電極對結構自診斷瀝青混凝土電阻率的影響

崔衛平，孫長軍，2，秦麗娟，陳 雷

（1.唐山曹妃甸發展投資集團有限公司，唐山063210；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢430070）

瀝青是一種絕緣體，電阻高達107～109Ω，而集料、填料也均為不導電的礦石，因此，普通的瀝青混合料是一個絕緣體。在普通瀝青混合料中，加入石墨、鋼渣、碳纖維和鋼纖維等導電材料后，瀝青混合料就會具有了一定的電學性能，或者說是壓敏性能，因此，可以通過自身電阻變化來感知材料內部結構應變和損傷的產生，將這些感知的信號通過數據采集儀進行采集、處理與分析，便可以為路面的預養護提供及時有效的決策信息。將這一類型的瀝青混凝土鋪筑在實際路面上，便稱之為結構自診斷瀝青路面。它是材料、人工智能、信息及機械等學科高度發展與交叉的產物。這種方法簡單靈活，重復性高，靈敏度高，對于實時現場監控并保證瀝青路面結構的正常運行具有很強的實用性，具有十分可觀的經濟效益和社會效益。

在結構自診斷瀝青混凝土的應用中，電阻的檢測極為重要，電阻檢測的準確與否對瀝青路面的服役性能評價至關重要。因此，對于電極的材料、尺寸等相關研究一直沒有停止過。如侯作富、李卓球［1］等人研究表明，不銹鋼鋼絲網作電極時，雖然所測的電阻率要稍高，但其可以與混凝土結合的更緊密。采用不銹鋼片作電極時，混凝土被明顯分割開。因此，不銹鋼絲電極網可以有效改善整個混凝土結構的強度。吳少鵬教授課題組［2－5］關于導電以及自診斷瀝青混凝土的研究，電極材料采用的也是不銹鋼絲網，但是并沒有對其在自診斷瀝青混凝土中對電阻變化的靈敏性方面作一些科學系統的研究。

1 試 驗

1.1 原材料

瀝青是武漢思立特公路物資有限公司提供的SK－70，70＃道路石油瀝青，針入度79（0.1mm），延度39cm（5cm／min，10℃），軟化點46.5℃。集料分為1＃料（9.5～16mm）、2＃料（4.75～9.5mm）、3＃料（2.36～4.75mm）、4＃料（0～2.36mm）四檔石料均采用石灰巖。礦粉采用石灰巖堿性石料磨細得到的礦粉，親水系數為0.8，無團狀。石墨是由青島天盛石墨有限公司生產，其中含碳量約為99%，粒徑為150μm以下。碳纖維為鞍山東亞碳纖維有限公司生產的短切瀝青基碳纖維，其中含碳量大于90%，長度4～7mm，抗拉強度1.68GPa。所選的電極為鐵網和不銹鋼網，網孔尺寸是36mm2。不銹鋼材料為奧式體304鋼，其抗銹蝕、焊接性和塑性好，但強度稍低。具體的參數如表1所示。

表1 不銹鋼和鐵主要參數

1.2 方法

采用AC－13級配，以石墨和碳纖維兩種物質作為導電相材料，成型時，在馬歇爾試件中，植入了不同尺寸的不銹鋼絲網和鐵網作為電極，分別進行間接拉伸試驗，依據標準差值，比較輸出的電信號的波動和靈敏性，由此簡單得出合適的自診斷瀝青混凝土的電阻材料和尺寸。在間接拉伸試驗中，通過疲勞模式下的電阻變化規律，記錄電阻和位移的變化關系，確定輸出電信號的基本形式。

判斷試件電阻的波動情況的標準是根據放置不同電極試件所測電阻值的標準差大小來評定的。在數學中，標準差能反映一個數據集的離散程度。一個較大的標準差，代表數值波動較大，大部分數值和平均值之間差異較大，越離散，則越不精確；反之，一個較小的標準差，代表這些數值波動小，更接近平均值。在文中，通過計算各樣本所測的電阻的波動情況，即所測試件的電阻率的標準差越大，說明此電極波動性越大，越不穩定，所測數據越不精確；反之，標準差越小，所測數據越精確，電極越穩定。

測試電阻時采用兩極法，每組測試有6個試件。對于沒有電極的空白樣品，采用兩個不銹鋼圓柱，錫焊接銅導線，電極與試件間用石墨粉填滿粗糙表面，不銹鋼圓柱重量相當于施加了一定的壓力，改善電極與試件接觸界面，減少接觸電阻造成的試驗誤差。

2 結果與討論

2.1 間接拉伸試驗

由圖1可以看出，試件在間接拉伸過程中電阻隨時間的變化可以明顯分為3個階段。剛開始加載后試件電阻大幅度的減小，且時間很短。這是由于受到荷載的作用，使混合料內部的接觸變得緊密，從而形成了更多的導電通路，電信號的變化則表現為試件的輸出電阻率急劇下降；隨后是電阻變化不太明顯的平穩階段，電阻幾乎沒有什么變化，此過程占整個間接拉伸過程的大部分。這是由于試件內部開始形成微裂縫，但在試件內部同時還存在一個壓力的作用影響。壓密作用會使試件的電阻降低，存在于試件內部的裂縫會使試件的輸出電阻增高，但在此階段由于壓密作用所引起的電阻率的減小超過了試件開裂形成裂縫使電阻率增大帶來的影響，所以在此階段中電阻依然會緩慢下降，但是變化幅度很小，幾乎處于穩定狀態；最后是電阻上升過程，此過程時間比較短暫。這是由于荷載的作用，瀝青混凝土試件內部的微細裂縫會逐漸發展變大，裂縫則會連接在一起，并隨著加載的持續會逐漸壯大，至此導致的最終結果將會是馬歇爾試件的斷裂破壞，而由于存在于試件內部的大裂縫阻礙其內部的導電通路的原因，則會使輸出的電阻率急劇變大。

2.2 不同電極樣品電阻率

圖2（a）和圖2（b）分別顯示了不銹鋼網和鐵網作為電極時，試件的初始電阻。沒有植入電極的空白試件的電阻作為標準值參考。在圖2中，隨著電極尺寸面積的減小，試驗的電阻值越來越趨于穩定，接近空白試件的標準值。兩種不同材料的電極測試出的電阻都是先減小后增大，這是因為使用網狀電極和導電材料的瀝青混凝土接觸不均勻，有一定的尺寸效應。當電極面積尺寸降低到試件表面積的40%～60%時，測試電阻具有良好的穩定性，與標準值相似。

如圖1所示，當試件破壞時，電阻將會出現明顯的拐點。因此，還可以對兩種不同電極材料的結構自診斷瀝青混凝土試件破壞時的電阻穩定性進行比較。圖3顯示了兩種電極制備的試件的電阻與初始電阻的變化趨勢相似。但是鐵網電極測試得到的結果更為分散。隨著電極面積尺寸的減小，當電極面積尺寸降低到試件表面積60%時，電阻比較穩定。

2.3 不同電極尺寸電阻率變異系數

圖4顯示了不同電極材料制備的試件在不同階段測試電阻的變異系數。在圖4（a）中，試驗初始階段，試件電阻的變異系數呈拋物線型，先減小后增大。當電極的面積減小到試件表面積的40%時，電阻的變異系數分別為5.5%和5.4%，表明測試的電阻值最為穩定。在圖4（b）中，試驗破壞階段，不銹鋼網電極的試件電阻的變異系數波動比較明顯，而鐵網電極的試件測試電阻的變異趨于減小，逐漸穩定，但是鐵網電極的試件電阻的離散性要大于不銹鋼網電極的試件。這是由于鐵網和不銹鋼網的內在電阻造成的。

因此，從電阻的穩定性及電極材料的成本角度看，不銹鋼網作為電極優于鐵網。當電極尺寸減少到試件表面積的40% ～60%時，測試電阻更加穩定。

3 結 論

a.在間接拉伸試驗條件下，自診斷瀝青混凝土對內部損傷具有良好的自診斷能力。其電阻隨自診斷瀝青混凝土內部結構的變化可以分為三個階段，即電阻迅速下降——緩慢下降——突變。

b.在間接拉伸試驗條件下，當以鐵網作為電極時，自診斷瀝青混凝土的輸出電阻比以不銹鋼網做電極時的波動性大。

c.在間接拉伸試驗條件下，當電極尺寸為橫截面積的40%～60%時，所測得自診斷瀝青混凝土的輸出電阻率最為穩定。

［1］ 侯作富，李卓球，王建軍.電極對碳纖維導電發熱混凝土性能的影響［J］.武漢理工大學學報，2006，28（9）：45－47.

［2］ Xiaoming Liu，Shaopeng Wu.Research on the Conductive Asphalt Concrete’s Piezoresistivity Effect and Its Mechanism［J］.Construction and Building Materials，2009（23）：2752.

［3］ Xiaoming Liu，Shaopeng Wu.Study on the Graphite and Carbon Fiber Modified Asphalt Concrete［J］.Construction and Building Materials，2011，25：1807.

［4］ Xiaoming Liu，Shaopeng Wu，Qunshan Ye，et al.Properties Evaluation of Asphalt－based Composites with Graphite and Mine Powders［J］.Construction and Building Materials，2008，22：121.

［5］ Shaopeng Wu，Liantong Mo，Zhonghe Shui，et al.Investigation of the Conductivity of Asphalt Concrete Containing Conductive Fillers［J］.Carbon，2005，43：1358－1363.