导电沥青混凝土的机敏特性

刘小明¹，吴少鹏²，杨小礼¹

(1. 中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙，410075；

2. 武汉理工大学 硅酸盐材料工程教育部重点实验室，湖北 武汉，430070)

摘  要：采用间接拉伸疲劳试验对圆柱体试件的机敏特性进行探讨；通过受拉时的疲劳特性与电性能的对应关系，由电学性能逆推疲劳寿命，实现健康状况自诊断。研究结果表明：导电沥青混凝土能够有效地对其自身在加载过程中产生的应变进行诊断，输出电阻随着应变的增加而可逆地增加，随着应变的减小而可逆地减小；导电沥青混凝土受压后，先后经历追密、稳定和破坏3个阶段，其输出电阻率也会发生相应变化，电阻率和内部结构之间存在一定响应关系；电阻率的变化与其内部的载流子浓度成反比，可据单位体积内载流子浓度的变化进行自诊断。

关键词：沥青混凝土；自诊断；间接拉伸；电阻率

中图分类号：TU528.42          文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)05-1465-06

Smart characteristics of conductive asphalt concrete

LIU Xiao-ming¹, WU Shao-peng², YANG Xiao-li²

(1. School of Civil and Architectural Engineering, Central South University; Changsha 410075, China;

2. Key Laboratory of Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Abstract: The smart behavior of cylinder specimen was studied using indirect tensile test. By the relationship among tension, fatigue and electrical properties, the electrical properties reverse fatigue life was deduced, and health status of self-monitoring was realized. The results show that conductive asphalt concrete is effective for strain monitoring. The electrical resistance increases reversibly with the increase of tensile strain, decreases reversibly with the decrease of tensile strain. The resistance change can be divided into three phases through fatigue process. It has response relation between resistivity and interior structure. The change of resistivity is inversely proportional to unit volume carrier concentration. The mechanism of self-monitoring is caused by the change of the number of electronic carriers.

Key words: asphalt concrete; self-monitoring; indirect tensile test; resistivity

沥青混凝土已广泛地应用于高速公路铺面、机场跑道以及桥面铺装等结构物上。一般来说，高速公路的使用寿命应在15 a以上，当这种长期使用的结构物投入使用后，必须对其进行管理和预防性养护，以维持其正常服役功能。但是，当前的管理和养护还主要依靠人工来进行，这往往造成成本较高，效率很    低，且很难发现沥青混凝土的早期损坏，以致错过最佳的养护时机，造成路面提前被破坏。通过往普通沥青混凝土中添加一些导电物质如石墨粉、碳纤维以及高炉碳黑，可以制备出导电沥青混凝土，它的导电性能会发生根本性改变，电阻可由10¹³ Ω降至10² Ω甚至更低^[1]。它具有良好的机敏特性^[2-3]和路用性能。若将这些改性后的导电沥青混凝土使用于路面、桥面或机场跑道结构中，则它有可能对结构本身的应力、应变或缺陷进行自诊断。自诊断沥青混凝土本身就是一种结构材料，因此，它无需植入或添加传感器。它具有很多优点^[4]，如不需要在材料内部埋入传感器，从而避免因为外部材料的植入引起材料的强度、性能下降等现象；成本较低，性能稳定，耐久性良好等。此外，沥青混凝土应变自诊断功能还可应用于称重和超载车辆的检查，交通量监测以及结构振动控制等方面^[5-7]。在单轴压缩条件下，含有石墨粉的导电沥青基复合材料可对循环的荷载所产生的应变进行自诊断^[8-9]。

沥青混合料室内疲劳试验方法各异。目前，应用最多的主要是简单弯曲试验、支承弯曲试验、单轴试验、间接拉伸试验、三轴试验、断裂力学试验和轮辙试验等。在重复弯曲试验以及间接拉伸试验(即劈裂试验)中综合评价较好^[10]，并得到了广泛采用。但梁式试件制作困难，受不稳定因素影响大，测试方法复杂，结果分散。而圆柱体试件制作方便，试验简便，易于操作，在此，本文作者对间接拉伸试验中，导电沥青混凝土通过输出电阻变化对其自身应变以及疲劳过程中产生的损伤进行自诊断研究。

1  试  验

1.1  原材料

基本原料为：沥青采用湖北省科氏重交沥青AH-70，其针入度为65，5 ℃时的延度为167.3 cm，软化点为51.5 ℃；集料为湖北京山玄武岩石料，密度为2.93 g/cm³，最大粒径为19 mm；矿粉为石灰石磨细石粉，亲水系数为0.9，密度为2.83 g/cm³，CaO含量为 51.5%，SiO₂含量为1.76；石墨为鳞面状，C含量不低于98%，灼烧残渣含量为0.2%，铁含量为0.03%。导电相材料的掺量按其与沥青和石墨总体积分数计算，为15%~25%。

集料级配如表1所示。石墨粒径小，可代替部分矿粉作为填料使用。沥青在高温液态时易被石墨吸收，因此，沥青用量(4%~6%)随着石墨用量增加而增加，当试件的空隙率为4%时，对应的沥青用量为最佳沥青用量。采用HB-10型全自动混合料搅拌机拌和沥青混合料。将170 ℃时的集料与160 ℃时的液态沥青先在温度为170 ℃的搅拌锅内搅拌90 s，再掺入石墨和矿粉，搅拌90 s。采用EP-31111型美国旋转压实机成型，成型温度为(155±1) ℃，其初始压实次数N_ini=9，设计压实次数N_des=125，最大压实次数N_max=205。电极是长×宽为120 mm×120 mm的正方形金属网，锡焊接铜导线，采用金属网电极，增大电极与试件接触界面，减少接触电阻造成的试验误差。

1.2  试验方法

实验加载装置为澳大利亚UTM-25动态材料试验系统，在加载过程中，读取纵向位移以衡量试件的变形程度。采用美国Keithley2700精密数据采集系统直接与试件两端的电极相连，测试其过程中电阻的变化。电阻的读数频率为10次/s。电阻测量装置如图1所示，具体操作方法见文献[11]。为了尽量减小金属网对电阻率变化产生的影响，金属网间的距离控制在50 mm，荷载方向与金属网平行，在试件破坏过程中保持金属网的完整性。为了减少温度对电阻率的影响，在测试过程中，试件始终置于温度为20 ℃的恒温箱内。

图1  电信号数据采集示意图

Fig.1  Schematic figure of resistance measure

表1  集料合成级配

Table 1  Gradation of aggregate

2  结果与讨论

2.1  间接拉伸试验下的应力/应变自诊断

试件采用前述的Superpave12.5级配，直径×高为101.6 mm×63.5 mm。其中，石墨体积分数为15%，碳纤维体积分数为1.0%，初始电阻率为884.37 ??cm。图2所示是在间接拉伸试验下输出电阻率和应变的变化曲线。

1—纵向电阻率变化率；2—间接拉伸应变

图2  石墨体积分数为15%时导电沥青混凝土输出电阻率以及纵向位移的变化曲线

Fig.2  Relationship among resistivity, tensile strain and time for conductive asphalt concrete containing 15% graphite

在应力控制模式下，最大荷载为4 kN，最小为200 N，荷载为0.493 4 MPa，频率为1 Hz，荷载波形为半正弦波，试验温度为20 ℃。在试验过程中，读取试件的纵向变形和加载过程中电阻的变化。为了便于读取电阻，将加载的频率确定在1 Hz。由图2可以看出，在0.493 4 MPa的加载压力下，每个加载循环的应变变化很有规律，电阻率变化呈现负压阻效应，即电阻率随着荷载的增加而下降，卸载后基本能回到初始状态。在应变变化过程中，导电沥青混凝土的输出电阻率也随着变化。由于噪音的影响和结构的变化，虽然每个循环的电阻率变化绝对值可能不会一致，但电阻率的变化频率和加载的频率是一致的，都是1 Hz，也就是说，电阻率对每个循环的变化具有响应作用。通过计算，可以得出每单位应变的电阻率变化值为(3.5±1.5)×10² ??cm。

图3所示曲线与图2的相似，只是图3中试件的石墨掺量(体积分数)加大到22.5%，初始电阻率为84.03 ??cm。其余条件均与前述的条件相同。通过计算，可以得出每单位应变的电阻率变化值为(5.5±1.5)×10² ??cm。可以看出，石墨相材料掺量越高，单位应变对应的电阻率变化值就越大，也就是说，对应变的响应灵敏度越高。导电沥青混凝土在不同导电相材料掺量时，对应变的响应作用具有不同的灵敏度，当其受到不同荷载作用时，导电沥青混凝土内部结构将产生不同的变化，石墨颗粒的间距也受到影响，因此，其压阻特性的灵敏度也应该不一样。

1—纵向电阻率变化率；2—间接拉伸应变

图3  石墨体积分数为22.5%时导电沥青混凝土输出电阻率以及间接拉伸应变随时间的变化关系

Fig.3  Relationships among resistivity, tensile strain and time for conductive asphalt concrete containing 22.5% graphite

采用Superpave12.5级配。试件直径×高为101.6 mm×63.5 mm，其中石墨体积分数为22.5%，碳纤维体积分数为1.0%，初始电阻率为84.37 ??cm。图4所示为试件在间接拉伸试验的输出电阻率和应变的变化曲线。在应力控制模式下，最大荷载为5.7 kN，最小为300 N，频率为1 Hz，荷载波形为半正弦，试验温度为20 ℃。在试验过程中读取试件的纵向变形和加载过程中电阻的变化。

由图4可以看出，当荷载达到0.7 MPa时，每个循环的应变由0.45×10^-2增加到0.8×10^-2，但是，每个加载循环后电阻率的变化频率和加载频率依然一致，都是1 Hz，也就是说，电阻率对每个循环的变化具有响应作用。通过计算，可以得出每单位应变的电阻率变化值为(7±1.5) ×10²。

1—纵向电阻率变化率；2—间接拉伸应变

图4  最大荷载为0.7 MPa时输出电阻率以及间接拉伸应变随时间的变化

Fig.4  Relationships among resistivity, tensile strain and time at maximum stress of 0.7 MPa

图5所示是石墨体积分数为22.5%，碳纤维体积分数为1.0%的试件在间接拉伸试验下的输出电阻率和应变的变化曲线。可见，在应力控制模式下，最大荷载为8.1 kN，最小为300 N，频率为1 Hz，荷载波形为半正弦波，试验温度为20 ℃。在试验过程中，读取试件的纵向变形和加载过程中电阻的变化。可以看出，即使当应力较大时，每个循环的应变由0.8× 10^-2增加到1.2×10^-2，每个加载循环过后，电阻率的变化频率和加载的频率都是1 Hz。通过计算，可以得出每单位应变的电阻率变化值为(8±1.5)×10² ??cm。

1—纵向电阻率变化率；2—间接拉伸应变

图5  最大荷载为1.0 MPa时输出电阻率以及间接拉伸应变随时间的变化

Fig.5  Relationships among resistivity, tensile strain and time at maximum stress of 1.0 MPa

当压力不同时，沥青混凝土的内部结构不同。当压力较小时(＜0.1 MPa)，引起的应变很小，并不能引起电阻率发生明显变化，压阻效应较差。另一方面，当压力较大(＞2.0 MPa)时，应变太大，导致结构发生急剧变化，电阻率迅速增大，没有明显的规律性，很难实现对应变的自诊断。

2.2  间接拉伸疲劳试验中对导电沥青混凝土内部损伤的自诊断

电阻率变化的原因是荷载作用使结构内部的石墨颗粒和碳纤维的间距发生了变化。当导电沥青混凝土的结构遭到损坏时，其内部的导电网络也必将受到影响，导致输出电阻率发生变化。采用Superpave 12.5级配，试件直径×高为101.6 mm×63.5 mm，其中石墨掺量体积分数为22.5%，碳纤维体积分数为1.0%。初始电阻率为77.704 ??cm，采用应变控制模式，加载速率为0.03 mm/min，试验温度为20 ℃。图6所示为静态逐级加载直至导电沥青混凝土完全破坏和裂开过程中，电阻率变化率与纵向位移的变化曲线，其中粗线为电阻率变化曲线，细线为应变变化曲线。从图6可以看出，试件的电阻率变化率大致可分为3个阶段：开始加载后，电阻率大约下降30%；然后是缓慢上升阶段，在此阶段，电阻率变化率增加20%；第3阶段，电阻率开始直线上升，到完全破坏时，电阻率变化率增加近4倍。

1—纵向电阻率变化率；2—纵向位移

图6  静态加载至试件破坏过程中电阻率与纵向位移随时间的变化

Fig.6  Relationships among resistance, longitudinal displacement and time under static tensile test at 0.05 mm/min

采用Superpave 12.5级配，试件直径×高为101.6 mm×63.5 mm，其中石墨掺量体积分数为22.5%，碳纤维体积分数为1.0%，初始电阻率为 62.95 ??cm，频率为10 Hz，最大荷载为3.5 kN，最小荷载为200 N。采用连续加载方式和应力控制模式，试验温度为20 ℃。图7所示为动态逐级加载直至导电沥青混凝土完全破坏和裂开过程中，电阻率与纵向位移的变化曲线。

1—电阻率变化曲线；2—应变变化曲线

图7  动态加载至试件破坏过程中电阻率与纵向位移随时间的变化

Fig.7  Relationships among resistance, total deformation and time under cyclic tensile test up to failure totally

由图7可以看出，在试件遭到破坏的过程中，电阻率输出变化存在3个明显阶段：第1阶段，在加载的初始阶段(约在疲劳寿命的1.0%时)，由于导电沥青混凝土试件受到荷载作用后产生追密作用，混合料之间接触变得更加紧密，形成了更多的导电通路，表现为输出电阻率急剧下降，此过程的电阻率变化率约为70%；第2阶段，沥青混凝土试件处于平稳变形阶段，在此过程中，沥青混凝土内部结构变化很小，表现为电阻率变化率也很小，不超过10%；最后阶段，由于沥青混凝土的微细裂缝逐渐发展，最终导致试件完全破坏和裂开，导电通路遭到严重破坏，表现为电阻率急剧增大，电阻率变化率超过50%。

沥青混凝土电阻率的变化与其内部的载流子的浓度成反比^[12]。当试件受压时，总应变小于0，而且随着荷载的增加变得越来越小，导致受压后单位体积内载流子浓度大于受压前的浓度，而且随着加载时间的延长，载流子浓度越来越大，导致电阻逐渐减小；当试件受拉时，总应变大于0，导致受压后单位体积内载流子浓度小于受压前的浓度，而且随着加载时间的延长，载流子浓度越来越小，电阻逐渐增大。

当然，石墨的掺入对沥青混凝土的力学性能和耐磨性能都有一定的影响。加入的石墨会吸收部分沥青，使集料表面裹附的沥青膜厚度变小，削弱沥青的粘附作用，从而使集料之间的粘附力减小，在力学性能上表现为马歇尔稳定度降低。这些影响可以通过掺加纤维等措施来控制^[13]。

可见，对于石墨和碳纤维混合改性的导电沥青混凝土，当其电阻降低至10³ Ω或者更小时，其对自身应变的诊断或内部结构的损伤均具有较强的敏感性即“机敏特性”。若将这种“机敏特性”应用于实际工程中如检测超载超重、交通量监测以及结构振动控制(应变对应于振动)等，则能及时地发现沥青路面早期疲劳破坏，从而可以大幅度延长路面使用寿命，降低路面养护成本。

3  结  论

a. 输出电阻随着应变的增加而可逆地增加，随着应变的减小而可逆地减小；电阻率变化呈现负压阻效应，即电阻率随着荷载的增加而下降，卸载后基本能回到初始状态。由于受噪音的影响和结构的变化，虽然每个循环的电阻率变化可能不一致，但是，电阻率的变化频率和加载频率是一致的，也就是说，电阻率对每个循环的变化具有响应作用。

b. 石墨相材料掺量越高，单位应变对应的电阻率变化也越大，也就是说，对应变的响应灵敏度越高。当其受不同荷载作用时，导电沥青混凝土内部结构将产生不同变化，石墨颗粒的间距也将受到影响，因此，其压阻特性的灵敏度也不一样。

c. 导电沥青混凝土能够对其自身的内部结构变化进行自诊断，混凝土受压后，先后经历追密、稳定和破坏3个阶段，其输出电阻率也发生相关的变化，电阻率和内部结构之间存在一定响应关系，分别表现为：在追密阶段，输出电阻率急剧下降，此过程的电阻率变化率约为70%；在平稳变形阶段，沥青混凝土内部结构变化很小，表现为电阻率变化也很小，不超过10%；由于沥青混凝土的微细裂缝逐渐发展，最终导致试件的完全破坏和裂开，导电通路被严重破坏，表现为电阻率急剧增大，增大率超过50%。

d. 电阻率的变化与其内部的载流子浓度有关，其电阻率与载流子浓度成反比，可据单位体积内载流子浓度的变化进行自诊断。

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收稿日期：2008-09-01；修回日期：2008-12-28

基金项目：湖北省杰出青年基金资助项目(2004ABB019)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-05-0665)

通信作者：刘小明(1974-)，男，江西瑞金人，博士，讲师，从事道路建筑材料研究；电话：0731-82655494；E-mail: liuxmg2001@163.com