目錄TOC\o"1-3"\h\u150421緒論 1101481.1研究的背景和意義 123541.2導(dǎo)電瀝青混凝土的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 4294001.3本文的主要研究內(nèi)容 5138592文獻綜述 6107472.1導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電介質(zhì)分類 666492.2導(dǎo)電機理 764992.2.1復(fù)合導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機理 7223092.2.2石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機理 10110822.2.3導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電模型 125862.2.4瀝青用量對導(dǎo)電性能的影響 13204622.2.5石墨用量對導(dǎo)電性能的影響 14185022.2.6壓實度對導(dǎo)電性能的影響 14286462.3溫敏特性概述 14270683實驗部分 165233.1主要儀器與設(shè)備 16245413.2制備工藝 17270343.3導(dǎo)電瀝青混凝土的材料組成 18236753.4導(dǎo)電相材料摻量 2098543.5實驗方法 21101563.5.1確定每個試塊的瀝青混合料的質(zhì)量 21289073.5.2電阻率測量 21121654實驗結(jié)果及討論 24252504.1不同摻量的導(dǎo)電石墨對導(dǎo)電性能的影響 246964.2細度變化對石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的影響 2591204.3環(huán)境溫度對導(dǎo)電瀝青混凝土的影響 26299784.4濕度對導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電性能的影響 28320095結(jié)論及建議 3025945參考文獻 313202致謝 33TOC\o"1-3"\h\u1緒論1.1研究的背景和意義從20世紀50年代以來世界各國修建的瀝青混凝土路面的數(shù)量增長迅猛。在總的公路里程當(dāng)中,瀝青混凝土路面所占的比重越來越大。20世紀20年代我國上海開始鋪設(shè)瀝青路面。1949年以后隨著中國自產(chǎn)路用瀝青材料工業(yè)的發(fā)展，瀝青路面開始廣泛應(yīng)用于城市道路和公路干線，成為目前中國鋪筑面積最多的一種高級路面。改革開放以后我國高速公路建設(shè)事業(yè)取得了突出成就。1988年我國第一條高速公路—全長18.5公里的滬嘉高速公路建成通車。此后又相繼建成全長375公里的沈大高速公路和143公里的京津塘高速公路。1990年在國道主干線總體規(guī)劃指導(dǎo)下，我國高速公路建設(shè)步伐不斷加快，每年建成的高速公路由幾十公里上升到1000公里，甚至高達5000公里。根據(jù)國家高速公路網(wǎng)布局方案和效果我們確定的國家高速公路網(wǎng)布局方案可以歸納為“7918”網(wǎng)，采用放射線和縱橫網(wǎng)格相結(jié)合的形式，包括7條北京放射線，9條縱向路線和18條橫向路線組成，總規(guī)模約8.5萬公里，其中主線6.8萬公里，地區(qū)環(huán)線、聯(lián)絡(luò)線等其它路線約1.7萬公里[1]。與水泥混凝土路面相比，瀝青混凝土路面具有如下優(yōu)勢陣，首先，瀝青混凝土是一種具有彈性、塑性以及粘性的復(fù)合材料，在施工中不需要設(shè)置伸縮縫，而水泥混凝土是一種剛性材料，因為溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮，需要在路面建設(shè)時預(yù)留伸縮縫。第二，瀝青混凝土路面與水泥混凝土路面相比表面比較平整，同時又有一定的粗糙度，使得瀝青混凝土在雨雪天氣也具有一定的抗滑性能；黑色的瀝青混凝土路面沒有明顯的強反光，降低了行車安全隱患；瀝青混凝土材料具有一定的彈性和塑性，起到減緩震動，降低噪音的作用，行車更為舒適。第三，瀝青混凝土施工方便快捷。不管是水泥混凝土路面還是瀝青混凝土路面，都會在幾年后涉及到修補的問題。水泥路面重修時要比瀝青路面麻煩很多，費用也高出了不少。幾公里的瀝青路面要想加鋪瀝青層，一個晚上就可以實現(xiàn)，而水泥路面重修的施工過程要繁瑣很多，首先要用大型設(shè)備粉碎路面，然后再進行平鋪工程等等。同樣長度的公路，如果是瀝青路面一晚上完成，水泥路面恐怕一個月也不能完成。因此，瀝青混凝土路面必將成為今后公路建設(shè)的主要路面結(jié)構(gòu)形式，目前已經(jīng)在高速公路、機場跑道、橋面鋪裝、城市道路等各個方面得到廣泛的應(yīng)用，而且隨著經(jīng)濟和交通事業(yè)的發(fā)展以及公路交通的需要，瀝青混凝土路面將逐步取代水泥混凝土路面，得到更為廣闊的發(fā)展[2-3]。隨著瀝青混凝土路面的廣泛應(yīng)用與蓬勃發(fā)展許多問題也隨之而來。其中冬季大量的道路積雪己成為安全行車的重大隱患，尤其在高速公路上積雪對交通的危害愈來愈突出。積雪能中斷交通或使汽車剎車失靈[4-5]。特別是近幾年氣候的改變，我國中部及部分南方地區(qū)也頻繁遭受凍雨雪災(zāi)等寒冷天氣的侵襲影響交通運輸。比如2008年1月10日起中國湖北、貴州、云南、甘肅、青海、寧夏、新疆等19個省級行政區(qū)均受到低溫、雨雪、冰凍災(zāi)害影響，死亡60人，交通嚴重受阻，其中有14個民航機場因大雪被迫封閉,五縱七橫干線也有約2萬公里封閉限行，滯留旅客達到百萬。車站以及公路沿線，造成直接經(jīng)濟損失537.9億元[6-7]。為了保障行車安全和道路通暢，提高道路的運營效率，必須采取有效措施防止并清除積雪。目前國內(nèi)外除雪方式主要有人工清除法、機械清除法和撒融雪劑法。人工清除法效率低且影響交通，機械清除法設(shè)備昂貴且閑置期長。撒融雪劑法是最常見且被廣泛應(yīng)用的方法，世界各國主要通過撒鹽(NaCI、CaCI2)來實現(xiàn)融冰化雪。然而，撒鹽給混凝土路面結(jié)構(gòu)和環(huán)境帶來了許多負面效應(yīng)，主要表現(xiàn)為鋼筋鋼纖維銹蝕、路面剝離破壞和環(huán)境污染等問題。世界上不少國家因使用除雪鹽造成道路、橋梁的嚴重破壞，目前正在花費巨額費用進行修復(fù)，其經(jīng)濟損失十分巨大。例如，1998年，美國60萬座鋼筋混凝土橋中，被列入修復(fù)計劃的費用是2000億美元，是當(dāng)初建橋費用的4倍。因此，迫切地需要開發(fā)新型的道路融雪化冰方法來取代傳統(tǒng)方法，以減少除雪鹽的使用，降低其對道路、橋梁的損壞[8]。表1.1中是目前應(yīng)用過的融冰化雪的方式類型以及它們各自的優(yōu)點和缺點。其中，導(dǎo)電瀝青混凝土是在普通瀝青混合料的基礎(chǔ)上按照一定的比例摻入導(dǎo)電相材料，通過改變?yōu)r青混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成使之由絕緣材料轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詫?dǎo)電的新型復(fù)合材料。導(dǎo)電瀝青混凝土與外部電源接通后，由于電熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量，熱量由瀝青混凝土內(nèi)部傳至路面表層，使路表溫度升高，起到融冰化雪的作用。利用導(dǎo)電瀝青混凝土法融雪具有及時、無需中斷交通、綠色環(huán)保等優(yōu)點，在融冰化雪技術(shù)領(lǐng)域中具有非常明顯的天然優(yōu)勢，特別是在橋面鋪裝、機場跑道建設(shè)以及高速公路的彎道、坡路等對路面摩擦力要求較高的地段。大力推廣和使用導(dǎo)電瀝青混凝土，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)及時、高效的清除路面的冰雪，保障道路暢通及行駛安全，而且更重要的是能夠減少甚至杜絕使用融冰鹽，徹底免去融冰鹽對道路橋梁和環(huán)境的危害,實現(xiàn)國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。表1.1不同類型的融冰化雪方法及各自特點融冰雪化冰方式類型優(yōu)點缺點清除法人工清除法除雪較徹底效率低、影響交通、浪費人力機械清除法機械設(shè)備鏟雪除雪面積大、速度較快清除不徹底、影響交通、設(shè)備昂貴且閑置期長，經(jīng)濟效益差吹風(fēng)機除雪除雪安全環(huán)保適用范圍小、機械需求量大、費用大融化法化學(xué)融化法氯化物融雪劑法材料來源廣泛、價格便宜降低路面耐久性、污染環(huán)境環(huán)保融雪劑法環(huán)保、融雪較氯鹽快價格昂貴難以推廣熱化學(xué)法地?zé)峁芊ㄓ们鍧嵞茉?、綠色環(huán)保融雪效率低，初期投資大，且耐久性較差紅外線管加熱自動融雪、易于控制升溫過于遲緩且受外部風(fēng)向的影響大，現(xiàn)已基本不用電熱絲法不需變壓器等服務(wù)設(shè)施、加熱效果好電熱絲易被行車載荷破壞，不易維修，限制了其應(yīng)用流體加熱法利用自然熱水源或太陽能加熱、綠色環(huán)保系統(tǒng)本身與安裝價格昂貴、換熱管道易滲漏而影響加熱效果導(dǎo)電混凝土法融雪及時、無需中斷交通、綠色環(huán)保要消耗電能，適宜于在機場、橋面等重要路段應(yīng)用另一方面，在低溫環(huán)境中對導(dǎo)電瀝青混凝土通電，使路面的溫度升高，可以改善瀝青混凝土路面由于低溫而開裂的問題。導(dǎo)電瀝青混凝土具有很好的機敏特性，可以通過測定電阻率的變化反映路面內(nèi)部情況，同時還可以使瀝青混凝上具有結(jié)構(gòu)自診斷功能。1.2導(dǎo)電瀝青混凝土的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀1968年，L.D.Minsk首次發(fā)表了美國聯(lián)邦航空局與超級石墨公司共同研制的石墨(25wt%)導(dǎo)電瀝青混凝土及其試驗應(yīng)用情況：六個試驗段在兩個冬季中表現(xiàn)出了令人滿意的融雪效果，但經(jīng)過18個月后電阻率升高了21%至85%，同時研究認為導(dǎo)電瀝青混凝土的成本相對于其它路面加熱方法更具有競爭力。1998年，美國的L.D.Zaleski公布了電傳導(dǎo)性路面混合料與道路系統(tǒng)專利，該專利研究了無定形石墨與合成石墨(2:1)的混合物(20wt%～30wt%)摻入瀝青混合料中制備出的導(dǎo)電瀝青混合料電阻率達到100至15Ω·m，施加120V電壓時可用來融化路面的冰雪。2000年，R.L.Fitzgerald研究發(fā)現(xiàn)摻入碳纖維(0.5wt%)不僅可使瀝青混凝土的電阻率降低一個數(shù)量級，而且可改善瀝青混凝土的力學(xué)性能。國內(nèi)的吳少鵬等從2002年開始對導(dǎo)電瀝青混凝土進行了大量的富有成效的探索與研究工作，主要包括導(dǎo)電瀝青混合料的組成設(shè)計及其制備、導(dǎo)電機理分析、機敏特性和自診斷應(yīng)用研究等方面[10]。研究發(fā)現(xiàn)：(1)石墨對瀝青混凝土導(dǎo)電性能的改善效果良好，摻入足量的石墨可以使瀝青混凝上的電阻率達到融雪化冰應(yīng)用要求，但混凝土的路用性能不能滿足；炭黑的吸油性、石墨的潤滑性和碳纖維的分散性分別限制了其在瀝青混凝土中的摻量。(2)石墨和碳纖維復(fù)合可制備具有良好導(dǎo)電性能的瀝青混凝土，且其路用性能也有所提高，但電學(xué)性能的穩(wěn)定性與路用性能的耐久性有待深入研究。(3)采用滲流模型解釋摻入石墨后瀝青混凝土導(dǎo)電通路的形成與發(fā)展，發(fā)現(xiàn)石墨粒子間隙會由于熱擾動和瀝青的熱膨脹而增大，進而影響電導(dǎo)率的穩(wěn)定性。(4)導(dǎo)電瀝青混凝土在應(yīng)力應(yīng)變下具有靈敏的電阻變化響應(yīng)；在間接拉伸試驗下，導(dǎo)電瀝青混凝土具有良好的機敏特性，對外加應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變具有良好的診斷能力，可用于瀝青混凝土內(nèi)部損傷診斷[11-12]。綜上所述，導(dǎo)電瀝青混凝土的應(yīng)用技術(shù)正在逐步成熟，從已有的研究成果來看，導(dǎo)電瀝青混凝土通過摻入導(dǎo)電相材料已經(jīng)可以實現(xiàn)融冰化雪，雖然路用性能會因為石墨的引入導(dǎo)致一定程度的下降，但碳纖維的加筋作用彌補了這一不足[13]，導(dǎo)電瀝青混凝土的各項指標也均符合我國使用的技術(shù)規(guī)范。目前存在的主要問題一方面是在保證路面路用性能的基礎(chǔ)上降低電阻率，提高融雪效率；另一方面就是導(dǎo)電瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計。導(dǎo)電瀝青混凝土在國內(nèi)還沒有經(jīng)過試驗段的驗證，如何經(jīng)濟高效的實現(xiàn)在工程中的應(yīng)用，并制定出一套適合導(dǎo)電瀝青混凝土的施工工藝必將成為今后研究的重點之一。1.3本文的主要研究內(nèi)容本課題的主要工作就是在了解目前瀝青路面材料組成和導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上，通過初步選擇確定出大致的導(dǎo)電介質(zhì)（最好顆粒狀），再通過配比實驗確定出導(dǎo)電介質(zhì)的合適摻量（電阻率適合電熱融冰雪），就是在目前瀝青路面材料的基礎(chǔ)上摻加哪幾種、摻加多少導(dǎo)電介質(zhì)后，路面材料的電阻率適合于電熱融冰雪。在此基礎(chǔ)上，尚須進行導(dǎo)電瀝青路面材料導(dǎo)電穩(wěn)定性的影響因素研究，即分析有哪些因素影響電阻率的穩(wěn)定性。2文獻綜述2.1導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電介質(zhì)分類目前，導(dǎo)電瀝青混凝土的研制根據(jù)其選擇的導(dǎo)電相材料分為三個大的方向，包括粉末狀導(dǎo)電相材料、纖維導(dǎo)電相材料和集料導(dǎo)電相材料。國內(nèi)外學(xué)者分別對各種導(dǎo)電相材料制備的導(dǎo)電瀝青混凝土進行了相應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)各種導(dǎo)電相材料都可以在一定程度上提高瀝青混凝土的電導(dǎo)率[14]。(l)導(dǎo)電粉末(石墨、炭黑)石墨和炭黑具有良好的導(dǎo)電性，與銅粉、鐵粉、鋁粉等金屬粉末相比，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐酸堿、抗氧化性好等優(yōu)點，是制備導(dǎo)電瀝青混凝土最理想的導(dǎo)電相材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入石墨后，導(dǎo)電瀝青混凝土電阻率顯著降低，其規(guī)律是：開始時，石墨摻量逐步增大，電阻率呈緩慢降低；到石墨摻量達到瀝青體積的11%一12%時，電阻率突然顯著下降；繼續(xù)加大摻量時，電阻率降低速度變緩。采用滲流理論能進行解釋這種變化規(guī)律。在研究石墨導(dǎo)電瀝青混凝土力學(xué)性能時發(fā)現(xiàn)，隨著石墨摻量的增加顯著削弱瀝青混凝土的路用性能，特別是力學(xué)性能具有潤滑性：炭黑能降低瀝青混凝土電阻率，但在同等摻量下不如石墨有效；且由于炭黑的多孔結(jié)構(gòu)而具有顯著的吸油性。從經(jīng)濟性角度說炭黑遠遜于石墨[15、18]。(2)導(dǎo)電纖維(碳纖維、鋼纖維)碳纖維自身具有高強、高模、高彈、耐高溫、耐酸堿腐蝕和良好的導(dǎo)電性能，碳纖維導(dǎo)電混凝土具有良好的導(dǎo)電性和電熱效應(yīng)；鋼纖維具有提高混凝土的抗拉、抗彎、抗剪等力學(xué)性能的優(yōu)點[16]，同時作為金屬也可以發(fā)揮導(dǎo)電功能，但是其與瀝青的相容性不好，用于混凝土中必然導(dǎo)致成本偏高。瀝青混凝土中摻入適量的碳纖維時，碳纖維不僅能顯著降低瀝青混凝土電阻率，而且在一定程度上能增強其力學(xué)性能；但由于碳纖維在瀝青混凝土制備過程中存在難以分散的問題而無法大量摻入。SherifYehia等在研究鋼纖維導(dǎo)電混凝土?xí)r發(fā)現(xiàn),隨著時間的延長，鋼纖維混凝土的電阻率明顯增大，經(jīng)過1年后增大了近60倍，原因在于環(huán)境中的堿性使得金屬產(chǎn)生鈍化膜，增加了電阻率[17]。(3)導(dǎo)電集料(鋼渣)鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。鋼渣具有與硅酸鹽相似的化學(xué)成分，其力學(xué)性能較扎制的碎石好，不僅耐磨、顆粒級配形狀好，而且與瀝青有良好的粘附性，故可以考慮作為瀝青混凝土原材料使用。如果其能成功應(yīng)用，一方面可節(jié)約礦料資源，另一方面可以對鋼渣這種廢棄物進行利用，前景廣闊；同時鋼渣中含有15%一26%的氧化鐵、10%一15%的金屬廢鋼，因而其顆粒通常具有導(dǎo)電性，可以考慮用作導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電介質(zhì)[19]。PerviZAhmedzade等人通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣替代SMA瀝青混合料中部分石灰?guī)r粗集料時，可以大幅提高瀝青混凝土的力學(xué)性能，同時其電導(dǎo)率要明顯大于石灰?guī)r瀝青混合料，但如果要達到融雪化冰所要求的電阻率則相去甚遠。2.2導(dǎo)電機理普通的瀝青混凝土屬于高度的不良導(dǎo)體，其電阻率可以高達1015Ω·m,但是在混凝土中添加一定量的導(dǎo)電物質(zhì)，如石墨顆粒、鋼纖維、碳黑以及碳纖維，則可使其導(dǎo)電性能大大增強，有望制備出具有良好電學(xué)性能的瀝青混凝土。目前，學(xué)術(shù)界主要有三種理論用于解釋復(fù)合材料的導(dǎo)電機理：滲濾理論、隧道效應(yīng)學(xué)說、電場發(fā)射學(xué)說[20]。其中，滲濾理論是從宏觀上闡述復(fù)合材料的導(dǎo)電行為，而隧道效應(yīng)學(xué)說、電場發(fā)射學(xué)說都是從微觀意義上解釋復(fù)合材料的導(dǎo)電行為。這三種理論最早被應(yīng)用于導(dǎo)電高分子復(fù)合材料。隨著陶瓷基、水泥基復(fù)合材料的相繼出現(xiàn)，這三種理論被原本移植過來，并用于解釋相應(yīng)的導(dǎo)電現(xiàn)象。這三種理論本質(zhì)上都是正確的，但需要結(jié)合具體情況來解釋相應(yīng)材料的導(dǎo)電行為。碳纖維導(dǎo)電混凝土、鋼纖維導(dǎo)電混凝土及石墨導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電相只有一種，即碳纖維、鋼纖維或石墨[21]。2.2.1復(fù)合導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機理導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電機理研究是導(dǎo)電復(fù)合材料研究過程中的熱點課題之一。復(fù)合導(dǎo)電材料的發(fā)展可以追溯到上世紀中葉。自從復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料出現(xiàn)后，人們對其導(dǎo)電機理進行了廣泛的研究，獲得了一批研究成果，提出了許多理論模型。但是對于復(fù)合導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機理人們?nèi)匀灰恢贝嬖跔幷?。目前比較流行的有兩類理論：一類是宏觀的滲流理論，即導(dǎo)電通路學(xué)說；另一類是量子力學(xué)的隧道效應(yīng)和場致發(fā)射效應(yīng)學(xué)說[22]。目前這兩類理論都能夠解釋一些實驗現(xiàn)象。(l)導(dǎo)電通道學(xué)說導(dǎo)電通道理論最早由Kemp提出，其后Parkinson，Habgood，Bulgin等人作了一些修正。導(dǎo)電通道學(xué)說的實踐基礎(chǔ)是復(fù)合型導(dǎo)電材料其添加濃度必須達到一定數(shù)值后才具有導(dǎo)體性質(zhì)。導(dǎo)電分散相在連續(xù)相中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)必然需要一定濃度和分散度，只有在這個濃度以上是復(fù)合材料的導(dǎo)電能力會急劇升高，因此這個濃度也稱為臨界濃度。認為只有在此濃度以上，導(dǎo)電材料作為分散相在連續(xù)相高分子材料中相互接觸構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)[23]。該理論認為這種在復(fù)合材料體系中形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是導(dǎo)電的主要原因。一般而言，當(dāng)導(dǎo)電粒子相互接觸形成鏈狀網(wǎng)絡(luò)，或是導(dǎo)電粒子的間隙很小(<100nm)時，即可形成電流的通道。處于接觸狀態(tài)的導(dǎo)電粒子越多，網(wǎng)絡(luò)越密，粒子之間的間隙越小，則復(fù)合材料導(dǎo)電率越高。一般來說，聚集體大的導(dǎo)電微粒易形成導(dǎo)電鏈。由于石墨粒徑小、比表面積大，因此容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。關(guān)于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成問題，人們引入了粒子平均接觸數(shù)m的概念。一般來說，當(dāng)導(dǎo)電粒子為球狀時，m=0~12，m≥1時導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)開始形成，m≥2時全部粒子加入導(dǎo)電鏈中，并傳導(dǎo)電流[24]。對于導(dǎo)電通道理論來說，影響復(fù)合材料電導(dǎo)率的主要因素是導(dǎo)電粒子的接觸電阻和粒子間隙以及導(dǎo)電粒子的接觸數(shù)目。目前根據(jù)導(dǎo)電通道學(xué)說人們推導(dǎo)出了一些數(shù)學(xué)關(guān)系式用來解釋導(dǎo)電復(fù)合材料電阻率與濃度之間的一些關(guān)系，主要借助實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)從宏觀的角度解釋復(fù)合材料的導(dǎo)電現(xiàn)象，取得了一些成果，其中比較著名的有BueChe公式。如果將導(dǎo)電分散相顆粒假定為球形，可以借助于Flory凝膠化理論公式推導(dǎo)出能夠解釋復(fù)合導(dǎo)電高分子材料電阻率的BueChe公式：(式2.1)式中：腳標和分別表示聚合物基體和導(dǎo)電分散顆粒，和分別表示聚合物基體與構(gòu)成導(dǎo)電粒子材料的電阻率；V表示導(dǎo)電顆粒的體積分數(shù)；由下面的關(guān)系式確定：Wf=l-(1-a)×y/(1-y)×a(式2.2)a(l-a)f-2y=y(l-y)f-2a(式2.3)式中，常數(shù)f表示一個導(dǎo)電粒子可以和f個導(dǎo)電粒子連接，與粒子的空間參數(shù)和形狀有關(guān)。a表示粒子間的連接概率。值得注意的是上述公式只能適合用于部分導(dǎo)電復(fù)合材料[25]。Bruggeman應(yīng)用有效介質(zhì)理論推導(dǎo)出導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的公式：(式2.4)r=（3-1)+(3-1)(式2.5)式中，是復(fù)合材料的電導(dǎo)率；和分別為兩種復(fù)合材料的電阻率。它們相應(yīng)的體積分數(shù)分別用和表示。但是一些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用本計算公式的極限濃度不能超過1/3。此外，對于炭黑/高分子復(fù)合體系亦不適用。此外，已有的研究還發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電粒子尚未形成鏈及粒子間距較大時亦會產(chǎn)生導(dǎo)電現(xiàn)象。如Polley和Boonstra利用電子顯微鏡觀察到炭黑粒子未能緊密連接時以及導(dǎo)電橡膠在延伸狀態(tài)下也能導(dǎo)電[24]，對此類現(xiàn)象導(dǎo)電通道學(xué)說難以解釋。隧道效應(yīng)和場致發(fā)射效應(yīng)學(xué)說隧道效應(yīng)學(xué)說解釋導(dǎo)電現(xiàn)象應(yīng)用的則是量子力學(xué)理論。Polly等人用導(dǎo)電炭黑/丁苯橡膠材料研究了電阻率與導(dǎo)電粒子間隙的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)還沒有形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)時就已經(jīng)具有導(dǎo)電能力，因此認為導(dǎo)電現(xiàn)象的產(chǎn)生必然還有其他非接觸原因。Voet認為，導(dǎo)電不是粒子鏈長度決定的，而是與間隙有關(guān)，并提出了隧道效應(yīng)產(chǎn)生導(dǎo)電現(xiàn)象。該學(xué)說認為，復(fù)合材料的導(dǎo)電依然有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的問題，但并不僅是靠導(dǎo)電粒子的直接接觸來導(dǎo)電，當(dāng)導(dǎo)電粒子接近到一定距離時，在熱振動時電子可以在電場作用下通過相鄰導(dǎo)電粒子之間形成的某種隧道實現(xiàn)定向遷移，完成導(dǎo)電過程。而此時導(dǎo)電粒子的間隙比100nm大得多。Beek等人也認為導(dǎo)電復(fù)合材料內(nèi)部的電子通道是隧道效應(yīng)的結(jié)果，但他們認為這實際上是內(nèi)部電場發(fā)射的結(jié)果。場致發(fā)射效應(yīng)理論認為雖然導(dǎo)電粒子之間存在絕緣體，但當(dāng)導(dǎo)電粒子距離小于10nm時，這些粒子之間所具有的強大電場可誘使發(fā)射電場的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致電流的產(chǎn)生，其主要方程為：J=Aexp(-B/E)(式2.6)式中，J為電流密度，E為場強，A為隧道頻率，n和B為復(fù)合材料的特性常數(shù)，介于1～3之間。電場發(fā)射理論由于受溫度及導(dǎo)電填料濃度的影響較小，此相對于滲濾理論和有效介質(zhì)理論具有更廣的應(yīng)用范圍，且可以合理地解釋許多復(fù)合材料的非歐姆特性。通過對各種導(dǎo)電機理的探討和研究，對于新型復(fù)合導(dǎo)電材料的制備具有實際的指導(dǎo)意義[24]。2.2.2石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機理石墨是一種較容易獲取的無機材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等特性，它幾乎與極大多數(shù)的酸、堿、鹽都不起反應(yīng)，不溶于有機與無機溶劑，且有較好的抗氧化性，在不少工業(yè)制品中常被用作導(dǎo)電材料。目前廣泛的應(yīng)用于導(dǎo)電混凝土的研究中。普通的瀝青混凝土屬于高度的不良導(dǎo)體，其電阻率可以高達1013Ω·cm。在普通的瀝青混凝土中間摻加石墨，能夠制備出具有良好導(dǎo)電性能瀝青混凝土材料，有望利用瀝青混凝土材料的導(dǎo)電性能用于路面冬季融雪除冰。對于導(dǎo)電瀝青混凝土來說，主要起導(dǎo)電作用的是瀝青混凝土中間所摻的導(dǎo)電相材料，例如石墨。導(dǎo)電相材料的導(dǎo)電性能以及導(dǎo)電相材料的相互接觸情況對瀝青混凝土的導(dǎo)電性能起著決定性的作用。導(dǎo)電相材料的加入使整個瀝青混凝土瀝青質(zhì)中出現(xiàn)相連的導(dǎo)電粒子鏈，借助電子的運動使之導(dǎo)電。起導(dǎo)電作用的主要是導(dǎo)電相材料與瀝青膠結(jié)料之間形成的二相復(fù)合材料。所以，目前關(guān)于導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電機制多數(shù)借鑒的是復(fù)合材料導(dǎo)電理論[17]。伴隨著復(fù)合材料的發(fā)展以及復(fù)合材料導(dǎo)電機理的研究。目前，關(guān)于導(dǎo)電混凝土導(dǎo)電機理的研究比較流行的有三個理論：一是宏觀的滲流理論，即導(dǎo)電通道學(xué)說；二是微觀量子力學(xué)的隧道效應(yīng)理論；三是微觀量子力學(xué)場致發(fā)射效應(yīng)理論。由于前面己經(jīng)對于這三種理論進行了分析說明，這里不做特別介紹。石墨是一種較容易獲取的無機材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等特性，它幾乎與極大多數(shù)的酸、堿、鹽都不起反應(yīng)，不溶于有機與無機溶劑，且有較好的抗氧化性，在不少工業(yè)制品中常被用作導(dǎo)電材料，目前廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電混凝土的研究中。一般地，滲流理論常用于解釋其絕緣一導(dǎo)電轉(zhuǎn)變過程，其認為隨著石墨體積摻量增加，導(dǎo)電相粒子間相互接觸幾率增大，達到滲流閡值Pc后導(dǎo)電率突變，其導(dǎo)電機制是導(dǎo)電相粒子的相互接觸形成了體系內(nèi)的導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)電瀝青混凝土中導(dǎo)電介質(zhì)是礦料空隙之間的瀝青與石墨組成的導(dǎo)電膠體。而集料是不良導(dǎo)體，且尺寸均大于石墨，其在瀝青混凝土中起填充物作用。但是一些細集料的尺寸與石墨粒子相近時，將產(chǎn)生取代效應(yīng)而占據(jù)石墨粒子本應(yīng)占據(jù)的位置，降低石墨粒子形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的幾率。導(dǎo)電相粒子難以相互接觸形成導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)，運用滲流理論解釋石墨導(dǎo)電瀝青混凝土尚有局限性[25]。在石墨導(dǎo)電瀝青混凝土中,當(dāng)石墨的摻量較小時，石墨粒子以孤立或小集體形式存在，粒子間距較大，搭接較少，不能形成導(dǎo)電鏈和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因而石墨的摻量對復(fù)合材料體積電阻率的影響不明顯：隨石墨摻量的逐步增大，石墨離子間距逐漸縮小并相互搭接形成導(dǎo)電鏈，當(dāng)石墨摻量進一步增大到滲流閉值時，導(dǎo)電鏈的數(shù)目迅速增長，材料的電阻率急劇下降；石墨摻量超過滲流閉值時，貫穿于復(fù)合材料的導(dǎo)電鏈已經(jīng)形成，石墨粒子間有相當(dāng)大程度的搭接[26]，此時試樣的導(dǎo)電以沿石墨鏈的電子傳導(dǎo)為主，體積電阻率主要取決于石墨粒子之間的導(dǎo)電能力。增加石墨摻量僅使導(dǎo)電鏈的條數(shù)增加，因而材料的電阻率隨石墨摻量增加而減小，但減小的速度大大降低。一般來說在導(dǎo)電相材料摻量較高的情況下，復(fù)合體系中導(dǎo)電粒子之間的間距較小，形成鏈狀導(dǎo)電通道的幾率較大，這時導(dǎo)電通道機理的作用占優(yōu)勢；在導(dǎo)電相材料摻量低、外加電壓低的情況下，復(fù)合體系中導(dǎo)電粒子之間的間距較大，形成鏈狀導(dǎo)電通道的幾率較小，這時隧道效應(yīng)起主要作用；在導(dǎo)電相材料摻量低、外加電壓高的情況下，場致發(fā)射機制對復(fù)合體系導(dǎo)電性的影響變得顯著。與接觸效應(yīng)相反，隧道效應(yīng)則認為導(dǎo)電粒子間或多或少隔著薄薄的絕緣膜，使得導(dǎo)電粒子間難以直接相互接觸而形成導(dǎo)電通路，但是當(dāng)導(dǎo)電粒子間的絕緣膜厚度小于某一值時，發(fā)生隧道導(dǎo)電，即導(dǎo)電相摻量增加導(dǎo)電率突變的現(xiàn)象。電子躍過間隙的能力隨著間隙尺寸的減小而呈指數(shù)增大，同時間隙尺寸與導(dǎo)電相的摻量有關(guān)。當(dāng)石墨摻量較少時，粒子間隙足夠大以致于電子無法躍過，體系的電阻與瀝青的導(dǎo)電率接近。隨著摻量增加，導(dǎo)電粒子間的絕緣膜厚度很小，產(chǎn)生隧道效應(yīng)。由于電子躍遷幾率P與粒子間隙呈指數(shù)增大，導(dǎo)致在某臨界摻量時導(dǎo)電率劇增。當(dāng)粒子間的絕緣膜足夠小時，電子躍過能隙所需活化能很小，能較容易遷移，表現(xiàn)為導(dǎo)電率呈飽和狀。可見對隧道效應(yīng)有兩個特征空間距離，即電子可穿過的最大空間距離和容易穿過的空間距離。當(dāng)高摻量時，導(dǎo)電率增加趨緩，呈飽和，表明電子在粒子間隙足夠小時所需克服的能量極小而容易穿過，導(dǎo)電率大，但與粒子接觸效應(yīng)相比，其還有幾個數(shù)量級的差別。2.2.3導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電模型武漢理工大學(xué)的吳少鵬等人認為，隨著導(dǎo)電相材料摻量的增加，導(dǎo)電瀝青混凝土表現(xiàn)出典型的滲流導(dǎo)電行為。滲流理論通常用于解釋無規(guī)則混合導(dǎo)電復(fù)合材料從絕緣轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電的過程，但在突變點Pc附近，對導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電行為起主要作用的是電子穿過勢壘相互躍遷的隧道電流，受導(dǎo)電粒子間距和躍遷概率所影響，當(dāng)勢壘即粒子間的絕緣帶的寬度小于一定的值時，將發(fā)生隧穿導(dǎo)電。假設(shè)r是電子需要躍過的勢壘寬度，電子能否穿透勢壘取決于相鄰導(dǎo)電纖維或?qū)щ娏Ｗ又g的距離，而導(dǎo)電相材料的間距又與其摻量相關(guān)。隧道效應(yīng)理論中包含二個特征勢壘寬度rc和ro，分別表示電子能夠穿透的最大勢壘寬度和最易穿透的勢壘寬度(rc≈ro且rc>ro)。當(dāng)兩導(dǎo)電纖維或粒子間距小于ro時，電子可以通過捷徑躍遷，電阻率的降低效果最好。當(dāng)兩導(dǎo)電纖維或粒子間距小于rc而大于ro時，該距離細微的變化就可能導(dǎo)致電阻率大幅變化。若將導(dǎo)電瀝青混凝土在交變電場中的導(dǎo)電行為等效為電阻R和電容C并聯(lián)的情形，根據(jù)導(dǎo)電瀝青混凝土導(dǎo)電機制的分析，則當(dāng)P<Pc時，導(dǎo)電粒子的間隙小于rc電子難以穿過瀝青膜，相當(dāng)于多個電容C’(C’<C)與一個電阻R’(R’>>R)并聯(lián)；當(dāng)P→Pc+時，導(dǎo)電粒子的間隙位于rc與ro之間，電阻和電容均起一定的作用，相當(dāng)于幾個電阻R，與一個電容C并聯(lián)的情況；而當(dāng)P>>Pc時，導(dǎo)電粒子的間隙小于ro，電子容易穿過瀝青膜，電容起極小的作用，相當(dāng)于多個電阻R與一個電容C并聯(lián)，如圖2.1所示。a）P<Pcb）P→Pc+c)P>>PC圖2.1導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電模型2.2.4瀝青用量對導(dǎo)電性能的影響瀝青在導(dǎo)電瀝青混凝土起絕緣相作用，其所占的體積分數(shù)對導(dǎo)電性能影響很大，表現(xiàn)出很強的依賴性，在導(dǎo)電相村料一定時，增加瀝青用量將引起導(dǎo)電率降低。一般地，瀝青混合料在施工時瀝青用量允許波動為0.3%,若石墨體積分數(shù)為22%時，以5.7%瀝青用量為基準，各增加和減少0.3%瀝青用量，導(dǎo)電率各自減少和增加27%和7%?？梢姙r青用量對導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電性能影響顯著，因此對導(dǎo)電瀝青混合料材料設(shè)計和施工質(zhì)量控制提出了更高的要求，一方面，所設(shè)計的導(dǎo)電瀝青混凝土具有一定的導(dǎo)電性能穩(wěn)定性，瀝青用量小幅波動時不會引起導(dǎo)電性能的急劇變化；另一方面，在瀝青混合料拌和時，應(yīng)設(shè)計瀝青用量嚴格控制瀝青的用量，盡可能減少瀝青用量波動。同時瀝青用量波動引起導(dǎo)電率變化，則通過導(dǎo)電率的變化規(guī)律，可望對瀝青用量進行監(jiān)控和自診斷。首先通過室內(nèi)研究確定不同瀝青用量與導(dǎo)電率的關(guān)系曲線。其次在現(xiàn)場取樣并檢測導(dǎo)電率，利用導(dǎo)電率與瀝青用量的對應(yīng)關(guān)系，求不同導(dǎo)電率對應(yīng)的瀝青用量。當(dāng)導(dǎo)電率不在要求的范圍時，可判定瀝青用量已經(jīng)超出了允許波動范圍。表2.1瀝青用量對導(dǎo)電率的影響瀝青用量（%）6.05.75.4導(dǎo)電率（10-4s/cm）0.931.272.12導(dǎo)電率變化（%）-270672.2.5石墨用量對導(dǎo)電性能的影響與瀝青相反，石墨在瀝青混凝土中起導(dǎo)電相的作用，在瀝青用量一定時，增加石墨用量有助于提高導(dǎo)電率。當(dāng)瀝青用量為295g，石墨用量在120-180g時，導(dǎo)電率隨著石墨用量增加而增加，在石墨/瀝青比為1:2時，導(dǎo)電率變化明顯，是導(dǎo)電率突變的敏感區(qū)域。在瀝青路面模施工時，其拌和的稱量系統(tǒng)有一定的波動范圍，為減少石墨用量波動對導(dǎo)電率的影響而獲得較穩(wěn)定的導(dǎo)電性能，石墨的用量應(yīng)略大于瀝青用量的1/2。將石墨/瀝青比為1:2換算成石墨體積摻量為18.1%，與其臨界值接近，是導(dǎo)電通過路剛形成階段。如前面所述，此時導(dǎo)電性能不穩(wěn)定，增加石墨可減少石墨粒子的間隙，提高電子躍遷的隧道效應(yīng)。而瀝青則起反作用，其增加石墨粒子的間隙，對提高導(dǎo)電性能極不利。瀝青、石墨與導(dǎo)電率的關(guān)系將給導(dǎo)電瀝青混凝土導(dǎo)電性能的評價增添難度，導(dǎo)電率的變化可能是瀝青用量引起，也可以是石墨用量，或是二者共同作用。2.2.6壓實度對導(dǎo)電性能的影響旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)與瀝青混合料的壓實度成線性關(guān)系，因此通過改變不同的壓實次數(shù)可以得到不同壓實度的瀝青混凝土，研究發(fā)現(xiàn)隨著壓實次數(shù)的提高，導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻率增加。電阻率的變化反映了微觀導(dǎo)電機制中一部分導(dǎo)電通路隨著壓實次數(shù)的提高而被切斷，促使電阻率增加。一方面，壓實次數(shù)的提高有利于試件更密實，縮小石墨粒子間隙，提高電子躍遷能力。另一方面，在導(dǎo)電瀝青混凝土中，集料的剪切作用隨著壓實次數(shù)的提高而增強，位移形變導(dǎo)致導(dǎo)電通路的位錯和微裂紋的產(chǎn)生，而這兩種作用在壓實過程中是劇烈的。石墨粒子間隙隨著壓實次數(shù)的提高而產(chǎn)生的壓縮效應(yīng)是有限的，達到一定壓實度后就趨于穩(wěn)定，導(dǎo)電通路的位錯和微裂紋將導(dǎo)致體系內(nèi)部原本連通的導(dǎo)電通路遭受破壞，電阻率隨之增高[19]。2.3溫敏特性概述導(dǎo)電復(fù)合材料的壓敏特性是指材料的電阻隨著溫度而發(fā)生變化的現(xiàn)象，包括電阻的正溫度系數(shù)與負溫度系數(shù)效應(yīng)，英文簡稱為PTC和NTC，如導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料在低溫時電阻率隨溫度升高略有上升，當(dāng)溫度升高到聚合物基體的熔化溫區(qū)內(nèi)時電阻急劇躍增，升高幅度可達幾個數(shù)量級，呈現(xiàn)PTC效應(yīng)；電阻達到最大值后隨溫度升高又急劇地降低，出現(xiàn)NTC效應(yīng)[8、11]。上述現(xiàn)象普遍存在于導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料中，用于解釋相關(guān)的理論有以下幾個：導(dǎo)電鏈與熱膨脹模型認為PTC效應(yīng)的產(chǎn)生是由于導(dǎo)電填料和聚合物基體的熱膨脹系數(shù)不同造成的。隨著溫度的升高，由于聚合物基體的熱膨脹系數(shù)遠遠大于導(dǎo)電填料的熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致導(dǎo)電填料的體積分數(shù)逐漸減小，石墨粒子之間的距離增大，室溫下形成的導(dǎo)電鏈被逐漸隔斷。隧道理論認為導(dǎo)電粒子間隙在體系中分布比較均勻，而且寬度小能引起足夠大的隧道電流，高溫時，由于熱作用，間隙的分布變得很不均勻，即使間隙的平均寬度無很大變化，但卻有相當(dāng)數(shù)量的間隙變得很大，以致隧道電流無法通過，因而引起材料電阻的升高。內(nèi)部應(yīng)力模型認為復(fù)合材料的形態(tài)和結(jié)構(gòu)可影響導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)形態(tài)和結(jié)構(gòu)經(jīng)歷動態(tài)變化，如體積膨脹和相變時，體系內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致一些導(dǎo)電粒子在原來位置上產(chǎn)生了遷移，從而引起導(dǎo)電鏈的重新分布和電阻的增加。當(dāng)形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化趨于完成后，由于應(yīng)力松馳和聚合物的應(yīng)力吸收，體系內(nèi)部應(yīng)力逐漸衰減，原先發(fā)生遷移的導(dǎo)電粒子可回復(fù)原來位置，電阻逐漸回復(fù)原值。3實驗部分3.1主要儀器與設(shè)備（1）GZX—9070MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱1臺智能儀表，溫度自動控制，0～300oC，控溫精度1oC（2）試模為可拆卸的三連模，由隔板、端板、底座組成，組裝后內(nèi)壁各接觸面應(yīng)互相垂直，其尺寸見表3.1。表3.1三連模尺寸試模試模尺寸長（A）(160±0.8)寬（B）(40±0.2)高（C）(40±0.1)（3）標準檢驗篩。選取50目、140目、200目、325目的標準檢驗篩來篩取不同目數(shù)的天然石墨。（4）LT5K電子稱。Max：5kg，d=0.001kg。用來精確稱量瀝青混合料。（5）FA2104電子天平。Max：210g、Min：0.01g、e：1mg、d：0.1mg。用來精確稱量石墨的質(zhì)量。（6）LINI—TUT56萬用表。用來測量導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻。（7）紅星牌干濕計，用來測量導(dǎo)電瀝青混凝土在不同濕度下的電阻變化。3.2制備工藝導(dǎo)電瀝青混凝土的制備工藝流程如圖3.1。室溫冷卻室溫冷卻脫模，編號溫度控制120℃壓實裝模加熱模具120℃拌合90S（1）i=ni<n拌合90S瀝青混合料烘料180℃2h攪拌鍋升溫180℃加入i/n導(dǎo)電介質(zhì)圖3.1導(dǎo)電瀝青混凝土制備工藝流程配料本文所選用的瀝青混合料為已配好的國家標準瀝青路面所用的瀝青混合料。用電子天平秤取所需質(zhì)量，并裝于同一不銹鋼盤中。烘料將瀝青混合料放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，打開鼓風(fēng)擋，溫度設(shè)定為185℃，恒溫時間不少于2h。拌合前準備工作將攪拌鍋放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中保溫1h，準備好攪拌棒。拌合工藝本實驗的拌合過程實行全人工拌合，拌合過程中為了可以攪拌均勻可以根據(jù)石墨的含量多少分多次加入瀝青混合料中。裝模與成型將模具從烘箱取出，在其內(nèi)壁均勻涂上黃油，底面放置紙墊片。用小鐵鏟翻動混合料，攪拌棒搗實20次，分批放入三連模中用錘子壓實,繼續(xù)放入干燥箱中保溫，脫模，除去紙墊片，編號，放置室溫冷卻。3.3導(dǎo)電瀝青混凝土的材料組成瀝青混合料主要是指未經(jīng)攤鋪、壓實的由集料、瀝青、礦粉已經(jīng)拌和均勻的松散混合料，而經(jīng)攤鋪、壓實成型后則稱為瀝青混凝土。瀝青混合料一般是由適當(dāng)?shù)谋壤拇旨?、細集料及填料組成的符合規(guī)定級配的礦料與瀝青拌和制成的復(fù)合材料。與普通瀝青混凝土相比，導(dǎo)電瀝青混凝土添加了導(dǎo)電相材料，如石墨、炭黑、碳纖維等，改善了瀝青混凝土的電學(xué)性能，可使其由絕緣體變?yōu)榘雽?dǎo)體或?qū)w而具有特殊用途的功能。瀝青在瀝青混合料中一般只占有很小的一部分，但是它為混合料提供粘性和彈性，起著長久膠結(jié)的作用。瀝青屬于粘彈性材料，具有粘彈性的特點，其性能主要受溫度、荷載和承載率的影響。同時瀝青路面在高溫、氧氣、水及紫外線作用下，會出現(xiàn)脆變、粘性降低、逐漸硬化等老化現(xiàn)象。瀝青的電阻率約1012一1014Ω·cm，要改善其電學(xué)性能，需加入高摻量的導(dǎo)電相材料。同時，增加瀝青用量，有利于減少空隙率，但對提高導(dǎo)電性能是不利的。集料是巖石經(jīng)過人工破碎成為粒徑大小不一的碎石材料，其占有瀝青混合料的90%以上，對瀝青混合料的路用性能起決定作用。按照粒徑大小可分為粗集料和細集料。粒徑大于2.36mm的集料為粗集料，其主要是提供骨架作用；小于2.36mm的集料為細集料，其主要是鎖緊和減少空隙的作用。集料作為路面材料應(yīng)清潔、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)，同時具有一定的強度和耐磨性。在瀝青混合料中，礦粉與瀝青形成膠漿，對瀝青混合料路用性能有很大的影響。礦粉一般由堿性石料如石灰?guī)r磨細的粉料。礦粉對瀝青混合料起到加勁作用，降低瀝青的流動性，增加其粘度，其對混合料的穩(wěn)定性和抗車轍能力有很大的關(guān)系。礦粉的比表面積最大，其對瀝青的吸收很大，用量過多會使混合料變硬。因此限制了礦粉的用量，粉膠比一般為0.8～1.2。石墨礦石分為晶質(zhì)(鱗片狀)石墨礦石和隱晶質(zhì)(土狀)石墨礦石兩大類，晶質(zhì)石墨礦又可分為鱗片狀和致密狀兩種。鱗片狀石墨礦石結(jié)晶較好，晶體粒徑大于lmm，一般為0.05～1.5mm，大的可達5～10mm，多呈集合體。隱晶質(zhì)石墨礦石一般呈微晶集合體，晶體粒徑小于lm，只有在電子顯微鏡下才能觀察到其晶形。礦石呈灰墨色、鋼灰色，一般光澤暗淡，具有致密狀、土狀及層狀、頁片狀構(gòu)造。石墨質(zhì)軟、有滑膩感，其主要礦物特征見表3.2。表3.2石墨的主要性質(zhì)化學(xué)成分密度（g/cm3）莫氏硬度形狀晶系顏色光澤條痕C2.1～2.31～2六角板狀鱗片狀六方鐵黑鋼灰金屬光澤光亮條痕石墨是由碳原子的六角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的層重疊而成。層內(nèi)碳一碳距離為1.42埃，由sp2雜化軌道組成的鍵和由軌道形成的鍵結(jié)合成鍵。層內(nèi)電阻率高達104Ω·cm，導(dǎo)電率溫度系數(shù)呈正值，具有金屬特性。石墨層間具有典型的分子相互作用，只是此分子的間距略小于范氏間距(3.354埃)。電導(dǎo)率就高于一般的晶體而達到10Ω·cm,導(dǎo)電率溫度系數(shù)呈負值，是半導(dǎo)體。石墨耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤滑、化學(xué)穩(wěn)定、可塑等特性。本文所用的天然石墨為鱗片中碳石墨，其技術(shù)要求如表3.3。表3.3天然石墨技術(shù)要求固定碳含量不小于，%粒度水分含量不大于，%導(dǎo)電率，S/cm篩上物含量不小于，%篩下物含量不小于，%93—860.53.2×105同時，還采購了，廣東協(xié)力石墨廠由天然鱗片石墨提純的500目高純石墨粉含碳99.99%的導(dǎo)電石墨粉。3.4導(dǎo)電相材料摻量導(dǎo)電復(fù)合材料研究結(jié)果表明其電學(xué)性能與導(dǎo)電相材料摻量有很大的依賴性，如滲濾閉值(P.T.，PercolationThreshold)，即隨著導(dǎo)電粒子含量的增加，開始時電導(dǎo)率增加極少，但當(dāng)加入的導(dǎo)電粒子達到某一含量后，電導(dǎo)率就有一跳躍，劇增十個數(shù)量級以上。因此為了分析導(dǎo)電相材料摻量與電阻率的關(guān)系和確定最佳的導(dǎo)電材料摻量范圍，對不同的導(dǎo)電相材料均設(shè)計不同的摻量，其在0-5%(當(dāng)量礦粉質(zhì)量)之間。許多文獻資料在討論復(fù)合材料的電學(xué)性能時均將導(dǎo)電相材料摻量以體積百分比的形式，即將導(dǎo)電相材料體積占瀝青體積百分比作為導(dǎo)電相材料體積百分比進行分析其電學(xué)性能，公式如下：（式3.1）式中，、為導(dǎo)電相材料和瀝青的質(zhì)量g；、為導(dǎo)電相材料和瀝青的密度g/cm3。本所用的石墨、瀝青的密度分別為2.23g/cm3和1.03g/cm3。但是，為了便于計算，本文選用的是導(dǎo)電相占瀝青的質(zhì)量分數(shù)。其中油石比（即瀝青與集料和礦料的的總和之比）按6.5計算。3.5實驗方法3.5.1確定每個試塊的瀝青混合料的質(zhì)量按照成型工藝，并確定每個試塊均已被壓實，脫模、冷卻后，用電子稱稱得的質(zhì)量如表3.4。表3.4密實后的瀝青混凝土的質(zhì)量序號123質(zhì)量（g）589.3588.5588.7根據(jù)以上實驗得出平均每個試塊所含的瀝青混合料為588.8g。為了計算簡單以后試驗前均秤取600g的瀝青混合料，然后按照導(dǎo)電相占瀝青的質(zhì)量分數(shù)計算出不同含量石墨的質(zhì)量，計算的結(jié)果如表3.5。表3.5600g瀝青混合料中摻入不同含量的石墨所需石墨的質(zhì)量含量（%）2025283032353740質(zhì)量（g）7.799.7410.9011.6912.4713.3414.4115.583.5.2電阻率測量電阻率表征了導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，是材料的特征參數(shù)，其倒數(shù)是電導(dǎo)率，它與電荷載體的濃度其移動能力成正比。一般的材料，尤其是導(dǎo)電性好的材料，電荷的載體主要存在于材料的內(nèi)部，電流也是通過材料的內(nèi)部而流動。而對導(dǎo)電性能差的材料，其表面電荷載體移動所形成的電流已不能忽略，為了區(qū)別材料內(nèi)部和表面的電流，分別將其稱為體積電流和表面電流，相應(yīng)部位的導(dǎo)電能力分別以體積電阻率和表面電阻率表征。本文所指的電阻率均為體積電阻率。根據(jù)復(fù)合材料電導(dǎo)率的大小范圍，可以選擇不同的測試方法。當(dāng)其電導(dǎo)率屬于半導(dǎo)體或者導(dǎo)體的范圍時，可采用一般電導(dǎo)率測試方法。而當(dāng)其電導(dǎo)率屬于絕緣體范圍時，根據(jù)其絕緣的程度要求的不同，也有數(shù)種有效的方法可供選用。其中直讀式超高阻絕緣電阻測試儀方法較常被采用。但測量導(dǎo)電瀝青混凝土?xí)r，出現(xiàn)兩個問題使這種相對簡單的方式變得困難了。第一個問題是瀝青混凝土表面粗糙，電極與試件的接觸點存在很大的接觸電阻。如果沒有達到緊密接觸時，這種接觸電阻可能超過樣品本身，這時測量的電阻率必然大于試件的真實電阻率。為了解決這個問題，試件的接觸表面宜加以仔細清潔和拋光。此外，還常采用涂布高導(dǎo)電性銀粉來填滿微小孔隙造成在樣品和電極間有緊密接觸。加壓也常用來改善界面接觸，在某些情況下也采用導(dǎo)電液體電極或模壓金屬電極的方法?？紤]到瀝青混凝土表面不易拋光，且表面積大，涂布高導(dǎo)電性銀粉成本極高。本文采用如圖3.2裝置的測量方法：電極為:40×40mm的導(dǎo)電石墨布,電極與試件間為導(dǎo)電石墨粉與環(huán)氧樹脂制成的導(dǎo)電膠。導(dǎo)電膠有利于填滿試件粗糙表面,改善電極與試件接觸界面，減少接觸電阻造成的試驗誤差。電阻采用UT56型數(shù)字式萬用表測量。圖3.2瀝青混凝土表面粗糙圖3.3電阻測試方法電阻率計算如公式3.2。（式3.2)其中p為瀝青基復(fù)合材料試件的電阻率，R為試件的電阻，S為截面積，H為高度。4實驗結(jié)果及討論4.1不同摻量的導(dǎo)電石墨對導(dǎo)電性能的影響為了研究不同摻量的導(dǎo)電石墨對導(dǎo)電性能的影響，采用逐步摻加的方式進行研究，并進行空白試驗對照。每個試塊均取600g混合料，按照不同摻量所需的石墨質(zhì)量制作試塊。其不同摻量的電阻率如表4.1。表4.1不同摻量的導(dǎo)電石墨的電阻率摻量（%）電阻R（Ω）平均電阻電阻率（Ω·m）lg20253032353740//26.984.813.682.171.86//

26.644.373.592.272.04//28.054.342.972.002.08//27.874.163.431.961.25//27.384.423.412.101.81//5.48×1048.84×1036.82×1034.20×1033.62×103//4.743.953.833.623.56圖4.1導(dǎo)電瀝青混凝土電阻率隨導(dǎo)電石墨摻量變化將表4.1不同導(dǎo)電石墨摻量導(dǎo)電瀝青混凝土電阻率數(shù)據(jù)作成圖，如圖4.1，為方便作圖，縱坐標取電阻率log值。且當(dāng)石墨摻量較少時，試塊的電阻較大，我們規(guī)定電阻率lg值大于10時均為電阻無限大。圖4.1中我們可以看出，石墨含量對導(dǎo)電瀝青混凝土電阻率的影響是非常明顯的，為了便于分析，根據(jù)滲濾曲線的特點，我們把滲濾曲線分成三個區(qū)，即高阻區(qū)、滲濾區(qū)、低阻區(qū)、所謂滲濾區(qū)即隨著導(dǎo)電填料含量的增加電阻率較快降低的區(qū)域，高阻區(qū)即滲濾區(qū)以上的區(qū)域，低阻區(qū)即滲濾區(qū)以下的區(qū)域。從圖中我們可以看出，摻導(dǎo)電石墨的導(dǎo)電瀝青混凝土的滲濾區(qū)在25%～28%之間（折合成體積分數(shù)大約在5%～15%）。試驗數(shù)據(jù)我們可以看出，在滲濾區(qū)內(nèi)，電阻率首先有一個5個數(shù)量級的跳躍，由1010Ω·m向105Ω·m變化，然后再繼續(xù)有較大幅度的降低。在低阻區(qū)，當(dāng)石墨摻量達到28%以后,電阻率首先有較小幅度的降低，然后基本穩(wěn)定，變化幅度很小。從石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的滲濾現(xiàn)象我們可以看出，在突變點附近石墨顆粒開始在瀝青膠結(jié)料中間形成導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)。此時，大部分石墨導(dǎo)電顆粒被瀝青隔開。瀝青混凝土的電阻率很大，屬于半導(dǎo)體?！皾B濾閥值”之后，隨著石墨摻量的增加，大量的石墨顆?；ハ嘟佑|，在體系中間形成了穩(wěn)定的導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)，電阻率急劇減小。此后，隨著石墨摻量的增加，材料的電阻率變化較小，這是因為新加入的石墨主要參與到已形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中間，新形成的導(dǎo)電通道的幾率明顯減小，因此電阻率的變化很小。4.2細度變化對石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的影響為了研究不同細度的石墨對導(dǎo)電瀝青混凝土導(dǎo)電性能的影響。本實驗選取天然鱗片石墨，利用標準篩，分別篩取50目、140目、200目、325目的天然石墨若干，天然石墨的摻量選取根據(jù)以上導(dǎo)電石墨不同摻量的導(dǎo)電性能選取導(dǎo)電性能較好、又穩(wěn)定的石墨占瀝青質(zhì)量的40%來做實驗。同時，為了試塊能夠較好的成型此次的每個試塊在實驗前均將瀝青混合料內(nèi)的大集料挑出。其實驗數(shù)據(jù)見表4.2。表4.2摻量為40%的天然石墨不同細度下對導(dǎo)電瀝青混凝土導(dǎo)電性能影響。目數(shù)（目）電阻R（Ω）平均電阻（Ω·m）lg501402003251.051.871.934.570.951.981.885.521.122.002.034.601.152.052.104.541.071.981.994.542.14×1033.96×1033.98×1039.04×1033.333.603.624.00圖4.2摻量為40%的天然石墨不同細度下對導(dǎo)電瀝青混凝土導(dǎo)電性能影響由圖4.2中曲線我們可以看出：采用天然石墨制備的導(dǎo)電瀝青混凝土電阻率隨天然石墨的細度的增加而增加，即石墨越細電阻率越大。分析認為：石墨粉越細在壓實過程中越容易被瀝青包裹，不利于石墨粒子間的搭接，從而使導(dǎo)電瀝青混凝土中的導(dǎo)電鏈阻斷，形成鏈狀導(dǎo)電通道的幾率減少，從而使電阻率增大。4.3環(huán)境溫度對導(dǎo)電瀝青混凝土的影響選取以上用摻量為40%的導(dǎo)電石墨，細度為50目、325目的天然石墨做成的試塊，測量分別在7°C、5°C、-5°C、-18°C溫度下的電阻值，其中在測量每個溫度時均先在室溫下保溫4小時，同時設(shè)置好冰箱溫度，然后裹上保溫膜放入已經(jīng)設(shè)置好的冰箱內(nèi)，當(dāng)試塊放入4小時后取出測量電阻值。并計算電阻率后得出的曲線圖4.3。圖4.3溫度對導(dǎo)電瀝青混凝土的影響在武漢理工大學(xué)磨煉同等人的研究下表明：在升溫過程中，石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻隨著溫度的增加而增加,呈現(xiàn)為PTC效應(yīng)。但在不同的石墨摻量的瀝青混凝土的PTC有顯著差異。其中摻量低時，電阻更易受溫度的影響，其溫敏特性也就越強。導(dǎo)電瀝青混凝土的溫敏特性還與其導(dǎo)電機制有關(guān)。一般地，體系內(nèi)部的導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)可能是由導(dǎo)電粒子接觸效應(yīng)和隧道效應(yīng)所構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)。根據(jù)前面章節(jié)對導(dǎo)電機制的分析可知溫度增高，電子的熱擾動的加劇也有助于提高導(dǎo)電率。由圖4.3可以看出本實驗的三組數(shù)據(jù)并不呈現(xiàn)PTC效應(yīng)。分析實驗原因：很有可能因為本實驗的三組均采用的是摻量為40%的石墨做成的試塊。根據(jù)摻量越低，其溫敏特性越強。則猜想在摻量為40%時溫度對導(dǎo)電性能影響主要受電子的熱擾動性的影響。為證明上面的猜想特別增加一組32%的導(dǎo)電石墨瀝青混凝土試塊，做與上面三組同樣的實驗。得出的曲線圖如下圖4.4。由圖4.4可知，以上的猜想完全正確。即在低石墨含量時溫度對導(dǎo)電性能的影響主要受導(dǎo)電相的溫敏特性的影響，且導(dǎo)電混凝土試塊的導(dǎo)電性呈現(xiàn)PTC效應(yīng)。在高石墨含量時溫度對導(dǎo)電瀝青混凝土的影響主要受電子的熱擾動性的影響。且溫度與導(dǎo)電性為非線性關(guān)系。圖4.432%的導(dǎo)電石墨瀝青混凝土試塊在不同溫度下的電阻率4.4濕度對導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電性能的影響同樣選取以上用摻量為40%的導(dǎo)電石墨，細度為50目、325目的天然石墨做成的試塊，測量分別在82%、87%、93%濕度下的電阻值，其中在測量每個濕度時均先在室溫23°C下保溫4小時，然后在此濕度下測量電阻值。并計算電阻率后得出的曲線圖4.5。圖4.5濕度對導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電性能的影響由圖4.5可知：三條曲線隨濕度的增加略有增加，但整體趨于平緩。表明濕度對電阻率的影響不是很明顯，對電阻率的升高影響不大。從而保證了電阻率的穩(wěn)定性有利于融冰化雪的實現(xiàn)。同時，本組實驗還重新選料利用三連模分別做了二塊40×130×160mm的導(dǎo)電瀝青混合料。其中一塊摻加40%的導(dǎo)電石墨，另一塊摻加40%、50目的天然石墨。則分別與40%的40×40×160mm50目的天然石墨塊相比較。測得的電阻率相比較。得出的曲線圖4.6。圖4.6濕度對不同尺寸試塊的導(dǎo)電性能的影響由圖4.6可知：隨著體積的增加導(dǎo)電瀝青混凝土試塊隨濕度的增加而平緩的增加。與上一組的結(jié)論相同。但是隨著體積的增加，電阻率明顯的增加。同時雖然導(dǎo)電石墨的純度高于99.99%，天然石墨的純度不到93%。但是相同體積的導(dǎo)電石墨的電阻率遠遠大于50目的天然石墨。也同時驗證了細度越小電阻率越大。5結(jié)論及建議本文結(jié)合了國內(nèi)外現(xiàn)有的導(dǎo)電瀝青混凝土試驗數(shù)據(jù),以國家公路局規(guī)定的配合好的瀝青混混合料為基礎(chǔ),分別做了以下實驗：在常溫下和自然狀態(tài)下測定導(dǎo)電石墨摻量對瀝青路面混凝土的影響。在常溫