石墨纤维沥青混凝土融雪路面导电效率研究

葛 琪，遇道欣

(1.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；2.哈尔滨市道路桥梁工程处，黑龙江 哈尔滨 150010)

普通沥青混凝土是典型的高度不良导体，其电阻率甚至可以超过1 000 Ω·cm[1]。在普通沥青混凝土中掺加石墨、碳纤维、铜纤维等导电相材料，可以获得具有良好导电性能的沥青混凝土，且导电过程中伴随着自发热现象，可在路面清冰除雪作业中应用。同时，也可以有效缓解公路或城市道路路面因降雪结冰而发生的交通堵塞等客观问题[2]。

目前，道路工程研究人员尝试了在沥青路面中采用发热线缆、发热碳纤维等方法对沥青路面加热，但由于线缆类材料需埋设在沥青路面中，其耐久性受到了外在环境的挑战，后期使用耐久性不佳[3]。因此，有必要将沥青路面中的某一结构层转变为导电体，发挥与发热线缆相同的功能，在持续电流输入条件下使路面升温，实现清除冰雪目的[4]。

在导电沥青混凝土路面中，各导电相的掺量不仅会影响到路面材料的成本，同样会影响到路面结构的导电效率[5]。鉴于各个区域道路由于所处环境温度存在差异，在同样电压条件下对路面升高温度的要求略有差别，因此，明确石墨、碳纤维、铜纤维等各个导电相的掺入量会对沥青路面导电性能及路面升温产生影响，对区域性导电沥青路面的推广应用具有一定借鉴意义。

1 混凝土导电效率的影响因素试验方案设计

沥青混凝土的导电效率主要通过电阻率来表征，因此，设计合理的电阻率采集测试方法，对不同材料组成的沥青混凝土车辙试件，进行电阻率检测，进而评定不同材质组成对导电沥青混合料导电特性的影响。

1.1 试件制作

为横向对比实测数据，同时便于试件的批量加工，因此选择沥青混合料车辙试件作为电阻率测定的试件形式，具体尺寸为直径300 mm×300 mm×50 mm。

1.2 导电效率检测方案

1.2.1 仪器设备

1)万用表。日本三和(SANWA)数字万用表CD800A，电阻的测量量程为400～40 MΩ，电阻的测量分辨率为0.1 Ω，主要用于测量沥青混凝土车辙试件的电阻值。

2)瑞士PROCEQ RESIPOD混凝土电阻率测试仪。瑞士PROCEQ混凝土电阻率测试仪，是一款基于4电极法的4点探头式混凝土材料表面电阻率检测仪，主要对沥青混凝土车辙试件的表面电阻值进行无损检测。

1.2.2 电阻率测定方案

电阻率是表征材质导电效率的直观物理量，在室内试验过程中，往往采用电阻与构件尺寸之间的换算方法获得，进而获得构件的电阻率，具体计算公式为

式中：ρ为电阻率，Ω·m;R为电阻，Ω;S为试件截面面积，m2;L为长度，m。

测定导电沥青混凝土试件电阻率时，为精准测得试件电阻数值，在试件侧边对称位置用导电胶布粘贴紫铜片，并在铜片处用万用笔测量两铜片间的对应电阻，经过换算确定每一个试件的电阻率，电阻率的测定试验示意图如图1所示。

图1 导电沥青混凝土试件电阻测定方案示意图

2 导电效率的影响因素试验结果分析

从原则上看，导电沥青混凝土的电阻率越低越有利于电流的传导与发热，因此，参考相关文献的试验条件[6]，设计导电沥青混凝土结构层的目标电阻率不大于1.0 Ω·m，并以此为目标判断导电沥青混凝土石墨、碳纤维、铜纤维等各个导电相掺量对电阻率造成的影响。

2.1 石墨含量对导电效率的影响

采用不同体积掺量的石墨进行比较对比，其中导电相材料碳纤维体积掺量为0.3%，碳纤维长度为4 mm，铜纤维体积掺量为1%，设计石墨的体积含量为5%、10%、15%、 20%、25%及30%，比较不同石墨含量对导电沥青混凝土导电特性产生的影响。

经过试验采样，不同体积含量石墨的导电沥青混凝土电阻值及电阻率分布情况如表1、图2及图3所示。

表1 不同石墨掺量电阻值检测结果

图2 不同石墨掺量下电阻变化情况

图3 不同石墨掺量下电阻率变化情况

试验结果显示，当导电沥青混凝土内部的石墨掺量小于10%时，沥青混凝土内部电阻值较大，当含量达到15%以上时，电阻值降低较为明显，电阻率值也随之降低，沥青混凝土导电性明显改善。但随着石墨含量增加，石墨掺量分别为20%、25%、30%时，电阻率降低幅度趋缓，最小值0.77 Ω·m。

2.2 碳纤维对导电效率的影响

碳纤维具有良好的导电特性，同时碳纤维有较高的韧性，在土木工程结构中得到了广泛应用。将碳纤维掺入到导电沥青混凝土中，不仅可以发挥其导电性较好的特性，同时也可改善沥青混凝土的路用性能。此次试验，分别取用体积掺量为0.2%、0.3%，0.4%，0.5%的碳纤维，并选取4 mm、6 mm、8 mm、10 mm等4种不同的碳纤维长度，石墨含量为20%，2 mm铜纤维含量为1%，评价碳纤维对沥青混凝土导电特性的影响。现场检测结果如表2、图4及图5所示。

表2 碳纤维含量及参数对沥青电阻率的影响 Ω·m

图4 不同碳纤维长度对电阻率的影响

图5 不同碳纤维掺量对电阻率的影响

从表2及图4、图5中可以发现，在石墨掺量为10%、铜纤维掺量为1%的条件下，沥青混凝土导电率随着碳纤维长度的增加而显著降低，随碳纤维掺量的增加也会显著降低，但当碳纤维含量超过0.5%之后，电阻率的降低程度已不明显。同时实验结果显示，碳纤维含量对电阻率产生的影响更为显著，同时，随着碳纤维长度的增加，实验室均匀分散性变差，易出现团状，对导电性造成影响。

2.3 铜纤维对导电效率的影响

铜具有良好的导电特性，同时本身具有一定韧性和抗拉性能，将铜纤维散布于导电沥青混凝土中，将有效提高材料的导电性，同时钢纤维作为骨架加筋结构，能够起到改善沥青路面高低温的稳定性作用。本次试验选用黄铜纤维，直径为60～80 μm，含油量<0.05%。为比较不同纤维长度对导电特性的影响，体积掺量分别取0.5%，1%，2%，纤维长度分别为2 mm，3 mm，4 mm的铜纤维进行正交试验，分析其对导电率的影响。在试件加工过程中，石墨掺量选用20%，4 mm长度碳纤维掺量选用0.3%。电阻率测试结果如图6、图7所示。

图6 不同铜纤维掺量对电阻率的影响

图7 不同碳纤维长度对电阻率的影响

试验结果显示，铜纤维的掺入可有效改善沥青混凝土导电特性，随着铜纤维掺入量的增大，沥青混凝土电阻率降低明显，尤其铜纤维含量由0.5%增加到1%时，电阻率降低50%左右，后续随着铜纤维数量的增加，降低幅度逐渐趋于缓和。同时，随着铜纤维长度的增加，电阻率也逐渐降低。以掺入2.0%含量的铜纤维电阻率试验数据为例， 4 mm铜纤维混凝土电阻率大约为2 mm铜纤维混凝土电阻率的60%。

3 结 论

本文在设计导电沥青混凝土导电试验的基础上，分别研究了石墨含量、碳纤维含量及长度、铜纤维含量及长度等影响因素对沥青混凝土导电性的影响，并基于实验数据得出以下结论：

1)导电沥青混凝土的电阻率随石墨含量的增加而明显降低，当石墨体积含量超过20%时，降低幅度不显著；

2)导电沥青混凝土的电阻率随着碳纤维、铜纤维含量的增加而降低，随着碳纤维、铜纤维长度的增加而降低，与石墨类似，当碳纤维、铜纤维含量增加到一定量级之后，改善效果衰减明显；

3)经试验分析，综合考虑成本等其他因素，本文导电沥青混凝土最佳导电相掺量为：石墨体积含量为20%；碳纤维体积含量为0.3%，碳纤维长度为8 mm；铜纤维体积含量为1%，铜纤维长度为4 mm。