石墨碳纤维导电沥青胶浆路用性能研究

冯新军，杨振华

（长沙理工大学电力与交通安全监控及节能技术教育部工程研究中心，长沙 410004）

近年来，随着沥青混凝土路面的广泛应用与蓬勃发展，许多问题也随之而来。我国绝大部分地区处于亚热带，四季分明，冬季寒冷。降雪期间使得路面积雪结冰影响道路畅通以及行驶安全，比如机场经常会因为下雪而封闭停运，高速公路会封闭或者限行，据统计，我国冬季30%的交通事故是由于路面积雪结冰引起的，影响人民生命财产安全、对社会经济造成重大损失［1，2］。除此之外，随着工业化的进程，气候环境也在急速恶化，极端天气频繁发生，我国中部及部分南方地区也频繁遭受冻雨雪灾等寒冷天气的侵袭，影响交通运输。导电沥青混凝土是通过在沥青混合料中掺加适量导电组分如纤维、石墨粉、钢渣等，使绝缘的沥青混合料变成具有良好导电性能的新型复合材料。导电沥青混凝土与外部电源接通后，由于电热效应产生热量，热量由沥青混凝土内部传至路面表层，使路表温度升高，起到融冰化雪的作用。与使用除雪机械相比，导电沥青混凝土无须封闭交通；而与融雪剂相比，利用导电沥青混凝土融冰化雪不会对植物、建筑物、路面及车辆造成污染，更加环保。可以说导电沥青混凝土的开发，使得道路积雪结冰的问题得以高效、安全和经济的解决［3，4］。沥青和填料的混合物称为沥青胶浆，它们的相对比例影响着沥青胶浆的性质，进而影响沥青混合料的粘弹性和流变性质，对沥青混合料的高、低温性能、耐疲劳性能和水稳性都有很大的影响［5－7］。该文以石灰岩矿粉为填料，通过固定粉胶比并分别掺入不同掺量的石墨和碳纤维制备沥青胶浆，研究石墨和碳纤维掺量对沥青胶浆路用性能的影响，为沥青混合料设计提供指导。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

本研究采用湖南宝利沥青公司的SBS改性沥青，主要技术性能指标见表1，符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F 40—2004）［8］聚合物改性沥青I－D的技术要求。采用石灰石矿粉作填料，其各项性能指标均符合规范要求。采用山东青岛天源达LG－150－96高碳鳞片石墨，主要性能指标见表2。采用南京纬达的9 mm短切PAN基碳纤维，主要性能指标见表3。

表1 SBS改性沥青主要技术性能

表2 石墨技术性能

表3 短切PAN基碳纤维技术性能

1.2 试验方案

首先固定粉胶比0.8和碳纤维掺量0.2%，分别制备石墨掺量为0%、10%、20%、30%和40%的石墨碳纤维沥青胶浆；然后固定粉胶比0.8和石墨掺量20%，分别制备碳纤维掺量0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的石墨碳纤维沥青胶浆，其中碳纤维为沥青胶浆质量百分比，石墨为改性沥青体积百分比。

对10种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆分别进行软化点试验、动态剪切流变试验、延度试验、弯曲蠕变劲度试验以及Brookfield旋转粘度试验，分析石墨和碳纤维掺量对沥青胶浆路用性能的影响。

2 石墨和碳纤维掺量对沥青胶浆高温性能的影响

2.1 软化点试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E 20—2011）［9］规定的方法对十种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆进行软化点试验，试验结果如图1、图2所示。

从图1可以看出：随着石墨掺量的增加，石墨碳纤维沥青胶浆的软化点一直呈增大趋势，并且随着石墨掺量的增加提高的幅度逐渐增大，其变化曲线近似开口向上的二次抛物线，相关系数达到0.997。

从图2可以看出：随着碳纤维掺量的增加，石墨碳纤维沥青胶浆的软化点一直呈增大趋势，并且随着碳纤维掺量的增加提高的幅度逐渐变小，其变化曲线近似开口向下的二次抛物线，相关系数达到0.990。

2.2 动态剪切流变试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E 20—2011）［9］规定的方法对十种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆进行动态剪切流变试验，采用70℃时的抗车辙因子G＊/sinδ来评价沥青材料抗高温变形能力，试验结果如图3、图4所示。其中掺40%石墨碳纤维沥青胶浆的G＊/sinδ超出了仪器测量范围，无法进行测定。

从图3可以看出：掺了0.2%的碳纤维沥青胶浆的G＊/sinδ达到了16.9kPa，在掺入10%的石墨后快速降到了10kPa，这是因为石墨是一种良好的润滑剂，层间具有典型的分子相互作用，作用力极小，层间易滑动，因此降低了沥青胶浆的抗剪切变形能力。随着石墨掺量的继续增加，石墨碳纤维沥青胶浆的G＊/sinδ一直呈增大趋势，但是仍然没有达到达到16.9kPa。这是因为石墨对沥青的吸附作用使沥青胶浆更稠硬，从而一定程度上提高了其抗剪切变形能力。

从图4可以看出：随着碳纤维掺量的增加，石墨碳纤维沥青胶浆的G＊/sinδ一直呈增大趋势，其变化曲线近似开口向上的二次抛物线，相关系数达到0.988。这是因为碳纤维不仅对沥青有吸附作用，而且具有加筋增强作用，从而提高了石墨碳纤维沥青胶浆的抗高温变形能力。

3 石墨和碳纤维掺量对沥青胶浆低温性能的影响

3.1 延度试验

从图5可以看出：随着石墨掺量的增加，石墨碳纤维沥青胶浆的延度一直呈减小的趋势，其变化曲线近似开口向上的二次抛物线，相关系数达到0.988。说明随着石墨的加入，沥青胶浆塑性变形能力降低，并且随着石墨掺量的增加下降幅度减慢。

从图6可以看出：随着碳纤维掺量的增加，石墨碳纤维沥青胶浆的延度一直呈减小的趋势，其变化曲线也近似开口向上的二次抛物线，相关系数达到0.996。说明随着碳纤维的加入，沥青胶浆的塑性变形能力也会降低，并且随着碳纤维掺量的增加下降幅度减慢。

3.2 弯曲蠕变劲度试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E 20—2011）［9］规定的方法对十种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆进行沥青弯曲蠕变性质试验，采用－10℃时沥青胶浆弯曲劲度模量和m值评价沥青低温抗裂性能，试验结果如图7、图8、图9和图10所示。

从图7可以看出：随着石墨掺量的增加，石墨碳纤维沥青胶浆的弯曲劲度模量一直呈增大趋势，其变化曲线近似开口向下的二次抛物线，相关系数达到0.998。说明随着石墨掺量的增加，石墨碳纤维沥青胶浆变得更脆更硬，低温抗裂性能下降。

从图8可以看出：随着碳纤维掺量的增加，石墨碳纤维沥青胶浆的弯曲劲度模量呈增大趋势，但是在碳纤维掺量达到0.2%后，石墨碳纤维沥青胶浆的弯曲劲度模量变化趋于平缓。说明碳纤维掺量小于0.2%时，石墨碳纤维沥青胶浆的低温抗裂性能随碳纤维掺量的增加呈下降趋势，而在碳纤维掺量大于0.2%以后，石墨碳纤维沥青胶浆的低温抗裂性能变化较小。

从图9可以看出：石墨碳纤维沥青胶浆的m值随石墨掺量的增加呈先增大后减小的趋势，在石墨掺量20%时达到最大值。说明石墨掺量小于20%时，石墨碳纤维沥青胶浆的应力松弛能力随石墨掺量的增加呈增大趋势；而在石墨掺量大于20%以后，石墨碳纤维沥青胶浆的应力松弛能力逐渐下降。

从图10可以看出：石墨碳纤维沥青胶浆的m值随碳纤维掺量的增加呈开口向下的二次抛物线变化，相关系数达到0.936，在碳纤维掺量0.2%时达到最大值。说明在碳纤维掺量在0%～0.2%之间时，石墨碳纤维沥青胶浆的应力松弛能力呈增大趋势，而在碳纤维掺量大于0.2%以后，石墨碳纤维沥青胶浆的应力松弛逐渐下降。

4 石墨和碳纤维掺量对沥青胶浆施工和易性的影响

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E 20—2011）［9］中T 0625规定的方法对十种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆进行布氏旋转粘度试验，测量影响前后沥青胶浆试样在温度175℃、转子型号21号以及转子速率为20r/min下的粘度，试验结果见表4、表5。

表4 沥青胶浆旋转粘度随石墨掺量变化结果

表5 沥青胶浆旋转粘度随碳纤维掺量变化结果

从表4可以看出：掺了0.2%的碳纤维沥青胶浆的旋转粘度为0.714Pa·S，在掺入10%的石墨后急剧增加到了3.61Pa·S，说明石墨的加入使得沥青胶浆变得更加稠硬，施工和易性下降。但当石墨掺量继续增加时，石墨碳纤维沥青胶浆的旋转粘度增大幅度减小，当石墨掺量增加到30%时，扭矩百分比超出了仪器测量范围，已无法进行粘度测量。

从表5可以看出：随着碳纤维掺量的增加，石墨碳纤维沥青胶浆的旋转粘度呈增大趋势，施工和易性下降。但由于掺量非常小，使得克服的扭矩增加比较小，所以布氏黏度增加幅度较小。当碳纤维掺量增加到0.3%时，扭矩百分比超出了仪器测量范围，已无法进行粘度测量。

5 结 论

a.石墨的加入降低了石墨碳纤维沥青胶浆的抗高温变形能力和低温抗裂性，并且显著降低了石墨碳纤维沥青胶浆的施工和易性。

b.碳纤维的加入可以提高石墨碳纤维沥青胶浆的抗高温变形能力，但是降低了石墨碳纤维沥青胶浆的低温抗裂性和施工和易性。

［1］ 冯新军，查旭东，程 景.PAN基碳纤维导电沥青混凝土的制备及性能研究［J］.公路，2011，3（2）：27－32.

［2］ 张 鸿，王立久，赵善宇，等.PANI/PP复合导电纤维沥青混凝土导电机制［J］.大连理工大学学报，2010，7（4）：564－569.

［3］ 曹艳霞，查旭东.碳纤维导电改性沥青混合料性能试验研究［D］.长沙：长沙理工大学，2013.

［4］ 高宇星，王向阳.碳纤维石墨导电沥青混凝土的制备及电热效应研究［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

［5］ 刘 丽，郝培文.沥青胶浆高温性能及评价方法［J］.长安大学学报（自然科学版），2007，9（5）：30－34.

［6］ 刘 丽，郝培文.沥青胶浆低温性能及评价方法研究［J］.公路，2005，8（8）：139－142.

［7］ 刘 丽，郝培文.沥青胶浆粘度特性分析［J］.河北工业大学学报，2006，4（2）：109－113.

［8］ 交通部公路科学研究所.公路沥青路面施工技术规范（JTG F 40—2004）［Z］.人民交通出版社，2004.

［9］ 交通运输部公路科学研究所.公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E 20—2011）［Z］.人民交通出版社，2011.