电极对结构自诊断沥青混凝土电阻率的影响

崔卫平，孙长军，2，秦丽娟，陈 雷

（1.唐山曹妃甸发展投资集团有限公司，唐山063210；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉430070）

沥青是一种绝缘体，电阻高达107～109Ω，而集料、填料也均为不导电的矿石，因此，普通的沥青混合料是一个绝缘体。在普通沥青混合料中，加入石墨、钢渣、碳纤维和钢纤维等导电材料后，沥青混合料就会具有了一定的电学性能，或者说是压敏性能，因此，可以通过自身电阻变化来感知材料内部结构应变和损伤的产生，将这些感知的信号通过数据采集仪进行采集、处理与分析，便可以为路面的预养护提供及时有效的决策信息。将这一类型的沥青混凝土铺筑在实际路面上，便称之为结构自诊断沥青路面。它是材料、人工智能、信息及机械等学科高度发展与交叉的产物。这种方法简单灵活，重复性高，灵敏度高，对于实时现场监控并保证沥青路面结构的正常运行具有很强的实用性，具有十分可观的经济效益和社会效益。

在结构自诊断沥青混凝土的应用中，电阻的检测极为重要，电阻检测的准确与否对沥青路面的服役性能评价至关重要。因此，对于电极的材料、尺寸等相关研究一直没有停止过。如侯作富、李卓球［1］等人研究表明，不锈钢钢丝网作电极时，虽然所测的电阻率要稍高，但其可以与混凝土结合的更紧密。采用不锈钢片作电极时，混凝土被明显分割开。因此，不锈钢丝电极网可以有效改善整个混凝土结构的强度。吴少鹏教授课题组［2－5］关于导电以及自诊断沥青混凝土的研究，电极材料采用的也是不锈钢丝网，但是并没有对其在自诊断沥青混凝土中对电阻变化的灵敏性方面作一些科学系统的研究。

1 试 验

1.1 原材料

沥青是武汉思立特公路物资有限公司提供的SK－70，70＃道路石油沥青，针入度79（0.1mm），延度39cm（5cm／min，10℃），软化点46.5℃。集料分为1＃料（9.5～16mm）、2＃料（4.75～9.5mm）、3＃料（2.36～4.75mm）、4＃料（0～2.36mm）四档石料均采用石灰岩。矿粉采用石灰岩碱性石料磨细得到的矿粉，亲水系数为0.8，无团状。石墨是由青岛天盛石墨有限公司生产，其中含碳量约为99%，粒径为150μm以下。碳纤维为鞍山东亚碳纤维有限公司生产的短切沥青基碳纤维，其中含碳量大于90%，长度4～7mm，抗拉强度1.68GPa。所选的电极为铁网和不锈钢网，网孔尺寸是36mm2。不锈钢材料为奥式体304钢，其抗锈蚀、焊接性和塑性好，但强度稍低。具体的参数如表1所示。

表1 不锈钢和铁主要参数

1.2 方法

采用AC－13级配，以石墨和碳纤维两种物质作为导电相材料，成型时，在马歇尔试件中，植入了不同尺寸的不锈钢丝网和铁网作为电极，分别进行间接拉伸试验，依据标准差值，比较输出的电信号的波动和灵敏性，由此简单得出合适的自诊断沥青混凝土的电阻材料和尺寸。在间接拉伸试验中，通过疲劳模式下的电阻变化规律，记录电阻和位移的变化关系，确定输出电信号的基本形式。

判断试件电阻的波动情况的标准是根据放置不同电极试件所测电阻值的标准差大小来评定的。在数学中，标准差能反映一个数据集的离散程度。一个较大的标准差，代表数值波动较大，大部分数值和平均值之间差异较大，越离散，则越不精确；反之，一个较小的标准差，代表这些数值波动小，更接近平均值。在文中，通过计算各样本所测的电阻的波动情况，即所测试件的电阻率的标准差越大，说明此电极波动性越大，越不稳定，所测数据越不精确；反之，标准差越小，所测数据越精确，电极越稳定。

测试电阻时采用两极法，每组测试有6个试件。对于没有电极的空白样品，采用两个不锈钢圆柱，锡焊接铜导线，电极与试件间用石墨粉填满粗糙表面，不锈钢圆柱重量相当于施加了一定的压力，改善电极与试件接触界面，减少接触电阻造成的试验误差。

2 结果与讨论

2.1 间接拉伸试验

由图1可以看出，试件在间接拉伸过程中电阻随时间的变化可以明显分为3个阶段。刚开始加载后试件电阻大幅度的减小，且时间很短。这是由于受到荷载的作用，使混合料内部的接触变得紧密，从而形成了更多的导电通路，电信号的变化则表现为试件的输出电阻率急剧下降；随后是电阻变化不太明显的平稳阶段，电阻几乎没有什么变化，此过程占整个间接拉伸过程的大部分。这是由于试件内部开始形成微裂缝，但在试件内部同时还存在一个压力的作用影响。压密作用会使试件的电阻降低，存在于试件内部的裂缝会使试件的输出电阻增高，但在此阶段由于压密作用所引起的电阻率的减小超过了试件开裂形成裂缝使电阻率增大带来的影响，所以在此阶段中电阻依然会缓慢下降，但是变化幅度很小，几乎处于稳定状态；最后是电阻上升过程，此过程时间比较短暂。这是由于荷载的作用，沥青混凝土试件内部的微细裂缝会逐渐发展变大，裂缝则会连接在一起，并随着加载的持续会逐渐壮大，至此导致的最终结果将会是马歇尔试件的断裂破坏，而由于存在于试件内部的大裂缝阻碍其内部的导电通路的原因，则会使输出的电阻率急剧变大。

2.2 不同电极样品电阻率

图2（a）和图2（b）分别显示了不锈钢网和铁网作为电极时，试件的初始电阻。没有植入电极的空白试件的电阻作为标准值参考。在图2中，随着电极尺寸面积的减小，试验的电阻值越来越趋于稳定，接近空白试件的标准值。两种不同材料的电极测试出的电阻都是先减小后增大，这是因为使用网状电极和导电材料的沥青混凝土接触不均匀，有一定的尺寸效应。当电极面积尺寸降低到试件表面积的40%～60%时，测试电阻具有良好的稳定性，与标准值相似。

如图1所示，当试件破坏时，电阻将会出现明显的拐点。因此，还可以对两种不同电极材料的结构自诊断沥青混凝土试件破坏时的电阻稳定性进行比较。图3显示了两种电极制备的试件的电阻与初始电阻的变化趋势相似。但是铁网电极测试得到的结果更为分散。随着电极面积尺寸的减小，当电极面积尺寸降低到试件表面积60%时，电阻比较稳定。

2.3 不同电极尺寸电阻率变异系数

图4显示了不同电极材料制备的试件在不同阶段测试电阻的变异系数。在图4（a）中，试验初始阶段，试件电阻的变异系数呈抛物线型，先减小后增大。当电极的面积减小到试件表面积的40%时，电阻的变异系数分别为5.5%和5.4%，表明测试的电阻值最为稳定。在图4（b）中，试验破坏阶段，不锈钢网电极的试件电阻的变异系数波动比较明显，而铁网电极的试件测试电阻的变异趋于减小，逐渐稳定，但是铁网电极的试件电阻的离散性要大于不锈钢网电极的试件。这是由于铁网和不锈钢网的内在电阻造成的。

因此，从电阻的稳定性及电极材料的成本角度看，不锈钢网作为电极优于铁网。当电极尺寸减少到试件表面积的40% ～60%时，测试电阻更加稳定。

3 结 论

a.在间接拉伸试验条件下，自诊断沥青混凝土对内部损伤具有良好的自诊断能力。其电阻随自诊断沥青混凝土内部结构的变化可以分为三个阶段，即电阻迅速下降——缓慢下降——突变。

b.在间接拉伸试验条件下，当以铁网作为电极时，自诊断沥青混凝土的输出电阻比以不锈钢网做电极时的波动性大。

c.在间接拉伸试验条件下，当电极尺寸为横截面积的40%～60%时，所测得自诊断沥青混凝土的输出电阻率最为稳定。

［1］ 侯作富，李卓球，王建军.电极对碳纤维导电发热混凝土性能的影响［J］.武汉理工大学学报，2006，28（9）：45－47.

［2］ Xiaoming Liu，Shaopeng Wu.Research on the Conductive Asphalt Concrete’s Piezoresistivity Effect and Its Mechanism［J］.Construction and Building Materials，2009（23）：2752.

［3］ Xiaoming Liu，Shaopeng Wu.Study on the Graphite and Carbon Fiber Modified Asphalt Concrete［J］.Construction and Building Materials，2011，25：1807.

［4］ Xiaoming Liu，Shaopeng Wu，Qunshan Ye，et al.Properties Evaluation of Asphalt－based Composites with Graphite and Mine Powders［J］.Construction and Building Materials，2008，22：121.

［5］ Shaopeng Wu，Liantong Mo，Zhonghe Shui，et al.Investigation of the Conductivity of Asphalt Concrete Containing Conductive Fillers［J］.Carbon，2005，43：1358－1363.