聚乙烯绝缘料配方设计（三相导电沥青混合料的制备及性能研究）

文章来源：微信公众号”沥青路面“

摘要：为制备性能良好的导电沥青混合料，以石墨、碳纤维和钢渣为导电材料，研究3种材料掺量及组合对混合料路用性能和导电性能的影响，并通过灰关联度分析得出影响导电性能的最重要因素。结果显示，石墨的加入使混合料的路用性能急剧降低，当石墨掺量为12%~20%时，电导率随石墨掺量的增多大幅升高，当石墨掺量大于20%时，电导率的提高幅度有限；复相导电混合料的路用性能随碳纤维掺量的增多呈现先提高后降低的趋势，存在最佳碳纤维掺量，碳纤维的掺入大幅提高了混合料的导电性能，当碳纤维掺量大于0.3%时，导电性能趋于稳定；钢渣的掺入提高了三相导电混合料的高温稳定性和水稳定性，降低了低温抗裂性，当石墨、碳纤维和钢渣掺量分别为20%、0.35%和100%时，混合料的导电性能最佳，且具有良好的路用性能；3种材料对混合料导电性能影响的显著程度为：碳纤维＞石墨＞钢渣。

关键词：导电沥青混合料；路用性能；导电性能；灰关联熵

导电沥青混合料是在普通沥青混合料中添加导电相材料所制备出的具有良好导电性能的沥青路面材料[1-3]。由于导电沥青混合料特有的导电属性，经常将其应用于寒冷地区沥青路面除冰雪、路面结构承载力评估、结构健康监测、疲劳寿命预测和智能化管理等[4-7]，同时可将其用于气温骤降时防止路面开裂、对建筑物进行电磁防护等方面[8-9]。目前，导电材料主要以石墨、碳纤维和钢渣等为主，现有研究主要是将某一种导电材料添加至沥青混合料中制备单相导电混凝土[10-12]，然而每种材料在实现导电方面都存在自身的弱势，石墨的电导率高，且分散状态均匀，但其在混合料中作为分散相存在，不易形成完整的导电网络；碳纤维虽然能形成完整的导电网络，但分散性较差；钢渣的导电性虽然较差，但是其可以弥补由于掺加导电相材料造成的混合料力学性能损伤。因此，如何同时发挥3种导电材料各自的优势，制备导电性能优异，兼具良好路用性能的导电沥青混合料具有重要意义。基于此，本文通过试验，研究石墨-碳纤维-钢渣三相复合导电混凝土的路用性能和导电性能，提出3种材料的最佳配比，使混合料具有优越导电性能的同时兼有良好的路用性能，为导电沥青混合料的进一步研究提供理论参考。

沥青选用星型SBS改性沥青，其主要技术指标见表1。

粗细集料均选用玄武岩，矿粉选用磨细的石灰石粉，集料和矿粉都有良好的物理力学性能；石墨来自北京某公司，纯度≥99.88%，细度为400目；碳纤维采用北京某公司生产的TC36碳纤维，长度10mm，单丝直径≤8μm，含碳量≥93%，拉伸强度3.5MPa，拉伸模量200GPa；钢渣为转炉炼钢所产生的废渣经分淬急冷形成的一种多矿物固溶体，主要导电成分为氧化铁，其表观密度为3.065g/cm3，压碎值为15.5%，在沥青混合料中可当骨料使用。

利用高温车辙试验、小梁弯曲试验和浸水马歇尔试验，测试导电沥青混合料的动稳定度、最大弯拉应变和浸水残留稳定度，分别评价沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。

制作标准的导电沥青混合料马歇尔试件，在试件断面上喷涂导电膏，将连接有导电片的导线与导电膏相贴，利用LCR自动测量仪测试试件的电导率，每组试件测试3次取平均值，用于评价沥青混合料的导电性能，所有试件均在其最佳油石比（6.2%）下测试。其中电导率的计算公式为：

为了研究石墨对沥青混合料路用性能和导电性能的影响，测试不同石墨掺量（占沥青混合料体积百分率）时沥青混合料的动稳定度、最大弯拉应变、浸水残留稳定度和电导率，试验结果如表3所示。

从表 3 可以看出：

（1）随着石墨掺量的增多，沥青混合料的动稳定度、最大弯拉应变和浸水残留稳定度都逐渐减小，尤其当石墨掺量大于20%时，再增大石墨掺量会使3项指标大幅降低。如当石墨掺量由0增大至20%时，3项指标分别降低了33.6%、42.6%和22.4%；当石墨掺量由0增大至24%时，3项指标较未掺石墨时分别降低了55.3%、60.1%和27.4%，表明当石墨掺量大于20%时，沥青混合料的路用性能会出现明显削弱。这是因为：随着石墨掺量的增多，沥青混合料中的粉料含量增多，会逐渐撑开粗集料形成的骨架，当石墨掺量大于20%时，将粗骨料形成的骨架完全撑开，使沥青混合料受力时的整体稳定性降低，因此路用性能急剧变差；石墨层间的结合力较小，易于滑动，过大的石墨掺量会起到润滑剂的作用，从而削弱了沥青混合料的路用性能。

（2）当石墨掺量低于12%时，随着石墨掺量的增多电导率缓慢增长；当石墨掺量由8%增大至12%时，电导五率由3.5×10(负十次方)S/m增大至4.2×10(负五次方)S/m，提高了5个数量级；当石墨掺量为12%~20%时，随着石墨掺量的增多，电导率大幅上升；石墨掺量为20%时电导率为1.5×10(负三次方)S/m，相比于12%时增大2个数量级；当石墨掺量大于20%时，再增大石墨掺量，电导率的增长幅度较小；当石墨掺量由20%增大至24%时，电导率仅提高0.0005S/m。由此将石墨单相导电沥青混合料的导电性能分成3个阶段：绝缘阶段（0~12%）、过渡阶段（12%~20%）和导电阶段（20%~24%）。石墨单相导电沥青混合料中，随着石墨掺量的增多，石墨粒子之间的接触几率增大，当粒子含量达到20%时，电子发生跃迁，在沥青混合料内部形成隧道电流，使沥青混合料的导电性能显著改善；当石墨掺量大于20%时，电子跃迁逐渐稳定，因此沥青混合料的导电性能也趋于稳定。综合路用性能和导电性能试验结果，石墨单相导电沥青混合料中，石墨掺量不宜大于20%。

保持石墨掺量为 20%不变，在石墨单相导电沥青混合料中加入不同掺量的碳纤维（占沥青混合料体积百分率），研究碳纤维掺量对复相导电沥青混合料路用性能和导电性能的影响，试验结果如表 4 所示。

从表 4 可以看出，复相导电沥青混合料的动稳定度、最大弯拉应变和浸水残留稳定度都随着碳纤维掺量的增多呈先增大后减小的变化趋势。当碳纤维掺量为 0.3%时动稳定度和最大弯拉应变最大，此时混合料的高温稳定性和低温抗裂性最强；而当碳纤维掺量为 0.2%时，浸水残留稳定度达到最大值，此时的水稳定性最好。碳纤维在沥青混合料中起到加筋、吸油和稳定作用，当掺量小于最佳掺量时，最大碳纤维掺量由于纤维的吸附作用会降低混合料中自由沥青的含量，并降低沥青混合料的空隙率，因此会使路用性能得到改善；而当碳纤维掺量大于最佳掺量时，再增大掺量会在沥青混合料中形成应力集中区，并且会降低混合料的密实度，路用性能反而会削弱。

电导率随着碳纤维掺量的增多逐渐增大，当碳纤维掺量大于 0.3%时，电导率的增长幅度放缓，碳纤维掺量由 0 增大至0.3%时，电导率由 1.5×10(负三次方) S/m 增大至1.5×10(负二次方) S/m，提高了 1个数量级；而当碳纤维掺量由 0.3%增大至 0.4%时，电导率由1.5×10(负二次方)S/m 增大至 1.7×10 (负二次方)S/m，提仅提高 13.3%。复相导电沥青混合料中，由于骨料和矿粉颗粒占据石墨颗粒在导电通路中的位置，使石墨形成的导电链机会处于孤立状态，而碳纤维由于具有较大的长径比，能够冲破集料和矿粉颗粒对导电通路的阻隔作用，将多个孤立的导电源连接起来，形成三维导电网络结构，因此使混合料的导电性能明显提高。当碳纤维掺量大于 0.3%时，三维导电网络结构基本形成，因此再增大碳纤维掺量，混合料的导电性能提高不明显。综合路用性能和导电性能试验结果，复相导电沥青混合料中，碳纤维最佳掺量为0.3%。

钢渣富含氧化铁和金属废钢，将其加入到沥青混合料中能提高混合料的导电性能，然而石墨、碳纤维和钢渣作为 3 种不同的材料，其导电机理各有不同。将 3 种材料同时加入到混合料中，如何才能发挥各自的导电优势，最大限度的提高混合料的导电性能，需要进一步研究。改变 3 种材料掺量（其中钢渣掺量以钢渣替代普通骨料的比例计）并设计 9 组不同试验，测试三相导电沥青混合料的路用性能指标和电导率，结果如表 5 所示。

从表 5 可以看出，相比于石墨-碳纤维复相沥青混合料，钢渣的加入会使沥青混合料的动稳定度和浸水残留稳定度提高，但会使最大弯拉应变稍有降低。表明钢渣的加入提高了沥青混合料的高温稳定性和水稳定性，但会使低温抗裂性稍有降低。解释其原因为：相比于绝缘骨料，钢渣的强度和棱角性更好，钢渣颗粒形成的骨架稳定性和密实性更好，因此在受压时不容易破坏，使高温稳定性和水稳定性提高；而钢渣颗粒与沥青的吸附性弱于普通骨料与沥青的吸附性，二者的粘结力较低，在弯曲荷载作用下接触面更容易破坏，因此低温抗裂性稍差。9 # 试样的电导率值比其它组高 1 个数量级，表明三相导电沥青混合料的导电性能最好，同时 9 # 沥青混合料具有较好的路用性能。因此，综合确定当石墨、碳纤维和钢渣掺量分别为 20%、0.35%和 100%。

灰关联分析是由邓聚龙教授提出的一种贫信息系统分析有效手段，是对动态灰过程发展态势整体接近性分析方法 [13-14] 。

为分析石墨、碳纤维和钢渣 3 种导电材料对沥青混合料导电性能的影响程度，通过灰关联分析计算得到3 种材料掺量与沥青混合料电导率之间的灰关联度，计算结果如表 6 所示。

从表 6 可以看出，3 种导电材料对混凝土导电性能影响

的显著程度为：碳纤维＞石墨＞钢渣。这主要与 3 种材料在混凝土中的导电机理有关，碳纤维主要是通过相互联接，在沥青混合料内部搭建导电网格；石墨主要是作为分散相分散在沥青混合料内部，容易受到普通骨料颗粒和矿粉颗粒的阻隔而形成势垒，只有在外界能量作用下电子发生跃迁，势垒被打破，从而实现导电；钢渣颗粒虽然较大，颗粒间的相互接触几率虽然大于石墨颗粒，但由于其本身的导电能力在 3 种材料中相对最差，极大地削弱了沥青混合料的导电能力，因此钢渣对沥青混合料导电能力的影响程度较小。

（1）石墨的加入严重削弱了沥青混合料的路用性能，当石墨掺量大于 20%时，混合料路用性能急剧降低；石墨单相导电沥青混合料的电导率对石墨掺量有很大的依赖性，当石墨掺量为 12%~20%时，电导率随石墨掺量的增加而急剧增长，直至掺量大于 20%时，电导率的增长趋势逐渐放缓。

（2）石墨-碳纤维复相导电沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性都随碳纤维掺量的增多呈现先提高后降低的变化规律，当碳纤维掺量为 0.3%时，高温稳定性和低温抗裂性最好，当碳纤维掺量为 0.2%时水稳定性最好；在石墨导电沥青混合料中掺入 0.3%的碳纤维会使电导率提高 1 个数量级，之后再增加碳纤维掺量，电导率的提高幅度有限。

（3）在石墨-碳纤维复相导电沥青混合料中掺入钢渣会使混合料的高温稳定性和水稳定性增强，但会削弱混合料的低温稳定性；当石墨、碳纤维和钢渣的掺量分别为 20%、0.35%和 100%时，三相导电沥青混合料的导电性能最佳，且具有良好的路用性能；3 种导电材料对沥青混合料导电性能影响的显著程度为：碳纤维＞石墨＞钢渣。

参考文献：

[1] 丁庆军，吴学伟，刘新权，等．掺石墨导电 SMA 的电学性能[J]．建筑材料学报，2009，12（1）：121-125．

[2] 覃峰．锰渣矿粉沥青混合料抗腐性能研究[J]．新型建筑材料，2012，39（3）：43-48．

[3] WEN S，CHUNG D D L.Seebeck effect in carbon fiber rein-forced cement [J].Cement and Concrete Research，1998，23（4）：837-841.

[4] 曾黎明．功能复合材料及其应用[M]．北京：化学工业出版社，2007．

[5] 吴少鹏，高博，邱健，等．沥青基路用传感器材料的试验研究[J]．华中科技大学学报：城市科学版，2008，25（2）：11-14．

[6] 刘小明．导电沥青混凝土的机敏特性研究[D]．武汉：武汉理工大学，2007．

[7] 吴少鹏，磨炼同，水中和，等．导电沥青混凝土的制备研究[J]．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2002，26（5）：566-569．

[8] 马世宁，刘晓军，张元龙．碳纤维导电混凝道面机场除冰雪的应用研究[J]．路基工程，2011（3）：182-184．

[9] 薛永杰．钢渣沥青马蹄脂混合料制备与性能能研究[D]．武汉：武汉理工大学，2005．

[10] 唐祖全，李卓球，侯作富，等．导电混凝土路面材料的性能分析及导电组分选择[J]．混凝土2002（4）：28-31.

[11] XIE Ping，GU Ping，BEAUDOIN J J.Electrical percolationphe－nomena in cement composites containing conductive fibers[J].Journal of Materials Science，1996，31（15）：4093-4097．

[12] 张鸿．聚苯胺复合导电纤维的制备与应用基础研究[D]．大连：大连理工大学，2008．

[13] 邓聚龙．灰色系统理论教程[M]．武汉：华中理工大学出版社，1990．

[14] 张岐山，郭喜江，邓聚龙．灰关联熵分析方法[J]．系统工程理论与实践，1996（8）：7-11．