石墨碳纖維導電瀝青膠漿路用性能研究

馮新軍，楊振華

（長沙理工大學電力與交通安全監控及節能技術教育部工程研究中心，長沙 410004）

近年來，隨著瀝青混凝土路面的廣泛應用與蓬勃發展，許多問題也隨之而來。我國絕大部分地區處于亞熱帶，四季分明，冬季寒冷。降雪期間使得路面積雪結冰影響道路暢通以及行駛安全，比如機場經常會因為下雪而封閉停運，高速公路會封閉或者限行，據統計，我國冬季30%的交通事故是由于路面積雪結冰引起的，影響人民生命財產安全、對社會經濟造成重大損失［1，2］。除此之外，隨著工業化的進程，氣候環境也在急速惡化，極端天氣頻繁發生，我國中部及部分南方地區也頻繁遭受凍雨雪災等寒冷天氣的侵襲，影響交通運輸。導電瀝青混凝土是通過在瀝青混合料中摻加適量導電組分如纖維、石墨粉、鋼渣等，使絕緣的瀝青混合料變成具有良好導電性能的新型復合材料。導電瀝青混凝土與外部電源接通后，由于電熱效應產生熱量，熱量由瀝青混凝土內部傳至路面表層，使路表溫度升高，起到融冰化雪的作用。與使用除雪機械相比，導電瀝青混凝土無須封閉交通；而與融雪劑相比，利用導電瀝青混凝土融冰化雪不會對植物、建筑物、路面及車輛造成污染，更加環保。可以說導電瀝青混凝土的開發，使得道路積雪結冰的問題得以高效、安全和經濟的解決［3，4］。瀝青和填料的混合物稱為瀝青膠漿，它們的相對比例影響著瀝青膠漿的性質，進而影響瀝青混合料的粘彈性和流變性質，對瀝青混合料的高、低溫性能、耐疲勞性能和水穩性都有很大的影響［5－7］。該文以石灰巖礦粉為填料，通過固定粉膠比并分別摻入不同摻量的石墨和碳纖維制備瀝青膠漿，研究石墨和碳纖維摻量對瀝青膠漿路用性能的影響，為瀝青混合料設計提供指導。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

本研究采用湖南寶利瀝青公司的SBS改性瀝青，主要技術性能指標見表1，符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F 40—2004）［8］聚合物改性瀝青I－D的技術要求。采用石灰石礦粉作填料，其各項性能指標均符合規范要求。采用山東青島天源達LG－150－96高碳鱗片石墨，主要性能指標見表2。采用南京緯達的9 mm短切PAN基碳纖維，主要性能指標見表3。

表1 SBS改性瀝青主要技術性能

表2 石墨技術性能

表3 短切PAN基碳纖維技術性能

1.2 試驗方案

首先固定粉膠比0.8和碳纖維摻量0.2%，分別制備石墨摻量為0%、10%、20%、30%和40%的石墨碳纖維瀝青膠漿；然后固定粉膠比0.8和石墨摻量20%，分別制備碳纖維摻量0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的石墨碳纖維瀝青膠漿，其中碳纖維為瀝青膠漿質量百分比，石墨為改性瀝青體積百分比。

對10種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿分別進行軟化點試驗、動態剪切流變試驗、延度試驗、彎曲蠕變勁度試驗以及Brookfield旋轉粘度試驗，分析石墨和碳纖維摻量對瀝青膠漿路用性能的影響。

2 石墨和碳纖維摻量對瀝青膠漿高溫性能的影響

2.1 軟化點試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E 20—2011）［9］規定的方法對十種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿進行軟化點試驗，試驗結果如圖1、圖2所示。

從圖1可以看出：隨著石墨摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的軟化點一直呈增大趨勢，并且隨著石墨摻量的增加提高的幅度逐漸增大，其變化曲線近似開口向上的二次拋物線，相關系數達到0.997。

從圖2可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的軟化點一直呈增大趨勢，并且隨著碳纖維摻量的增加提高的幅度逐漸變小，其變化曲線近似開口向下的二次拋物線，相關系數達到0.990。

2.2 動態剪切流變試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E 20—2011）［9］規定的方法對十種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿進行動態剪切流變試驗，采用70℃時的抗車轍因子G＊/sinδ來評價瀝青材料抗高溫變形能力，試驗結果如圖3、圖4所示。其中摻40%石墨碳纖維瀝青膠漿的G＊/sinδ超出了儀器測量范圍，無法進行測定。

從圖3可以看出：摻了0.2%的碳纖維瀝青膠漿的G＊/sinδ達到了16.9kPa，在摻入10%的石墨后快速降到了10kPa，這是因為石墨是一種良好的潤滑劑，層間具有典型的分子相互作用，作用力極小，層間易滑動，因此降低了瀝青膠漿的抗剪切變形能力。隨著石墨摻量的繼續增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的G＊/sinδ一直呈增大趨勢，但是仍然沒有達到達到16.9kPa。這是因為石墨對瀝青的吸附作用使瀝青膠漿更稠硬，從而一定程度上提高了其抗剪切變形能力。

從圖4可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的G＊/sinδ一直呈增大趨勢，其變化曲線近似開口向上的二次拋物線，相關系數達到0.988。這是因為碳纖維不僅對瀝青有吸附作用，而且具有加筋增強作用，從而提高了石墨碳纖維瀝青膠漿的抗高溫變形能力。

3 石墨和碳纖維摻量對瀝青膠漿低溫性能的影響

3.1 延度試驗

從圖5可以看出：隨著石墨摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的延度一直呈減小的趨勢，其變化曲線近似開口向上的二次拋物線，相關系數達到0.988。說明隨著石墨的加入，瀝青膠漿塑性變形能力降低，并且隨著石墨摻量的增加下降幅度減慢。

從圖6可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的延度一直呈減小的趨勢，其變化曲線也近似開口向上的二次拋物線，相關系數達到0.996。說明隨著碳纖維的加入，瀝青膠漿的塑性變形能力也會降低，并且隨著碳纖維摻量的增加下降幅度減慢。

3.2 彎曲蠕變勁度試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E 20—2011）［9］規定的方法對十種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿進行瀝青彎曲蠕變性質試驗，采用－10℃時瀝青膠漿彎曲勁度模量和m值評價瀝青低溫抗裂性能，試驗結果如圖7、圖8、圖9和圖10所示。

從圖7可以看出：隨著石墨摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的彎曲勁度模量一直呈增大趨勢，其變化曲線近似開口向下的二次拋物線，相關系數達到0.998。說明隨著石墨摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿變得更脆更硬，低溫抗裂性能下降。

從圖8可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的彎曲勁度模量呈增大趨勢，但是在碳纖維摻量達到0.2%后，石墨碳纖維瀝青膠漿的彎曲勁度模量變化趨于平緩。說明碳纖維摻量小于0.2%時，石墨碳纖維瀝青膠漿的低溫抗裂性能隨碳纖維摻量的增加呈下降趨勢，而在碳纖維摻量大于0.2%以后，石墨碳纖維瀝青膠漿的低溫抗裂性能變化較小。

從圖9可以看出：石墨碳纖維瀝青膠漿的m值隨石墨摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，在石墨摻量20%時達到最大值。說明石墨摻量小于20%時，石墨碳纖維瀝青膠漿的應力松弛能力隨石墨摻量的增加呈增大趨勢；而在石墨摻量大于20%以后，石墨碳纖維瀝青膠漿的應力松弛能力逐漸下降。

從圖10可以看出：石墨碳纖維瀝青膠漿的m值隨碳纖維摻量的增加呈開口向下的二次拋物線變化，相關系數達到0.936，在碳纖維摻量0.2%時達到最大值。說明在碳纖維摻量在0%～0.2%之間時，石墨碳纖維瀝青膠漿的應力松弛能力呈增大趨勢，而在碳纖維摻量大于0.2%以后，石墨碳纖維瀝青膠漿的應力松弛逐漸下降。

4 石墨和碳纖維摻量對瀝青膠漿施工和易性的影響

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E 20—2011）［9］中T 0625規定的方法對十種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿進行布氏旋轉粘度試驗，測量影響前后瀝青膠漿試樣在溫度175℃、轉子型號21號以及轉子速率為20r/min下的粘度，試驗結果見表4、表5。

表4 瀝青膠漿旋轉粘度隨石墨摻量變化結果

表5 瀝青膠漿旋轉粘度隨碳纖維摻量變化結果

從表4可以看出：摻了0.2%的碳纖維瀝青膠漿的旋轉粘度為0.714Pa·S，在摻入10%的石墨后急劇增加到了3.61Pa·S，說明石墨的加入使得瀝青膠漿變得更加稠硬，施工和易性下降。但當石墨摻量繼續增加時，石墨碳纖維瀝青膠漿的旋轉粘度增大幅度減小，當石墨摻量增加到30%時，扭矩百分比超出了儀器測量范圍，已無法進行粘度測量。

從表5可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的旋轉粘度呈增大趨勢，施工和易性下降。但由于摻量非常小，使得克服的扭矩增加比較小，所以布氏黏度增加幅度較小。當碳纖維摻量增加到0.3%時，扭矩百分比超出了儀器測量范圍，已無法進行粘度測量。

5 結 論

a.石墨的加入降低了石墨碳纖維瀝青膠漿的抗高溫變形能力和低溫抗裂性，并且顯著降低了石墨碳纖維瀝青膠漿的施工和易性。

b.碳纖維的加入可以提高石墨碳纖維瀝青膠漿的抗高溫變形能力，但是降低了石墨碳纖維瀝青膠漿的低溫抗裂性和施工和易性。

［1］ 馮新軍，查旭東，程 景.PAN基碳纖維導電瀝青混凝土的制備及性能研究［J］.公路，2011，3（2）：27－32.

［2］ 張 鴻，王立久，趙善宇，等.PANI/PP復合導電纖維瀝青混凝土導電機制［J］.大連理工大學學報，2010，7（4）：564－569.

［3］ 曹艷霞，查旭東.碳纖維導電改性瀝青混合料性能試驗研究［D］.長沙：長沙理工大學，2013.

［4］ 高宇星，王向陽.碳纖維石墨導電瀝青混凝土的制備及電熱效應研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

［5］ 劉 麗，郝培文.瀝青膠漿高溫性能及評價方法［J］.長安大學學報（自然科學版），2007，9（5）：30－34.

［6］ 劉 麗，郝培文.瀝青膠漿低溫性能及評價方法研究［J］.公路，2005，8（8）：139－142.

［7］ 劉 麗，郝培文.瀝青膠漿粘度特性分析［J］.河北工業大學學報，2006，4（2）：109－113.

［8］ 交通部公路科學研究所.公路瀝青路面施工技術規范（JTG F 40—2004）［Z］.人民交通出版社，2004.

［9］ 交通運輸部公路科學研究所.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程（JTG E 20—2011）［Z］.人民交通出版社，2011.