導電瀝青混合料拌合工序的優化

王黎明　吳文杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱　150040)

?

導電瀝青混合料拌合工序的優化

王黎明吳文杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱150040)

通過浸水馬歇爾試驗、車轍試驗和低溫小梁彎曲試驗，從電阻率、水穩定性、高溫穩定性、低溫抗裂性等方面，分析了拌合工序對導電瀝青混合料性能的影響，結果表明，簡單的改變拌合工藝可提升導電瀝青混合料的綜合性能。

道路工程，導電瀝青混合料，拌合工序，碳纖維

以短切碳纖維為主要導電組分的導電瀝青混合料[1]在融雪化冰路面技術中，因為采用環保能源，可在不中斷交通的條件下進行除雪工作，在眾多主動除雪技術[2]中逐漸為學者與工程認可。其獨特的優勢就在于加入短切的聚丙烯腈碳纖維后可以在混合料中形成導電的空間網絡結構，將本身可視為絕緣材料的瀝青混合料改變為適合作為發熱材料的導體，同時還能不同程度地增強瀝青混合料的各項路用性能[3]。碳纖維單絲強度高，模量高，化學穩定性好，并且耐高溫，預熱膨脹小，除了具備較好的導電性能外，其優良的導熱性能也迎合了融雪化冰路面的傳熱要求。

單位質量的碳纖維中含有大量單絲，這就為在混合料中形成空間網絡的導電通路提供了條件。根據程景[4]的研究，碳纖維的最佳摻量為0.1%，說明低摻量的碳纖維就可以使瀝青混合料的電阻率降低到適合作為發熱材料的電阻率范圍，所以能否將少量碳纖維在瀝青混合料中均勻分散成為一個至關重要的問題。在導電瀝青混合料生產工藝中，除了拌合時間，對纖維分散性影響較大的就是拌合工序。本文通過對不同拌合工序所制備的試件進行對比研究，發現濕拌工藝可以制備出性能更好的導電瀝青混合料。

1　試驗材料

1.1碳纖維

本次試驗使用的是無膠PAN(聚丙烯腈)基短切碳纖維，性能參數見表1。

表1　聚丙烯腈短切碳纖維物理性能參數

短切碳纖維是由碳纖維長絲短切而成，具有輕質、高強、高模、耐腐蝕、耐摩擦、碳纖維重量輕、耐高溫、膨脹系數小、導電、導熱性能好等特點，在碳纖維混合到瀝青中可以利用碳纖維相互搭接形成導電通路。碳纖維不僅可以改善導電性，且由于其單絲具有的柔韌性和較高的強度，在瀝青混合料成型的碾壓過程中或擊實過程中不會折斷和損壞；同時數量巨大的單絲會吸收游離瀝青成為結構瀝青附著于單絲表面，利于提高混合料的各項性能。

1.2瀝青

本次試驗采用90號基質瀝青，其各項參數見表2。

表2　90號瀝青參數

1.3導電瀝青混合料級配

本次試驗采用AC-13C型級配，如表3所示。選擇當地所產石灰巖作為集料，石灰巖礦粉作為填料。

表3　AC-13C級配設計

2　不同拌合工序的對比

選用碳纖維制備導電瀝青混合料，其投料工序可分為以下幾種：

前三種工序只變換了碳纖維投料的順序，可通稱為干拌法。而在試驗過程中發現預先將碳纖維與瀝青形成膠漿后再同集料拌合的濕拌工藝可以使碳纖維分散更均勻：

為了探究每種工序的優劣，以四種工序在相同試驗條件與用量下制備試件，測試其性能。

2.1電阻率

以不同的工序制備馬歇爾試件(碳纖維摻量為0.1%，油石比為5.2%)，采用伏安法測試其電阻率大小，結果如圖1所示。

由圖1可以看出，四種制備方法所得試件電阻率都在適合作為發熱材料電阻率范圍內[5]。前兩種拌合工序所制備的試件得到的電阻率較大，并且有很大的離散性，不利于導電瀝青混合料的質量控制，而后兩種電阻率較小，且工序4雖然電阻率比工序3稍大，但是數據離散性很小，對于質量控制有利。采用工序3制備的試件其中的碳纖維可以較均勻地分布在馬歇爾試件中，但仍存在少量未完全分散的碳纖維相互搭接形成了貫穿兩個測試界面的導電通路直接與電極接觸，即使通路數量較少也使得測得的電阻值偏小。然而這表現出的偏小的電阻率并不能很好地服務于均勻發熱的目的，甚至可能導致電極之間的短路而其他局部斷路。這勢必會引起發熱路面在工作時局部路面積雪無法融化。而工序4濕拌法預先將碳纖維均勻分散到融化的高溫瀝青中，成束的碳纖維分散開，以單絲狀態與瀝青混合形成更為均質的體系后同集料拌合，取得了更均勻的分散效果，電阻率稍大但表現穩定，利于質量控制和整個導電瀝青混合料結構層的穩定發熱。

2.2水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗對比不同工序制得試件的水穩定性，根據T 0709—2011的試驗方法，將第一組試件在60 ℃水浴中30 min后測試其馬歇爾穩定度MS，第二組試件在60 ℃水浴中48 h后測試其馬歇爾穩定度MS1，以MS1與MS的比值MS0為殘留穩定度，試驗結果如圖2所示。

加入適量纖維可以提升導電瀝青混合料的馬歇爾穩定度[6，7]。由圖2可以看出，而采用工序4濕拌法制備的馬歇爾試件不僅強度有所增大，所測強度值離散性小，殘留穩定度也比其他組更大，較之空白組更是有明顯提升。說明更均勻分散的纖維填充了瀝青混合料的部分空隙，吸附游離的瀝青，形成更多的結構瀝青，降低了水對混合料的損害，不僅提升了混合料的馬歇爾穩定度，對于水穩定性也有所增強。

2.3高溫穩定性

采用不同工序制備車轍試件，測試其動穩定度DS來探究拌合工序對高溫性能的影響，結果如圖3所示。

纖維的加入可以提升瀝青混合料的高溫性能[8，9]。如圖3可知，高模高強的碳纖維對改善高溫性能的作用更為顯著。纖維單絲對混合料中的集料具有握裹作用，使集料的骨架作用更加明顯，更多結構瀝青增加了混合料抵抗變形的能力，纖維絲可以傳遞應力并起到了加筋的作用，減少了混合料的變形，所以混合料整體的抗車轍能力變強，高溫穩定性得以提高。但這都是以碳纖維均勻分散為前提，所以前三種工序制備的試件動穩定度略低于工序4。

2.4低溫抗裂性能

導電瀝青混合料主要在冬季降雪多溫度低的地區使用，所以應當具備良好的低溫性能。采用低溫小梁試驗T 0715—2011檢驗不同工序所制試件的低溫抗裂性能，結果如表4所示。

表4　拌合工序對低溫抗裂性能的影響

如表4可以發現，適量的纖維摻入瀝青混合料中可以改善混合料的低溫抗裂性能。碳纖維增加了混合料的整體韌性，減少和阻滯了裂縫的產生，并且傳遞和分散了部分外界應力，使彎曲勁度模量變小，有利于抵抗外力作用和變形。而這些作用在纖維分散越均勻的情況下表現越顯著，所以工序4試件的各項低溫抗裂性能指標都優于其他組。

3　結語

通過以上不同拌合工序下所制備試件所做的各項性能對比，可得到以下結論：

1)碳纖維的加入可以不同程度提升瀝青混合料的各項性能，但是唯有纖維在瀝青混合料中均勻分散才能使之更好地發揮作用。2)采用工序4濕拌法來制備導電瀝青混合料，可以使碳纖維分散得更均勻，對于電阻率與質量的穩定性控制都更加有利，濕拌法可以制備出性能更優秀的導電瀝青混合料。

[1]吳少鵬,磨煉同,水中和,等.導電瀝青混凝土的制備研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2002,26(5):567-570.

[2]韓志斌.中國道路融冰除雪技術發展現狀及未來趨勢[J].公路與汽運,2013(6):142-145.

[3]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[J].中國公路學報,2012(2):27-32.

[4]程景.PAN基碳纖維導電瀝青混凝土研究[D].長沙：長沙理工大學,2010.

[5]寇建蘭,葉德勝.導電高分子材料[J].江西化工,2000(4):10-13.

[6]張明德.短切瀝青碳纖維混凝土馬歇爾試驗研究[J].山西建筑,2012,38(29):137-139.

[7]張宜洛.纖維對瀝青混合料結構參數及路用性能的影響研究[J].公路交通科技(應用技術版),2010(S1)：73-74.

[8]韋佑坡,張爭奇,司偉,等.玄武巖纖維在瀝青混合料中的作用機理[J].長安大學學報(自然科學版),2012,32(2)：23-25.

[9]廖常川,何立平.聚酯纖維瀝青混合料高溫性能研究[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；吳文杰(1991- )，男，在讀碩士

TU535

A