熱融化法地?zé)峁芊ɡ们鍧嵞茉?、綠色環(huán)保融雪效率低，初期投資大紅外線管加熱自動融雪、易于控制升溫過于遲緩且受外部風(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能加熱、綠色環(huán)保系統(tǒng)本身與安裝價格昂貴、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、無需中斷交通要消耗電能，適宜于在機(jī)場、橋面等重要路段應(yīng)用第6頁/共90頁 目前，世界各國主要通過撒鹽（NaCl、CaCl2）來

4、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)境帶來了許多負(fù)面效應(yīng)。世界上不少國家因使用除冰鹽，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、研究背景第7頁/共90頁 2003年，美國內(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5年的使用和跟蹤調(diào)查之后，Christopher Y. Tuan等對各種融冰化雪方式的成本進(jìn)行了對比分析。一、研究背景一、研究背景第8頁/共90頁第9頁/共90頁 結(jié)果表明：導(dǎo)電水泥混凝土初始建造成本為635/m2，使用時的能源消耗為350W/m

5、2，每場降雪的運(yùn)行成本為0.76/m2，設(shè)計使用壽命為35年。導(dǎo)電混凝土在未來有潛力成為最經(jīng)濟(jì)有效的道路融冰化雪方式。一、研究背景一、研究背景第10頁/共90頁一、研究背景一、研究背景 1989年，美國的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。第11頁/共90頁一、研究背景一、研究背景導(dǎo)電水泥混凝土導(dǎo)電瀝青混凝土第12頁/共90頁一、研究背景一、研究背景 在世界各國已建公路中，水泥混凝土路面所占比例逐

6、漸縮小，瀝青路面在世界各國已建公路中，水泥混凝土路面所占比例逐漸縮小，瀝青路面已占已占80以上；我國高速公路總里程已超過以上；我國高速公路總里程已超過5.3萬公里，其中萬公里，其中90以上為瀝青以上為瀝青路面。瀝青路面對于行車具有油耗低、噪音小、抗滑性好、車輛磨損小等優(yōu)路面。瀝青路面對于行車具有油耗低、噪音小、抗滑性好、車輛磨損小等優(yōu)點(diǎn)，目前已在機(jī)場跑道、橋面鋪裝、高速公路、城市道面等主要道路中得到點(diǎn)，目前已在機(jī)場跑道、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。廣泛應(yīng)用。第13頁/共90頁一、研究背景一、研究背景融雪化冰道路監(jiān)測利用導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)利用導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性來實(shí)

7、現(xiàn)對外部應(yīng)力敏特性來實(shí)現(xiàn)對外部應(yīng)力及其產(chǎn)生的應(yīng)變，甚至內(nèi)及其產(chǎn)生的應(yīng)變，甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的自診斷。部結(jié)構(gòu)損傷的自診斷。導(dǎo)電瀝青混凝土良好的導(dǎo)導(dǎo)電瀝青混凝土良好的導(dǎo)電性能使其在接通外部電電性能使其在接通外部電源后，電能轉(zhuǎn)化為熱能，源后，電能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生足夠的熱量使瀝青路產(chǎn)生足夠的熱量使瀝青路面升溫，實(shí)現(xiàn)融雪化冰。面升溫，實(shí)現(xiàn)融雪化冰。第14頁/共90頁一、研究背景一、研究背景 1968年，Mink首次報道了美國聯(lián)邦航空局與超級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：六個實(shí)驗(yàn)段在兩個冬季表現(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

8、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.。第15頁/共90頁一、研究背景一、研究背景第16頁/共90頁一、研究背景一、研究背景第17頁/共90頁新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃“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“ 第18頁/共90頁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

9、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)敏特性提綱提綱第19頁/共90頁二、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石墨鋼渣鋼渣纖維纖維導(dǎo)電相優(yōu)選導(dǎo)電相優(yōu)選礦料級配礦料級配瀝青用量瀝青用量制備制備根據(jù)級配理論與組成原理設(shè)計集料組成根據(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，測定常規(guī)路用性能第20頁/共90頁二、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)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)。每一網(wǎng)層

10、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)電瀝青混凝土的石墨對瀝青混凝土導(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。主要導(dǎo)電相材料。 第21頁/共90頁二、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娛且驗(yàn)槭忻總€碳原子與其他碳原子只形成3

11、個共價鍵,每個碳原子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。根據(jù)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)石墨第22頁/共90頁二、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。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。第23頁/共90頁二、導(dǎo)電瀝青混凝土

12、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。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密度, kg/m3 1600 - 1920孔隙率3%成成 分分含含 量量CaO40 - 52 SiO210 - 19FeO10 - 40MnO5 - 8MgO5 - 10Al2O31 - 3P2O50.5 - 1S150100蠟含量（蒸餾法）（%）1.72.2閃點(diǎn)（）308260密度（15）（g/cm3）1.033實(shí)測溶解度 %99.899.5RTFOT后質(zhì)量變化

13、（）0.080.8殘留針入度比（25）（）6661殘留延度（10）（cm）12.16第31頁/共90頁二、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，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)行評價 。Y為最佳瀝青用量X為石墨用量第32頁/共90頁二、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)；

14、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/分 自轉(zhuǎn)76圈/分控溫精度：3 控時范圍：0-100分鐘第33頁/共90頁二、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瀝青加熱至160；集料加熱至；集料加熱至170；拌鍋升溫至；拌鍋升溫至180添加纖維，拌合添加纖維，拌合90s；添加瀝青，拌合添加瀝青，拌合90s；添加石墨和礦粉，拌合添加石墨和礦粉，拌合90s控制混合料溫度控制混合料溫度140裝模旋轉(zhuǎn)成型裝模旋轉(zhuǎn)成

15、型標(biāo)定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀標(biāo)定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀脫模；編號脫模；編號試模加熱至試模加熱至105第34頁/共90頁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)敏特性提綱提綱第35頁/共90頁三、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)電瀝青混凝土的導(dǎo)電性能導(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導(dǎo)電瀝青混凝土的路用性能第36頁/共90頁三、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)性能導(dǎo)電瀝青混凝土的電學(xué)性能電阻率表征

16、了導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，是材料的特征參數(shù)，其倒數(shù)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。是電導(dǎo)率。SRH導(dǎo)電性好的材料，電荷的載體主要存在于材料的內(nèi)部，電流也是通過材料的內(nèi)部而流動。而對導(dǎo)電性能差的材料，其表面電荷載體移動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。第37頁/共90頁三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能高阻計,靜電計6517A產(chǎn)地: 美國 廠商: 美國吉時

17、利 KEITHLEY最高的電流測量靈敏度110-17A；最高的電阻(率)直接測量能力510-17；測量范圍：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%)電阻率測定實(shí)驗(yàn)電阻率測定實(shí)驗(yàn)第38頁/共90頁三、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。第39頁/共90頁三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能1、碳纖維單位體積改善效果最好，臨界體積摻量為5%

18、。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。第40頁/共90頁三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能第41頁/共90頁三、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。 通過降低石墨摻量，添加碳纖維，可以同時改善瀝青混凝土的 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)果對比分析表明石墨單位體積對瀝青 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

19、導(dǎo)電相材料。第42頁/共90頁三、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馬歇爾穩(wěn)定度儀全自動馬歇爾穩(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?？顾畵p害能力是決定路面水穩(wěn)定性的根本因素。評價瀝青與礦料的粘附性評價瀝青混合料水穩(wěn)定性浸水馬歇爾試驗(yàn)評價抗水損害能力凍融劈裂試驗(yàn)第43頁/共90頁三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能10010MSMSMSMS

20、0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度（%）MS1為試件浸水48h后的穩(wěn)定度（kN）MS為試件的穩(wěn)定度（kN）浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)第44頁/共90頁三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能T 2T1TSRR/ 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)凍融劈裂實(shí)驗(yàn)第45頁/共90頁三、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)動態(tài)蠕變實(shí)驗(yàn)UTM-25動態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)第46頁/共90頁三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能動態(tài)蠕變實(shí)驗(yàn)動態(tài)蠕變實(shí)驗(yàn)動態(tài)蠕變：第一階段，遷移期，蠕

21、變變形在瞬間迅速增大，但應(yīng)變速率隨時間迅速減小；第二階段，穩(wěn)定期，蠕變變形呈直線形穩(wěn)定度增長，應(yīng)變速率保持穩(wěn)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為抗車轍流值第47頁/共90頁三、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。第48頁/共90頁三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能nfKN01式中：Nf試件疲勞破壞時的重復(fù)荷載作用次數(shù); 施加的應(yīng)力(MPa)

22、； 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)典疲勞方程來表征：間接拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)間接拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)第49頁/共90頁三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能三、導(dǎo)電瀝青混凝土的性能nkNeat concrete3.2832887.1Concrete with 22% graphite4.8673593.1Concrete with 22% graphite+ 0.2% carbon fibers5.4506377.8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

23、性對于瀝青路面設(shè)計是十分重要的。和環(huán)境條件下的疲勞特性對于瀝青路面設(shè)計是十分重要的。 在應(yīng)力低于1.0Mpa時，導(dǎo)電瀝青混凝土的疲勞壽命高于普通瀝青混凝土。第50頁/共90頁提綱提綱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)敏特性第51頁/共90頁四、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)，電場發(fā)射效應(yīng)，隧道效應(yīng)等。但沒有一個較為完善的、普遍適用的導(dǎo)電機(jī)制來解釋

24、體系導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成及其導(dǎo)電行為。電導(dǎo)率與頻率電導(dǎo)率與頻率的依賴性的依賴性電導(dǎo)率對石墨電導(dǎo)率對石墨摻量的依賴性摻量的依賴性直流直流V-I特性特性第52頁/共90頁四、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tcPP滲流理論常用于解釋無規(guī)則混合導(dǎo)電復(fù)合材料的絕緣-導(dǎo)電轉(zhuǎn)變過程。隨著石墨摻量增加，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)系第53頁/共90頁四、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clglg PP 這

25、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，lg與lg（P-Pc）具有良好的線性關(guān)系，但臨界指數(shù)t值明顯高于標(biāo)準(zhǔn)格子滲流問題的普適臨界指數(shù)1.62.0。第54頁/共90頁四、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pE / kTE/ kTpeeare電子躍過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

26、數(shù)，T為樣品溫度，E為躍遷能隙所需活化能，Ep是越過壁壘的局部活化能， 為隧道因子， r為電子必須穿過的空間距離。第55頁/共90頁四、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1/3rP1/3apPe1/3lgP 假設(shè)石墨粒子隨即分散于瀝青中，粒子間的平均間隙r與體積摻量P有如下關(guān)系隧穿電導(dǎo)有兩個特征空間距離：電子穿過的最大空間距離rc和容易穿過的空間距離r0 。導(dǎo)電瀝青混凝土中導(dǎo)電粒子間隙千差萬別，當(dāng)間隙小于r0時，其起到電子遷移捷徑的作用，對電導(dǎo)率貢獻(xiàn)最大，當(dāng)粒子間隙位于rc和r0之間時，粒子間隙微小的變化均會引起電導(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-

27、2.11.8，表明隧穿電導(dǎo)隨著P變化極為有限，只在Pc附近一個很小的范圍產(chǎn)生。第56頁/共90頁四、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，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，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，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 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

28、。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)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)果綜合作用的結(jié)果第57頁/共90頁四、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)來解釋的，證實(shí)隧穿電導(dǎo)的存在。第58頁/共90頁四、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)理可將導(dǎo)電瀝青混凝土在交變電場中的導(dǎo)電行為等效為電阻R和電容C并聯(lián)的情形。當(dāng)PPc時，導(dǎo)電粒子的間隙小于r0，電子容易穿過瀝青膜，相當(dāng)于多個電阻和一個電容并聯(lián)當(dāng)PPc時，導(dǎo)電粒子的間隙小于rc，電子難以穿過瀝青膜

29、，相當(dāng)于多個電容和一個電阻并聯(lián)當(dāng)PPc時，導(dǎo)電粒子的間隙位于rc和r0之間，相當(dāng)于幾個電阻和一個電容并聯(lián)第59頁/共90頁四、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)理在頻率為的電場中，電路中m個電阻R和n個電容C并聯(lián)的情況RUIRCIUC0SCr1/3CISP1/ 222RCImInI在一定石墨摻量時，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。第60頁/共90頁四、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)理第61頁/共90頁四、導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電

30、瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)理石墨摻量在臨界點(diǎn)附近時電阻隨電壓增加而迅速減?。辉黾邮珦搅?，電阻減小處于緩和。高石墨摻量時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，V與I具有線性特性。而摻量為11.1%時，V與I表現(xiàn)為非線性。通電過程中，粒子間隙存在導(dǎo)電發(fā)熱和熱傳導(dǎo)散熱過程。熱擾動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。第62頁/共90頁四、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 220A0B0rSEEj Ej exp1TKE隧道電流密度j(E)與導(dǎo)電粒子間隙大小

31、和面積，溫度和電場強(qiáng)度有關(guān)。高電場強(qiáng)度誘發(fā)電子發(fā)射躍遷，在導(dǎo)電顆粒間隙大于rc時 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細(xì)小的電阻絲，過高的電流 會產(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)電和高電場時誘發(fā)額外的導(dǎo)電通路。第63頁/共90頁四、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原子直徑的距離形成一個三維空間網(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。具有較大長徑比的纖維的摻入沖破一些集料

32、對導(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。第64頁/共90頁四、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)理第65頁/共90頁提綱提綱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)敏特性第66頁/共90頁導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性主要用于結(jié)構(gòu)自診斷：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

33、諸如反復(fù)行車荷載、氣候環(huán)境等外部條件作用時，其應(yīng)力、應(yīng)變、疲勞裂紋甚至老化等結(jié)構(gòu)損傷通過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)敏特性第67頁/共90頁導(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

34、的無損檢測技術(shù)。 第68頁/共90頁五、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，通常在瀝青路面性能指數(shù)下降到現(xiàn)有的人工檢測，通常在瀝青路面性能指數(shù)下降到7080%的時候才的時候才提出養(yǎng)護(hù)，即使恢復(fù)也只能停留在原有水平的提出養(yǎng)護(hù)，即使恢復(fù)也只能停留在原有水平的7080%之間。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)時機(jī)，可以大幅降在養(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)時機(jī)，可以大幅降低養(yǎng)護(hù)成本，大幅度地延長瀝青路面的使用壽命。低養(yǎng)護(hù)成本，大幅度地延長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在損傷的初期階段就能

35、發(fā)現(xiàn)并提出解決方案，它將可以使路面的性能指數(shù)恢復(fù)到原有水平的指數(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。，使路面壽命得到大幅度地延長。第69頁/共90頁五、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。 空隙率對電阻率的影響空隙率對電阻率的影響第70頁/共90頁五、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)521.22yx6971exp( /2.48)2757.4yxexp( /)yAx BC其中，y為材料的電阻率；x為材料

36、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)電瀝青混凝土的電阻率隨著空隙率的變化很有規(guī)律，都遵從導(dǎo)電瀝青混凝土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。一定的指數(shù)關(guān)系。15vol%石墨22.5vol%石墨從定性的角度來擬合出電阻率與空隙率之間的關(guān)系:第71頁/共90頁五、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)敏特性溫度對電阻率的影響溫度對電阻率的影響導(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)；在降溫過程中，石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻隨著溫度

37、的降低而減少。第72頁/共90頁五、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、對于隧道效應(yīng)，瀝青的體積膨脹將使導(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)約為瀝青的體積膨脹系數(shù)約為610-4 / ，其對導(dǎo)電粒子接觸效應(yīng)和，其對導(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。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。第73頁/共90頁五、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

38、化的過程中，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，就是說電阻率對每個循環(huán)的變化具有響應(yīng)作用。第74頁/共90頁五、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側(cè)限的壓應(yīng)力，電阻在壓應(yīng)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)通常可以通過下列方程來計算: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)變對應(yīng)于壓縮應(yīng)力，因此應(yīng)變的敏感系數(shù)為: 00pRR/ R 00kRR/ 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

39、隨著應(yīng)力產(chǎn)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。生的應(yīng)變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。第75頁/共90頁五、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76頁/共90頁五、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，表現(xiàn)為輸出電阻率急劇下降，此過 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，這一過程大約占疲勞壽命 的80%時間（從1%82%），在此過程內(nèi)，

40、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，總過程的電阻率變化值不超過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，這一過程約 占疲勞壽命的20%時長，電阻率變化值超過50%。 第77頁/共90頁五、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)受到荷載的擾動錯位，并導(dǎo)致原來已經(jīng)形成的導(dǎo)電通路錯位，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。第78頁/共90頁五、導(dǎo)電

41、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)車轍深度時試件的厚度使到其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)沒有完全破壞，所以電阻率沒有顯著的變化）。第79頁/共90頁五、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，為評價瀝青混凝上受載后的損傷自診斷研究奠定了基礎(chǔ)。第80頁/共90頁五、導(dǎo)電瀝青混凝土的機(jī)敏特性五、導(dǎo)

42、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)損傷演化過程，對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加載時間的關(guān)系曲線繪制成如下圖所示：第81頁/共90頁五、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，與之對應(yīng)的是電阻率出現(xiàn)下降；2、加載中期C-D段，損傷開始出現(xiàn)，混合料內(nèi)部空隙率逐漸增大，電阻率開始出現(xiàn)小幅增加；3、加載末期D-E段，微損傷逐漸發(fā)展擴(kuò)大，出現(xiàn)較大開裂，混合料的空隙率急劇增大，導(dǎo)致試件遭到破壞，電阻率出現(xiàn)大幅度增加。研究表明，疲勞試驗(yàn)過程中混合料電阻率的變化就是由于空隙率變化研究表明，疲勞試驗(yàn)過程中混合料電阻率的變化就是由于空隙率變化所造成的。反之，通過研究疲勞過程中電阻率的變化情況，也可了解所造成的。反之，通過研究疲勞過程中電阻率的變化情況，也可了解混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自診斷效果?；旌狭蟽?nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況，實(shí)現(xiàn)真