导电沥青混合料拌合工序的优化

王黎明　吴文杰

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨　150040)



导电沥青混合料拌合工序的优化

王黎明吴文杰

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150040)

通过浸水马歇尔试验、车辙试验和低温小梁弯曲试验，从电阻率、水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性等方面，分析了拌合工序对导电沥青混合料性能的影响，结果表明，简单的改变拌合工艺可提升导电沥青混合料的综合性能。

道路工程，导电沥青混合料，拌合工序，碳纤维

以短切碳纤维为主要导电组分的导电沥青混合料[1]在融雪化冰路面技术中，因为采用环保能源，可在不中断交通的条件下进行除雪工作，在众多主动除雪技术[2]中逐渐为学者与工程认可。其独特的优势就在于加入短切的聚丙烯腈碳纤维后可以在混合料中形成导电的空间网络结构，将本身可视为绝缘材料的沥青混合料改变为适合作为发热材料的导体，同时还能不同程度地增强沥青混合料的各项路用性能[3]。碳纤维单丝强度高，模量高，化学稳定性好，并且耐高温，预热膨胀小，除了具备较好的导电性能外，其优良的导热性能也迎合了融雪化冰路面的传热要求。

单位质量的碳纤维中含有大量单丝，这就为在混合料中形成空间网络的导电通路提供了条件。根据程景[4]的研究，碳纤维的最佳掺量为0.1%，说明低掺量的碳纤维就可以使沥青混合料的电阻率降低到适合作为发热材料的电阻率范围，所以能否将少量碳纤维在沥青混合料中均匀分散成为一个至关重要的问题。在导电沥青混合料生产工艺中，除了拌合时间，对纤维分散性影响较大的就是拌合工序。本文通过对不同拌合工序所制备的试件进行对比研究，发现湿拌工艺可以制备出性能更好的导电沥青混合料。

1　试验材料

1.1碳纤维

本次试验使用的是无胶PAN(聚丙烯腈)基短切碳纤维，性能参数见表1。

表1　聚丙烯腈短切碳纤维物理性能参数

短切碳纤维是由碳纤维长丝短切而成，具有轻质、高强、高模、耐腐蚀、耐摩擦、碳纤维重量轻、耐高温、膨胀系数小、导电、导热性能好等特点，在碳纤维混合到沥青中可以利用碳纤维相互搭接形成导电通路。碳纤维不仅可以改善导电性，且由于其单丝具有的柔韧性和较高的强度，在沥青混合料成型的碾压过程中或击实过程中不会折断和损坏；同时数量巨大的单丝会吸收游离沥青成为结构沥青附着于单丝表面，利于提高混合料的各项性能。

1.2沥青

本次试验采用90号基质沥青，其各项参数见表2。

表2　90号沥青参数

1.3导电沥青混合料级配

本次试验采用AC-13C型级配，如表3所示。选择当地所产石灰岩作为集料，石灰岩矿粉作为填料。

表3　AC-13C级配设计

2　不同拌合工序的对比

选用碳纤维制备导电沥青混合料，其投料工序可分为以下几种：

前三种工序只变换了碳纤维投料的顺序，可通称为干拌法。而在试验过程中发现预先将碳纤维与沥青形成胶浆后再同集料拌合的湿拌工艺可以使碳纤维分散更均匀：

为了探究每种工序的优劣，以四种工序在相同试验条件与用量下制备试件，测试其性能。

2.1电阻率

以不同的工序制备马歇尔试件(碳纤维掺量为0.1%，油石比为5.2%)，采用伏安法测试其电阻率大小，结果如图1所示。

由图1可以看出，四种制备方法所得试件电阻率都在适合作为发热材料电阻率范围内[5]。前两种拌合工序所制备的试件得到的电阻率较大，并且有很大的离散性，不利于导电沥青混合料的质量控制，而后两种电阻率较小，且工序4虽然电阻率比工序3稍大，但是数据离散性很小，对于质量控制有利。采用工序3制备的试件其中的碳纤维可以较均匀地分布在马歇尔试件中，但仍存在少量未完全分散的碳纤维相互搭接形成了贯穿两个测试界面的导电通路直接与电极接触，即使通路数量较少也使得测得的电阻值偏小。然而这表现出的偏小的电阻率并不能很好地服务于均匀发热的目的，甚至可能导致电极之间的短路而其他局部断路。这势必会引起发热路面在工作时局部路面积雪无法融化。而工序4湿拌法预先将碳纤维均匀分散到融化的高温沥青中，成束的碳纤维分散开，以单丝状态与沥青混合形成更为均质的体系后同集料拌合，取得了更均匀的分散效果，电阻率稍大但表现稳定，利于质量控制和整个导电沥青混合料结构层的稳定发热。

2.2水稳定性

采用浸水马歇尔试验对比不同工序制得试件的水稳定性，根据T 0709—2011的试验方法，将第一组试件在60 ℃水浴中30 min后测试其马歇尔稳定度MS，第二组试件在60 ℃水浴中48 h后测试其马歇尔稳定度MS1，以MS1与MS的比值MS0为残留稳定度，试验结果如图2所示。

加入适量纤维可以提升导电沥青混合料的马歇尔稳定度[6，7]。由图2可以看出，而采用工序4湿拌法制备的马歇尔试件不仅强度有所增大，所测强度值离散性小，残留稳定度也比其他组更大，较之空白组更是有明显提升。说明更均匀分散的纤维填充了沥青混合料的部分空隙，吸附游离的沥青，形成更多的结构沥青，降低了水对混合料的损害，不仅提升了混合料的马歇尔稳定度，对于水稳定性也有所增强。

2.3高温稳定性

采用不同工序制备车辙试件，测试其动稳定度DS来探究拌合工序对高温性能的影响，结果如图3所示。

纤维的加入可以提升沥青混合料的高温性能[8，9]。如图3可知，高模高强的碳纤维对改善高温性能的作用更为显著。纤维单丝对混合料中的集料具有握裹作用，使集料的骨架作用更加明显，更多结构沥青增加了混合料抵抗变形的能力，纤维丝可以传递应力并起到了加筋的作用，减少了混合料的变形，所以混合料整体的抗车辙能力变强，高温稳定性得以提高。但这都是以碳纤维均匀分散为前提，所以前三种工序制备的试件动稳定度略低于工序4。

2.4低温抗裂性能

导电沥青混合料主要在冬季降雪多温度低的地区使用，所以应当具备良好的低温性能。采用低温小梁试验T 0715—2011检验不同工序所制试件的低温抗裂性能，结果如表4所示。

表4　拌合工序对低温抗裂性能的影响

如表4可以发现，适量的纤维掺入沥青混合料中可以改善混合料的低温抗裂性能。碳纤维增加了混合料的整体韧性，减少和阻滞了裂缝的产生，并且传递和分散了部分外界应力，使弯曲劲度模量变小，有利于抵抗外力作用和变形。而这些作用在纤维分散越均匀的情况下表现越显著，所以工序4试件的各项低温抗裂性能指标都优于其他组。

3　结语

通过以上不同拌合工序下所制备试件所做的各项性能对比，可得到以下结论：

1)碳纤维的加入可以不同程度提升沥青混合料的各项性能，但是唯有纤维在沥青混合料中均匀分散才能使之更好地发挥作用。2)采用工序4湿拌法来制备导电沥青混合料，可以使碳纤维分散得更均匀，对于电阻率与质量的稳定性控制都更加有利，湿拌法可以制备出性能更优秀的导电沥青混合料。

[1]吴少鹏,磨炼同,水中和,等.导电沥青混凝土的制备研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2002,26(5):567-570.

[2]韩志斌.中国道路融冰除雪技术发展现状及未来趋势[J].公路与汽运,2013(6):142-145.

[3]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[J].中国公路学报,2012(2):27-32.

[4]程景.PAN基碳纤维导电沥青混凝土研究[D].长沙：长沙理工大学,2010.

[5]寇建兰,叶德胜.导电高分子材料[J].江西化工,2000(4):10-13.

[6]张明德.短切沥青碳纤维混凝土马歇尔试验研究[J].山西建筑,2012,38(29):137-139.

[7]张宜洛.纤维对沥青混合料结构参数及路用性能的影响研究[J].公路交通科技(应用技术版),2010(S1)：73-74.

[8]韦佑坡,张争奇,司伟,等.玄武岩纤维在沥青混合料中的作用机理[J].长安大学学报(自然科学版),2012,32(2)：23-25.

[9]廖常川,何立平.聚酯纤维沥青混合料高温性能研究[J].西部交通科技,2009(5):20-23.

Optimization of conductive asphalt mixing processes

Wang LimingWu Wenjie

(School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China)

From the electrical resistance, water stability, high-temperature stability, and low-temperature crack-resistance, the paper analyzes the influence of the mixing procedure on the conductive asphalt mixing process by the immersion Marshall test, wheel rutting test, and low-temperature small beam bending test, and proves by the result that the simply altered mixing craft can improve the comprehensive performance of the conductive asphalt mixture.

road project, conductive asphalt mixture, mixing procedure, carbon fiber

1009-6825(2016)25-0112-02

2016-06-24

王黎明(1975- )，男，博士，副教授；吴文杰(1991- )，男，在读硕士

TU535

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