浇注式导电沥青混凝土路用性能融雪效果评价

王祎宾，董罗超,刘 峰，曹新建

(1.华北水利水电大学土木与交通学院，郑州 450045；2.黄河工程咨询监理有限责任公司，郑州 450045；3.安徽省引江济淮集团有限公司，合肥 230001)

在冬季我国大多数地区处于零下的低温区且存在道路结冰积雪问题，严重危及行车安全。据相关数据显示，因道路结冰积雪而造成的交通事故数量占比为15%。传统的除冰雪技术包括撒布氯盐、机械铲雪、人工扫雪等方法[1]，存在除雪效率低下且工作安全性低等问题，同时对环境和路面造成了不可逆的损害。相关研究发现，在沥青混合料中加入导电材料，能够增强高温稳定性和低温抗裂性，在电流持续输入条件下能够升温融化积雪，提高行车安全。葛琪[2]等发现碳纤维掺量超过0.5%时，成型试件的电阻率降低程度已不明显，过大掺量反而会影响路用性能。谭忆秋[3]等发现碳纤维掺量为0.4%时，试件伏安特性曲线已经具有比较好的线性关系。石墨烯作为优异的非金属导电材料，当掺量达到0.5%时就已具备优良的导电性能和路用性能。论文通过刘埃尔流动性试验、贯入度及贯入度增量试验、高温车辙试验及低温弯曲试验研究混合料的路用性能，通过车辙板通电升温试验研究混合料的发热升温融冰雪性能。

1 浇导沥青混凝土制备

1.1 浇导沥青混凝土配合比设计

浇导沥青混凝土设计级配为AC-10，根据《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工指南》规范规定：浇导沥青混凝土需要满足高温稳定性贯入度试验60 ℃贯入度值1～4 mm；贯入度增量≤0.4 mm；施工和易性指标刘埃尔试验流动性≤20 s；弯曲极限应变≥7×10-9；动稳定度≥300次/mm。配制的浇注式导电沥青混凝土AC-10设计级配要求如表1所示。

1.2 浇导沥青混凝土试件成型工艺

浇导沥青混凝土细骨料占比较大，最大公称粒径不超过10 cm，类似于自密实混凝土有较小的孔隙率，需要满足流动性、贯入度及贯入度增量技术指标要求。因此，浇注式导电沥青混凝土的油石比高达8.5%～11.5%，综合具体实际工程情况，油石比取中值10.5%，矿粉的含量占比为25%。将沥青混合料搅拌锅升温至240～260 ℃搅拌45 min，利用自身流动性，将搅拌完成的沥青混合料倒入模具，使用刮刀轻轻刮平表面。

2 浇导沥青混凝土路用性能分析

2.1 浇导沥青混凝土路用性能试验

采用碳纤维掺量0.3%、0.4%、0.5%(矿料质量分数)，石墨烯掺量0.4%、0.5%、0.6%(沥青质量分数)，通过九组交叉试验成型车辙板和贯入度试件进行路用性能研究。

通过刘埃尔流动性试验来评价沥青混合料的流动性；另外成型贯入度试件和车辙板试件，进行贯入度试验、贯入度增量试验、车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性；利用切割车辙板得到小梁试件，进行低温弯曲试验评价沥青混合料低温抗裂性[4]。试验结果如表2所示。

表2 浇导沥青混凝土试验结果

2.2 路用性能试验结果分析

由表2可知：

1)当石墨烯掺量为0.4%，碳纤维掺量每增加0.1%时，贯入度分别降低18.8%和22.0%；贯入度增量分别降低26.2%和35.5%；流动性分别降低27.0%和21.6%；弯曲极限应变分别增大14.0%和13.0%；动稳定度分别增大9.6%和8.6%。

2)当石墨烯掺量为0.5%，碳纤维掺量每增加0.1%时，贯入度分别降低17.8%和21.7%；贯入度增量分别降低28.2%和39.2%；流动性分别降低19.7%和29.4%；弯曲极限应变分别增大14.9%和13.0%；动稳定度分别增大10.2%和9.0%。

3)当石墨烯掺量为0.6%，碳纤维掺量每增加0.1%时，贯入度分别降低17.4%和21.4%；贯入度增量分别降低29.7%和42.3%；流动性分别降低19.0%和28.8%；弯曲极限应变分别增大13.3%和13.2%；动稳定度分别增大9.5%和9.0%。

综上所述，碳纤维能够将沥青与矿料紧紧联系在一起，增强浇注式导电沥青混凝土的强度。由于碳纤维吸附大量沥青，随着碳纤维掺量的增加，混合料的贯入度、贯入度增量及流动性降低，弯曲极限应变和动稳定度增大。

3 浇导沥青混凝土升温融冰雪性能分析

3.1 浇导沥青混凝土融冰雪试验

根据路用性能试验结果，选用碳纤维0.3%+石墨烯0.4%、碳纤维0.4%+石墨烯0.5%及碳纤维0.5%+石墨烯0.6%，三种组合成型车辙板试件，利用低温恒温试验箱进行车辙板升温[5]及融冰雪试验[6]。试验结果如表3、表4所示。

表3 车辙板升温发热效率

表4 车辙板升温融冰效率

3.2 融冰雪试验结果分析

由表3、表4可知：

1)浇导沥青混凝土的发热效率与导电材料掺量、输入功率等有关，三组车辙板输入功率分别为7.33 W、7.44 W、9.16 W，相同时间内升高温度分别为3.7 ℃、5.3 ℃、6.0 ℃。

2)碳纤维0.3%+石墨烯0.4%、碳纤维0.4%+石墨烯0.5%、碳纤维0.5%+石墨烯0.6%的发热效率分别为55.82%、78.85%、67.49%，其中碳纤维0.4%+石墨烯0.5%掺量下试件发热效果较好；碳纤维0.3%+石墨烯0.4%、碳纤维0.4%+石墨烯0.5%、碳纤维0.5%+石墨烯0.6%的融冰效率分别为43.94%、50.03%、46.90%，其中碳纤维0.4%+石墨烯0.5%掺量下试件融冰效果较好。综合考虑推荐选择碳纤维掺量为0.4%，石墨烯掺量为0.5%。

4 结 论

a.当石墨烯的掺量为0.5%，碳纤维掺量为0.4%时，车辙板试件动稳定度为1 089 次/mm，小梁试件弯曲极限应变为8.56×10-9，浇导沥青混凝土高温稳定性和低温抗裂性显著提升。

b.当输入功率为7.44 W，石墨烯0.5%+碳纤维0.4%时，试件发热效率和融冰效率最高，分别为78.85%和50.03%。

c.综合路用性能、发热效率及融冰雪效率，石墨烯和碳纤维最佳掺量分别为0.5%和0.4%。