沥青路面材料导电性能的实验研究.doc
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1、沥青路面材料导电性能的实验研究 摘 要本文实验研究了不同掺量的导电石墨和不同细度的天然鳞片石墨对导电沥青混凝土的导电性能的影响,结果表明:随着石墨掺量的增加,电阻率不断减小,石墨掺量为40%时导电性能最好,电阻率趋于稳定;随着天然鳞片石墨细度的增加导电沥青混凝土的导电性能是降低的。同时还研究了在不同温度,不同湿度下导电沥青混凝土的电导率的变化:在不同温度下,当掺量较小时主要表现为PTC效应;当掺量较大时还要受粒子的热扰动性影响,温度与导电性呈非线性关系。选取合适的掺量对导电沥青混合料的电阻稳定性有较大的帮助;在不同湿度下,湿度对电阻率的影响不是很明显,对电阻率的升高影响不大。关键词:导电沥青混
2、凝土,石墨,电学性能,电阻率Asphalt pavement materials conductive performance studyABSTRACTIn this paper,we mainly analysis the conductivity of conductive asphalt oncrete,the different dosage of conductive graphite and different fineness of natural flake graphite effect on conductivity of conductive asphalt concr
3、ete are expounded.through the experiment ,Graphite production 40% conductive performance is best;conductivity decreases continuously,after reach a certain content,conductivity tends to be stable.At the same time with the increase of fineness of natural flake graphite conductive performance of conduc
4、tive asphalt concrete is lower. Finally, this article also studied at different temperature, the change of the conductivity of conductive asphalt concrete under different humidity. Experimental results show that under different temperature, when the dosage is small mainly for PTC effect; When the do
5、sage is bigger was mainly affected by particle thermal disturbance of sex, temperature and electrical conductivity is nonlinear relationship. Select the appropriate dosage of conductive resistance stability of the asphalt mixture has a great help. Under different humidity, humidity influence on resi
6、stivity is not very obvious, the resistivity increases. Keywords: Electrically conductive asphalt concrete; Graphite; Electrical properties; Resistivity I目 录1 绪论11.1 研究的背景和意义11.2 导电沥青混凝土的研究与应用现状41.3本文的主要研究内容52 文献综述62.1 导电沥青混凝土的导电介质分类62.2 导电机理72.2.1复合导电材料的导电机理72.2.2石墨导电沥青混凝土的导电机理102.2.3 导电沥青混凝土的导电模型1
7、22.2.4 沥青用量对导电性能的影响132.2.5 石墨用量对导电性能的影响142.2.6压实度对导电性能的影响142.3 温敏特性概述143 实验部分163.1主要仪器与设备163.2制备工艺173.3导电沥青混凝土的材料组成183.4 导电相材料掺量203.5实验方法213.5.1确定每个试块的沥青混合料的质量213.5.2 电阻率测量214 实验结果及讨论244.1 不同掺量的导电石墨对导电性能的影响244.2细度变化对石墨导电沥青混凝土的影响254.3 环境温度对导电沥青混凝土的影响264.4 湿度对导电沥青混凝土的导电性能的影响285 结论及建议30参考文献31致 谢33321 绪
8、论1.1 研究的背景和意义从20世纪50年代以来世界各国修建的沥青混凝土路面的数量增长迅猛。在总的公路里程当中,沥青混凝土路面所占的比重越来越大。20世纪20年代我国上海开始铺设沥青路面。1949年以后随着中国自产路用沥青材料工业的发展,沥青路面开始广泛应用于城市道路和公路干线,成为目前中国铺筑面积最多的一种高级路面。改革开放以后我国高速公路建设事业取得了突出成就。1988年我国第一条高速公路全长 18. 5 公里的沪嘉高速公路建成通车。此后又相继建成全长375公里的沈大高速公路和143公里的京津塘高速公路。1990年在国道主干线总体规划指导下,我国高速公路建设步伐不断加快,每年建成的高速公路
9、由几十公里上升到1000公里,甚至高达5000公里。根据国家高速公路网布局方案和效果我们确定的国家高速公路网布局方案可以归纳为“7918”网,采用放射线和纵横网格相结合的形式,包括7条北京放射线,9条纵向路线和18条横向路线组成,总规模约8.5万公里,其中主线6.8万公里,地区环线、联络线等其它路线约1.7万公里1。与水泥混凝土路面相比,沥青混凝土路面具有如下优势阵,首先,沥青混凝土是一种具有弹性、塑性以及粘性的复合材料,在施工中不需要设置伸缩缝,而水泥混凝土是一种刚性材料,因为温度变化产生热胀冷缩,需要在路面建设时预留伸缩缝。第二,沥青混凝土路面与水泥混凝土路面相比表面比较平整,同时又有一定
10、的粗糙度,使得沥青混凝土在雨雪天气也具有一定的抗滑性能;黑色的沥青混凝土路面没有明显的强反光,降低了行车安全隐患;沥青混凝土材料具有一定的弹性和塑性,起到减缓震动,降低噪音的作用,行车更为舒适。第三,沥青混凝土施工方便快捷。不管是水泥混凝土路面还是沥青混凝土路面,都会在几年后涉及到修补的问题。水泥路面重修时要比沥青路面麻烦很多,费用也高出了不少。几公里的沥青路面要想加铺沥青层,一个晚上就可以实现,而水泥路面重修的施工过程要繁琐很多,首先要用大型设备粉碎路面,然后再进行平铺工程等等。同样长度的公路,如果是沥青路面一晚上完成,水泥路面恐怕一个月也不能完成。因此,沥青混凝土路面必将成为今后公路建设的
11、主要路面结构形式,目前已经在高速公路、机场跑道、桥面铺装、城市道路等各个方面得到广泛的应用,而且随着经济和交通事业的发展以及公路交通的需要,沥青混凝土路面将逐步取代水泥混凝土路面,得到更为广阔的发展2-3。随着沥青混凝土路面的广泛应用与蓬勃发展许多问题也随之而来。其中冬季大量的道路积雪己成为安全行车的重大隐患,尤其在高速公路上积雪对交通的危害愈来愈突出。积雪能中断交通或使汽车刹车失灵4-5。特别是近几年气候的改变,我国中部及部分南方地区也频繁遭受冻雨雪灾等寒冷天气的侵袭影响交通运输。比如2008年1月10日起中国湖北、贵州、云南、甘肃、青海、宁夏、新疆等19个省级行政区均受到低温、雨雪、冰冻灾
12、害影响,死亡60人,交通严重受阻,其中有14个民航机场因大雪被迫封闭,五纵七横干线也有约2万公里封闭限行,滞留旅客达到百万。车站以及公路沿线,造成直接经济损失537.9亿元6-7。为了保障行车安全和道路通畅,提高道路的运营效率,必须采取有效措施防止并清除积雪。目前国内外除雪方式主要有人工清除法、机械清除法和撒融雪剂法。人工清除法效率低且影响交通,机械清除法设备昂贵且闲置期长。撒融雪剂法是最常见且被广泛应用的方法,世界各国主要通过撒盐(NaCI、CaCI2)来实现融冰化雪。然而,撒盐给混凝土路面结构和环境带来了许多负面效应,主要表现为钢筋钢纤维锈蚀、路面剥离破坏和环境污染等问题。世界上不少国家因
13、使用除雪盐造成道路、桥梁的严重破坏,目前正在花费巨额费用进行修复,其经济损失十分巨大。例如,1998年,美国60万座钢筋混凝土桥中,被列入修复计划的费用是2000亿美元,是当初建桥费用的4倍。因此,迫切地需要开发新型的道路融雪化冰方法来取代传统方法,以减少除雪盐的使用,降低其对道路、桥梁的损坏8。表1.1中是目前应用过的融冰化雪的方式类型以及它们各自的优点和缺点。其中,导电沥青混凝土是在普通沥青混合料的基础上按照一定的比例掺入导电相材料,通过改变沥青混凝土内部的结构组成使之由绝缘材料转变为可以导电的新型复合材料。导电沥青混凝土与外部电源接通后,由于电热效应产生热量,热量由沥青混凝土内部传至路面
14、表层,使路表温度升高,起到融冰化雪的作用。利用导电沥青混凝土法融雪具有及时、无需中断交通、绿色环保等优点,在融冰化雪技术领域中具有非常明显的天然优势,特别是在桥面铺装、机场跑道建设以及高速公路的弯道、坡路等对路面摩擦力要求较高的地段。大力推广和使用导电沥青混凝土,不仅能够实现及时、高效的清除路面的冰雪,保障道路畅通及行驶安全,而且更重要的是能够减少甚至杜绝使用融冰盐,彻底免去融冰盐对道路桥梁和环境的危害,实现国民经济的可持续发展。表1.1 不同类型的融冰化雪方法及各自特点融冰雪化冰方式类型优点缺点清除法人工清除法除雪较彻底效率低、影响交通、浪费人力机械清除法机械设备铲雪除雪面积大、速度较快清除
15、不彻底、影响交通、设备昂贵且闲置期长,经济效益差吹风机除雪除雪安全环保适用范围小、机械需求量大、费用大融化法化学融化法氯化物融雪剂法材料来源广泛、价格便宜降低路面耐久性、污染环境环保融雪剂法环保、融雪较氯盐快价格昂贵难以推广热化学法地热管法用清洁能源、绿色环保融雪效率低,初期投资大,且耐久性较差红外线管加热自动融雪、易于控制升温过于迟缓且受外部风向的影响大,现已基本不用电热丝法不需变压器等服务设施、加热效果好电热丝易被行车载荷破坏,不易维修,限制了其应用流体加热法利用自然热水源或太阳能加热、绿色环保系统本身与安装价格昂贵、换热管道易渗漏而影响加热效果导电混凝土法融雪及时、无需中断交通、绿色环保
16、要消耗电能,适宜于在机场、桥面等重要路段应用另一方面,在低温环境中对导电沥青混凝土通电,使路面的温度升高,可以改善沥青混凝土路面由于低温而开裂的问题。导电沥青混凝土具有很好的机敏特性,可以通过测定电阻率的变化反映路面内部情况,同时还可以使沥青混凝上具有结构自诊断功能。1.2 导电沥青混凝土的研究与应用现状 1968年,L.D.Minsk首次发表了美国联邦航空局与超级石墨公司共同研制的石墨(25wt%)导电沥青混凝土及其试验应用情况:六个试验段在两个冬季中表现出了令人满意的融雪效果,但经过18个月后电阻率升高了21%至85%,同时研究认为导电沥青混凝土的成本相对于其它路面加热方法更具有竞争力。1
17、998年,美国的L.D.Zaleski公布了电传导性路面混合料与道路系统专利,该专利研究了无定形石墨与合成石墨(2:1)的混合物(20wt%30wt%)掺入沥青混合料中制备出的导电沥青混合料电阻率达到100至15m,施加120V电压时可用来融化路面的冰雪。2000年,R.L.Fitzgerald研究发现掺入碳纤维(0.5wt%)不仅可使沥青混凝土的电阻率降低一个数量级,而且可改善沥青混凝土的力学性能。国内的吴少鹏等从2002年开始对导电沥青混凝土进行了大量的富有成效的探索与研究工作,主要包括导电沥青混合料的组成设计及其制备、导电机理分析、机敏特性和自诊断应用研究等方面10。研究发现:(1) 石
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- 沥青路面 材料 导电 性能 实验 研究