导电沥青混凝土的导电机理研究

维有 限 公司 产 的纤 维有 限公 司生 产 的短 切 沥 青基 碳 纤
石 墨 、碳纤 维和炭 黑分 别作 为 唯一 一的导 电相材 料， 维 ，石 墨粉 为河 北 邢 台矿 业有 限公 司 生产 的鳞 片 状石 其掺量 的大 小对 导 电沥 青混 凝土 的 电学性 能影 响很 大 。
单 掺碳 纤维 在 ５ 体 积 分数 左右 就 出现 了临界值 （ 流 ％ 渗 阀值 Ｐ） ｏ，小 于 单掺 石 墨 的阀值 １％ 右和 单掺 炭 黑的 ５左 阀值 ｌ％ 右 ， 原 因 是碳 纤 维 具 有很 大 长 径 比 ， 易 ７左 其 更 于 相互搭接 ， 形成 导 电通路 网络 。导 电沥青 混凝 土导 电
关键词 ：导电沥青混凝土； 石墨； 导电机理
冬 季路 面 积 雪结 冰会 导致 交通 堵 塞 和行 车 安全 性
首先 设计 Ａ － ３沥青 混合 料， Ｃ１ 再利 用导 电相材 料取
降低 ， 甚至造 成 高速公 路 、 机场 等 封 闭， 交通运 输 带来 代 部分 矿粉 ， 为一 种 填料 加 入沥 青 混合 料 中 ， 保持 给 作 一 为 不便 。一直 以来 ， 人们 都在寻 求行 之有 效 的融雪 化冰 方 沥青 混合 料 中粗 集料 的相 互嵌挤 效应 ， 中采 用体 积掺 文 法 ［］ １ 。近年 来， 国学者 均开 展 了利 用 导 电水 泥混凝 土 量作 为导 电相材 料掺 杂标准 ， － ２ 各 以保证 沥青 混合 料 的矿 料
广东 建材 ２１ 年第 ６ ０１ 期
水泥与混凝土
导 电沥青 混凝 土 的导 电机 理研究
舒 明洋
（ 昌大 学建 筑 工程 学 院） 南
摘 要 ：在普通沥青混凝土中掺入导电相材料， 可以制备出导电性能优良， 用于路面融雪除冰的沥
青 路 面材 料 。 以不 同 导电相 （ 墨 、 纤 维 、 黑 ） 为 导 电材料 ， 石 碳 炭 作 以沥 青混 合料 为 基 体 ， 置 导 电沥 青 配 混 凝 土路 面 材 料 ， 究 其 导 电 机 理 。 验 研 究 表 明导 电沥 青 混 凝 土 的 电阻 率 随着 导 电相 材料 种 类 以及 研 试 掺 量 的不 同而 变 化 ， 以用 于 融化 路 面 冰 雪 ， 效 地 抵 制 冰 雪灾 害对 于 交 通运 输 的不 利 影 响 。 可 有
墨 ， 黑 由上海 卡博特 炭 黑公 司生产 的 乙炔 炭 黑 。 碳
分别 考 察不 同石 墨 、 纤 维和 炭 黑 掺量 下 ， 电沥 青 混 碳 导 凝 土 的 电学性 能 。吴少 鹏 ， 磨炼 同等人 试验 研 究结 果 ＿ ｇ
１ 导电沥青混凝土制备工艺 ． ２
一
１ ５
水泥与混凝土
性 能变 化 规律 这 一现 象 可 以用 导 电 复合材 料 的渗 流 理 论来 解释 。当添 加少量 的导 电相 材料 时 ， 电相材 料 以 导
始 由绝缘 体向半 导体转变 。随 着石 墨掺 量的 继续 增加，
电阻率 变 化率 相 对减 小， 当石 墨掺 量 达 到 ３ ％ ， 阻 得 一定成 果 口］ 。但 目前人 多 间 隙率 ， 后利 用 马歇 尔 试验 法 确 定最 佳 油石 比， 后 然 最
数高 速公 路路 面 、 面 以及 机 场道 面 均 为舒 适 、 全 的 在加入 石 墨后， 合料 必须 充分拌和 均匀 。 桥 安 混 沥 青 混凝 土铺 装 层， 因此 ， 于导 电沥 青 混 凝土 研 究 具 对
孤立 或 小集 体 的形 式 存在 ， 子 间 的 间距较 大 ， 接较 粒 搭 少 ， 能形成 导 电链 和 导 电网络 ， 不 因而 导 电相 的掺量 对
一
１ 一 ６
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水泥与混凝土
混凝 十的体积 电阻率 的影响不 明显 ， 青混 凝十 保持 高 在 该临界掺 量前 后混合 料 电导率突 变 ５个数 量级 ： 墨 沥 石 电阻率 ，其人 小和普 通沥 青混 合料 的 电阻率 差不 多 ： 随 掺 量 的继续增 加使 导 电体 系 的 电导 率变化 趋于平 缓 。 单 着 导 电相材 料掺 量 的增大 ， 电相材 料粒 子 间间距 逐渐 掺 碳纤 维 的体积 掺 量渗 流 阀值 为 ５ 左 右 ，单掺 炭 黑 的 导 ％ 缩 小并可 以通过相 互措 接形 成 导 电链 ， 随着 导 电相材 料 阀值 １％ 右 。 ７左 掺 量进一 增大 并达 到渗滤 阀值 附近 时 ， 步 形成 导 电链 的 （ 导 电沥 青 混 凝士 的 导 电机 制实 际 Ｌ 以看 作 是 ３ ） 可 数 目迅速 增 长， 材料 的 电阻率 急剧 下 降； 当导 电相 材 料 粒予接 触效 应和 隧道 效应综 合作用 的结 果 。●
０
５
１ ０
１ ５
２ ０
２ ５
３ ０
３ Ｓ
石墨体积掺量 （ ％）
表 ２ 碳纤维体积掺量与电阻率的关系
碳 纤 维 掺量 （） ％ 电 阻率 （ ｍ Ｑ・）
图 １石 墨掺 量与 电 阻率的 关 系
１ ２
Ｉ ｊ
ｌ ２
３ ４
５ ６
２ １０ × Ｏ １ ｌ １‘ ． ×０ Ｏ
５． ０Ｘ ｌ ０ Ｏ １． ０ｌ× １ Ｏ
７ ０ ９４ ７ ９ｌ
１０
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２
７
１８ ５
３ ４ ５ ６ ７ ８
表 ３炭黑体积掺量与电阻率的关系
炭 黑掺 量 （） ％
５ ｌ Ｏ
ｌ ５ ２０ ２５ ３０
２和 ３所示 的 电学性 能变 化规 律 ， 如 当石 墨掺量 小 于 例
土 中结成 团状 物 ， 以完全 分 散 ， 样会 对 导致 对沥 青 难 这 ｌ％ 导 电混凝士 试块 的 电阻率 降低并 不 明显， Ｏ 时， 而且 仍 混 凝土 的导 电性能 的改善 效果 不是很 理想 。 从图 中电阻 然 处于 很 高 的状态 ， 此 时导 电沥 青 混合 料 处 于绝 缘状 率 的 曲线 变化 规律 ， 我们可 以将 沥青 混凝 土 导电性 能的 态 。当石墨掺 量达 到 １％ ０ 之 间时， 电沥青 混凝 土 ０ ４２ ％ 导 试 块 的 电阻率 呈现 出一个 急剧 下 降的过 程 ， 电阻 率 由 １０ ×１。 ｍ降低 至 ４ ． ５ ｍ 导 电沥 青混 合 料 开 ． ｌ ０ Ｑ・ ３ ３ Ｑ・ ， 改变分 成三个 阶段 ： 绝缘 阶段 ， 过渡 阶段 和导 电阶段 ， 且
１ ． 内试验 ４室
图 １所示测试装置，导 电沥青混凝土尺 寸为：０ｃ Ｘ ３ ｍ ３ ｃ Ｘ５ ｍ ０ ｍ ｃ 。室 内 电热性 能测 试在 Ｄ 一 Ｂ 型标准 环境箱 Ｒ２ 内进 行 ， 度调 节 范 围为 一 Ｏ １ ０ 在 导 电试件 下部 温 ４ ～ ０ ℃，
积雪 结冰 对行 车方便 和 安全 的影 响。 进而 对导 电混凝 土 的导 电机 理和 融雪化 冰 的研 究 ， 具有 非 常广 阔 的应用 前
１ ． ３电阻测试方 法
有 积极 的现 实 意义 。 青混 凝土 是 良好 的绝 缘体且 它 的 沥
试件 成 型后 ， Ｅ Ｃ Ｒ ３ ４ Ａ型 台式万 用表 测量试 用 ＳＯＴ １６ 阻值 可 以达 到 １ Ｑ・ｍ ０。 ｃ 。但 是通过 往 普通 沥 青混 凝土 件 的电阻 。 中添加 一些导 电物质 如石 墨粉 、 碳纤 维 、 以及 高炉炭 黑 ，
可 以制备 出导 电沥青 混凝土 ， 的导 电性 能发 牛 了质 的 它 变化 降至 １ ｃ ０ Ｑ・ｍ甚至更 低 ［ ］ ５ 。它 良好 的导 电性 能和 － ６ 路用 性能可 以将其 应用 于路面 、 面或 者机 场跑 道 结构 桥 中， 用于 结构 的融 雪化 冰 ， 而有 效 地 降低 了冬 季路 面 从
量下 导 电沥 青混凝 土 电阻率 的数据 相差 很大 ， 文采用 本
电阻率 的对 数 ｌ ｇ对石 墨 、 纤维 和炭 黑 的掺量 作 图进 ｏ 碳 行对 比分析 ， 图 １ 图 ２和 图 ３ 示 。 如 、 所
鬟 黑谇 积 弗熏 （ ％）
图 ３ 炭 黑掺 量与 电阻率的 关 系 导 电性 能 ：碳 纤维单 位体积 对 电阻 率的 改善效 果最佳 ， 炭 黑单位 体积 对 电阻率 的改善 效果最 差 ， 但是 石墨 的最
性 能变化规 律及 其导 电机理 。
１买验
图 Ｉ 室 内实验 示意 图
１ 原材料 ． １
２ 导电沥青混凝土的电学性能及机理探讨
文中所用 沥青 为加德 士产 的 ７ Ｏ号 沥青 ，集 料 为玄 导 电沥 青 混凝 土 电学性 能 的 改善 主 要依 靠添 加 导 武石 碎石 ， 粉 为石 灰 岩 磨细 石粉 ， 矿 其各 项 性 能指 标 均 电相材 料 ， 因此 导 电相 材料 的掺 量和 种类将 对 其导 电性 符合 （Ｔ ０ ２ ２ ０ ） Ｊ Ｊ ５ — ０ ０ 要求 。碳 纤维 为辽 宁鞍 山东 亚碳 纤 能产 生决 定性 的影 响。
表 １石墨体积掺量与电阻率的关系
石 墨 掺量 （） ％
５
ｌ２
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电 阻率 （２ｍ （・）
３． ０× １ ８ Ｏ０
１。
言ｓ
ｌ ０
１ ５
１ Ｏｌ× １ ． ０
６． ３× １ ０ Ｏ Ｏ
掌
馨
２
２ ０ ２５ ３０
４ ３５ ３． ５ ７ ．６ ３． ６ ３
掺 量超过 渗滤 阀值 时 ， 穿于 导 电沥 青 混凝土 的 导 电链 贯 已经形成 ， 导 电相材 料粒 子 问有相 当火程 度 的搭接 ， 此
时试块 的导 电以沿 导 电相材 料链 的 电子传 导为 主 ， 体积 电阻率丰要 取决于 导 电相 材料 本身 的导 电能力 。 增加 导 电相材 料 的掺 量仅 可 以使 导 电链 的条数 增加 ， 因而材 料
率 已下 降到 ３ ３ ． ６Ｑ・ ，可 以认 为 此 时导 电沥青 混凝 土 ｍ
试块 已经具有较 好 的导 电性能 。 图中 同样 也可 以得 出 从
碳纤维 掺量 改变 对 电阻率 的变化 具有 类似 的效 果 ， 且 而
通过 对 比分 析可 知 三种 导 电相 材 料单 独 对沥 青 混凝 土
的 电阻率还 是随着 导 电相 材料 掺量 增加 而减 小 ， 减 小 但
的速 度大 大 降低 。
由此 我们 可 以得 出导 电沥 青混 凝 士 的导 电机 制 实 际上可 以看 作 是粒 子 接触 效 应 和 隧道 效应 综 合作 用 的 结果 。在 低石 墨掺量 （ ＜Ｐ） ， 电粒子 接触 几率ｔ ｄ． Ｐ 。时 导 Ｋ＇ 同时导 电粒 子 间的距 离大 ， 电子难 以完成 跃 迁 ， 系 呈 体
景 ［ｏ ７ ］
设置绝热层， 以阻止热量 向下传导， 高加热效率 嘲 提 。利 用 可调 电源输 入交 流稳 定 电压 ， 利用 热 电阻温 度 测试 系统
监测温 度变 化状 况 。
以石 墨为 导 电相 材料制 备 导 电沥 青 混合料 ， 过 改 通 变 导 电相材 料 的种类 和 掺 量研 究 导 电沥 青混 合 料 电学
三 种 导 电相 材 料 体积 掺量 与 电阻率 的 关系 曲线有
许 多共 同之 处 ： 随着 石墨 、 纤 维和 炭 黑掺 量 的不 断 增 碳
终改善 效果 比碳纤 维材料 要好 ， 这是 因为随着 碳纤 维在 沥 青混凝 土 中的掺量 的增 大 ， 纤维 很容 易在 沥青 混凝 碳
加 ， 电沥青混 凝 土 的电阻 率不 断下 降 ， 出现 如 图 １ 导 并 、
磺 纤雏 体 积 掺量 （‘ ， ）
电阻 率 （ ｍ Ｑ・）
３． ４× ｌ ｌ ＯＯ ７ ．３× １ ０ Ｏ
２． ４× １ Ｏ ３． ＯＸ ｌ ０ ０ ５３ｌ １Ｏ ５
图 ２碳 纤 维掺 量 与 电阻率的 关 系
列 于表 １ 表 ２和表 ３ 由于 不 同石 墨 、 、 。 碳纤 维和 炭黑 掺