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[摘 要]导电沥青混凝土是一种具有良好融雪化冰功能的道路铺装材料。对不同石墨掺量导电沥青混凝土进行马歇尔试验，确定不同石墨掺量下导电沥青混凝土的最佳油石比；研究不同石墨掺量导电沥青混凝土的电阻率，评价石墨掺量对导电沥青混凝土导电性能的影响，并分析得到石墨导电沥青混凝土的导电机理。结果表明：石墨掺量存在一个临界值，在该临界掺量下，导电沥青混凝土电阻率迅速下降；石墨导电沥青混凝土的导电性是由导电通道机制和隧道效应两种导电机制共同作用的结果。
[关键词]融雪化冰；导电沥青混凝土；石墨；导电性能；导电机理
中图分类号：S903 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0124-01
0 引言
目前，导电沥青混凝土所采用的导电相材料主要分为三类[6]：粉末类、纤维类和颗粒类。粉末类主要包括石墨、炭黑等，纤维类常用的有钢纤维、碳纤维等，颗粒类主要有钢渣、钢颗粒等。其中，石墨对沥青混凝土导电性能的改善效果明显，是一种较容易获取的无机材料，具有优异的导电、导热、耐腐蚀等特性[7-8]，它几乎与极大多数的酸、碱、盐都不起反应，不溶于有机与无机溶剂，且有较好的抗氧化性，在不少工业制品中常被用作导电材料。目前广泛的应用于导电混凝土的研究中。因此，本文选择石墨作为沥青沥青混凝土的导电相材料，研究了不同石墨摻量对沥青混凝土油石比和导电性能的影响，并研究了导电沥青混凝土的导电机理，为石墨导电沥青混凝土在道路铺装中的应用提供参考。
1 原材料及石墨最佳掺量确定
1.1 原材料
本文所选用的沥青为SBS改性沥青，依照《JTGE20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行性能试验。
粗集料为玄武岩集料，细集料为石灰岩机制砂，矿粉为石灰石磨细的矿粉。
导电相材料选用上海一帆石墨有限公司生产的100目的石墨粉，颗粒粒径为0.15毫米，电阻率小于8*10-4Ω·cm，由于其粒径组成与矿粉类似，可作为填料使用。
1.2 配合比设计
本文采用级配为AC-13级配，采用马歇尔试验配合比设计方法，通过确定粗集料、细集料、矿粉、导电相材料和沥青之间的比例关系，使沥青混合料的各项指标达到工程要求。
由于导电相材料石墨的比表面积较大，会吸收大量沥青，使得沥青混合料内的自由沥青减少，因此不同石墨掺量下沥青用量不同。本文对不同石墨掺量下最佳油石比进行研究，得出随着石墨掺量的增加，油石比也相应的增加。
2 石墨导电沥青混凝土的导电性能研究
2.1 石墨掺量对沥青混凝土导电性能的影响
导电沥青混凝土电学性能的改善主要依靠导电相材料的掺入，因此导电相材料的掺量将对其电阻率产生决定性的影响。本文考察了不同石墨掺量下，导电沥青混凝土的电学性能，探究石墨用量对导电沥青混凝土电阻率的影响。
当石墨掺量较小时，混合料保持高的电阻率。继续增加掺量，当体系中的掺量达到一个临界值时，体系中的电阻突然下降，变化幅度显著。此后，即使导电填料的继续增加，电阻率变化趋平缓。电阻率突变区及其前后可将导电相材料对沥青混凝土导电性能的影响分成三个阶段：绝缘阶段，过渡阶段和导电阶段，这可用导电复合材料的渗流理论来解释。在第一阶段，掺加少量的导电相时，混凝土保持高电阻率，其大小接近于被掺相基体（比如普通沥青混合料）的电阻率，随着导电相粒子掺量的增加，粒子间接触增多，形成网状几率加大，导电性增加，且呈线性变化，此时主要是通过被掺相基体所形成的通路导电；在第二阶段，掺加的导电相达到一定程度（临界值Pc）时，电阻突然下降，变化幅度显著。这是因为导电粒子间的距离减小，接触几率增加，导电网络逐渐形成；在第三阶段，掺加大量的导电相时，体系的电阻值变化趋缓，但仍有一定的变化，此时导电通路己经形成，整个混合物电阻率的变化完全取决于石墨与石墨间的接触。
2.2 导电机理分析
普通的沥青混凝土属于高度的不良导体，其电阻率可以高达1013Ω·cm。在普通的沥青混凝土中间掺加石墨，能够制备出具有良好导电性能沥青混凝土材料。导电相材料的导电性能以及导电相材料的相互接触情况对沥青混凝土的导电性能起着决定性的作用。导电相材料的加入使整个沥青混凝土沥青质中出现相连的导电粒子链，借助电子的运动使之导电。目前关于导电沥青混凝土的导电机制多数借鉴的是复合材料导电理论。关于导电混凝土导电机理的研究比较流行的有两个理论：一是宏观的渗流理论，即导电通道学说；二是微观量子力学的隧道效应理论和场致发射效应理论。
在石墨导电沥青混凝土中，当石墨的掺量较小时，石墨粒子以孤立或小集体形式存在，粒子间距较大，搭接较少，不能形成导电链和导电网络，因而石墨的掺量对复合材料体积电阻率的影响不明显。在掺量低时，导电粒子的间距较大，相互连接的概率较小，电子需要跃迁产生隧道电流才能够形成导电网络，此时隧道效应占优势。随石墨掺量的逐步增大，石墨离子间距逐渐缩小并相互搭接形成导电链，当石墨掺量进一步增大到渗滤阀值时，导电链的数目迅速增长，材料的电阻率急剧下降；石墨掺量超过渗滤阀值时，贯穿于复合材料的导电链已经形成，石墨粒子间有相当大程度的搭接，此时试样的导电以沿石墨链的电子传导为主，体积电阻率主要取决于石墨粒子之间的导电能力。增加石墨掺量仅使导电链的条数增加，因而材料的电阻率随石墨掺量增加而减小，但减小的速度大大降低。在导电填料含量较高的情况下，复合体系中导电粒子之间的间距较小，形成链状导电通道的几率较大，这时导电通道机理的作用占优势。石墨导电沥青混凝土的导电性是由这二种导电机制共同作用的结果。
3 结论
（1）石墨掺量存在一个临界值。当石墨掺量较小时，混合料保持高的电阻率，继续增加掺量，当体系中的掺量达到一个临界值时，体系中的电阻突然下降，变化幅度显著。此后，即使导电填料的继续增加，电阻率变化趋平缓。
（2）在石墨导电沥青混凝土中，当石墨的掺量较小时，石墨粒子以孤立或小集体形式存在，粒子间距较大，搭接较少，导电机制以隧道效应为主；石墨掺量超过渗滤阀值时，贯穿于复合材料的导电链已经形成，石墨粒子间有相当大程度的搭接，此时试样的导电以沿石墨链的电子传导为主。
参考文献
[1] 徐新，刘世涛，李新宁.PAN基导电沥青混合料导电性能研究[J].低温建筑技术，2016，38（11）：14-15.
[2] 冯新军，查旭东，程景.PAN基碳纤维导电沥青混凝土的制备及性能[J].中国公路学报，2012，25（02）：27-32.
[3] 程志豪，陈祥方，郑少鹏，侯荣国，陈华斌.导电沥青混凝土材料及施工技术研究[J].公路交通科技（应用技术版），2017，13（09）：89-91.
[4] 王向阳，高宇星.碳纤维石墨导电沥青混凝土的制备及导电性能研究[J].公路，2012（01）：139-142.
[5] 刘志胜，武胜兵，刘鹏飞，胡国鹏.导电沥青混凝土及其功能特性研究进展[J].材料导报，2017，31（S1）：374-378+387.
作者简介
马东辉（1980-），男，黑龙江省人，工程师；研究方向：工程管理.
[关键词]融雪化冰；导电沥青混凝土；石墨；导电性能；导电机理
中图分类号：S903 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0124-01
0 引言
目前，导电沥青混凝土所采用的导电相材料主要分为三类[6]：粉末类、纤维类和颗粒类。粉末类主要包括石墨、炭黑等，纤维类常用的有钢纤维、碳纤维等，颗粒类主要有钢渣、钢颗粒等。其中，石墨对沥青混凝土导电性能的改善效果明显，是一种较容易获取的无机材料，具有优异的导电、导热、耐腐蚀等特性[7-8]，它几乎与极大多数的酸、碱、盐都不起反应，不溶于有机与无机溶剂，且有较好的抗氧化性，在不少工业制品中常被用作导电材料。目前广泛的应用于导电混凝土的研究中。因此，本文选择石墨作为沥青沥青混凝土的导电相材料，研究了不同石墨摻量对沥青混凝土油石比和导电性能的影响，并研究了导电沥青混凝土的导电机理，为石墨导电沥青混凝土在道路铺装中的应用提供参考。
1 原材料及石墨最佳掺量确定
1.1 原材料
本文所选用的沥青为SBS改性沥青，依照《JTGE20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行性能试验。
粗集料为玄武岩集料，细集料为石灰岩机制砂，矿粉为石灰石磨细的矿粉。
导电相材料选用上海一帆石墨有限公司生产的100目的石墨粉，颗粒粒径为0.15毫米，电阻率小于8*10-4Ω·cm，由于其粒径组成与矿粉类似，可作为填料使用。
1.2 配合比设计
本文采用级配为AC-13级配，采用马歇尔试验配合比设计方法，通过确定粗集料、细集料、矿粉、导电相材料和沥青之间的比例关系，使沥青混合料的各项指标达到工程要求。
由于导电相材料石墨的比表面积较大，会吸收大量沥青，使得沥青混合料内的自由沥青减少，因此不同石墨掺量下沥青用量不同。本文对不同石墨掺量下最佳油石比进行研究，得出随着石墨掺量的增加，油石比也相应的增加。
2 石墨导电沥青混凝土的导电性能研究
2.1 石墨掺量对沥青混凝土导电性能的影响
导电沥青混凝土电学性能的改善主要依靠导电相材料的掺入，因此导电相材料的掺量将对其电阻率产生决定性的影响。本文考察了不同石墨掺量下，导电沥青混凝土的电学性能，探究石墨用量对导电沥青混凝土电阻率的影响。
当石墨掺量较小时，混合料保持高的电阻率。继续增加掺量，当体系中的掺量达到一个临界值时，体系中的电阻突然下降，变化幅度显著。此后，即使导电填料的继续增加，电阻率变化趋平缓。电阻率突变区及其前后可将导电相材料对沥青混凝土导电性能的影响分成三个阶段：绝缘阶段，过渡阶段和导电阶段，这可用导电复合材料的渗流理论来解释。在第一阶段，掺加少量的导电相时，混凝土保持高电阻率，其大小接近于被掺相基体（比如普通沥青混合料）的电阻率，随着导电相粒子掺量的增加，粒子间接触增多，形成网状几率加大，导电性增加，且呈线性变化，此时主要是通过被掺相基体所形成的通路导电；在第二阶段，掺加的导电相达到一定程度（临界值Pc）时，电阻突然下降，变化幅度显著。这是因为导电粒子间的距离减小，接触几率增加，导电网络逐渐形成；在第三阶段，掺加大量的导电相时，体系的电阻值变化趋缓，但仍有一定的变化，此时导电通路己经形成，整个混合物电阻率的变化完全取决于石墨与石墨间的接触。
2.2 导电机理分析
普通的沥青混凝土属于高度的不良导体，其电阻率可以高达1013Ω·cm。在普通的沥青混凝土中间掺加石墨，能够制备出具有良好导电性能沥青混凝土材料。导电相材料的导电性能以及导电相材料的相互接触情况对沥青混凝土的导电性能起着决定性的作用。导电相材料的加入使整个沥青混凝土沥青质中出现相连的导电粒子链，借助电子的运动使之导电。目前关于导电沥青混凝土的导电机制多数借鉴的是复合材料导电理论。关于导电混凝土导电机理的研究比较流行的有两个理论：一是宏观的渗流理论，即导电通道学说；二是微观量子力学的隧道效应理论和场致发射效应理论。
在石墨导电沥青混凝土中，当石墨的掺量较小时，石墨粒子以孤立或小集体形式存在，粒子间距较大，搭接较少，不能形成导电链和导电网络，因而石墨的掺量对复合材料体积电阻率的影响不明显。在掺量低时，导电粒子的间距较大，相互连接的概率较小，电子需要跃迁产生隧道电流才能够形成导电网络，此时隧道效应占优势。随石墨掺量的逐步增大，石墨离子间距逐渐缩小并相互搭接形成导电链，当石墨掺量进一步增大到渗滤阀值时，导电链的数目迅速增长，材料的电阻率急剧下降；石墨掺量超过渗滤阀值时，贯穿于复合材料的导电链已经形成，石墨粒子间有相当大程度的搭接，此时试样的导电以沿石墨链的电子传导为主，体积电阻率主要取决于石墨粒子之间的导电能力。增加石墨掺量仅使导电链的条数增加，因而材料的电阻率随石墨掺量增加而减小，但减小的速度大大降低。在导电填料含量较高的情况下，复合体系中导电粒子之间的间距较小，形成链状导电通道的几率较大，这时导电通道机理的作用占优势。石墨导电沥青混凝土的导电性是由这二种导电机制共同作用的结果。
3 结论
（1）石墨掺量存在一个临界值。当石墨掺量较小时，混合料保持高的电阻率，继续增加掺量，当体系中的掺量达到一个临界值时，体系中的电阻突然下降，变化幅度显著。此后，即使导电填料的继续增加，电阻率变化趋平缓。
（2）在石墨导电沥青混凝土中，当石墨的掺量较小时，石墨粒子以孤立或小集体形式存在，粒子间距较大，搭接较少，导电机制以隧道效应为主；石墨掺量超过渗滤阀值时，贯穿于复合材料的导电链已经形成，石墨粒子间有相当大程度的搭接，此时试样的导电以沿石墨链的电子传导为主。
参考文献
[1] 徐新，刘世涛，李新宁.PAN基导电沥青混合料导电性能研究[J].低温建筑技术，2016，38（11）：14-15.
[2] 冯新军，查旭东，程景.PAN基碳纤维导电沥青混凝土的制备及性能[J].中国公路学报，2012，25（02）：27-32.
[3] 程志豪，陈祥方，郑少鹏，侯荣国，陈华斌.导电沥青混凝土材料及施工技术研究[J].公路交通科技（应用技术版），2017，13（09）：89-91.
[4] 王向阳，高宇星.碳纤维石墨导电沥青混凝土的制备及导电性能研究[J].公路，2012（01）：139-142.
[5] 刘志胜，武胜兵，刘鹏飞，胡国鹏.导电沥青混凝土及其功能特性研究进展[J].材料导报，2017，31（S1）：374-378+387.
作者简介
马东辉（1980-），男，黑龙江省人，工程师；研究方向：工程管理.