澆注式導電瀝青混凝土路用性能融雪效果評價

王祎賓，董羅超,劉 峰，曹新建

(1.華北水利水電大學土木與交通學院，鄭州 450045；2.黃河工程咨詢監理有限責任公司，鄭州 450045；3.安徽省引江濟淮集團有限公司，合肥 230001)

在冬季我國大多數地區處于零下的低溫區且存在道路結冰積雪問題，嚴重危及行車安全。據相關數據顯示，因道路結冰積雪而造成的交通事故數量占比為15%。傳統的除冰雪技術包括撒布氯鹽、機械鏟雪、人工掃雪等方法[1]，存在除雪效率低下且工作安全性低等問題，同時對環境和路面造成了不可逆的損害。相關研究發現，在瀝青混合料中加入導電材料，能夠增強高溫穩定性和低溫抗裂性，在電流持續輸入條件下能夠升溫融化積雪，提高行車安全。葛琪[2]等發現碳纖維摻量超過0.5%時，成型試件的電阻率降低程度已不明顯，過大摻量反而會影響路用性能。譚憶秋[3]等發現碳纖維摻量為0.4%時，試件伏安特性曲線已經具有比較好的線性關系。石墨烯作為優異的非金屬導電材料，當摻量達到0.5%時就已具備優良的導電性能和路用性能。論文通過劉埃爾流動性試驗、貫入度及貫入度增量試驗、高溫車轍試驗及低溫彎曲試驗研究混合料的路用性能，通過車轍板通電升溫試驗研究混合料的發熱升溫融冰雪性能。

1 澆導瀝青混凝土制備

1.1 澆導瀝青混凝土配合比設計

澆導瀝青混凝土設計級配為AC-10，根據《公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工指南》規范規定：澆導瀝青混凝土需要滿足高溫穩定性貫入度試驗60 ℃貫入度值1～4 mm；貫入度增量≤0.4 mm；施工和易性指標劉埃爾試驗流動性≤20 s；彎曲極限應變≥7×10-9；動穩定度≥300次/mm。配制的澆注式導電瀝青混凝土AC-10設計級配要求如表1所示。

1.2 澆導瀝青混凝土試件成型工藝

澆導瀝青混凝土細骨料占比較大，最大公稱粒徑不超過10 cm，類似于自密實混凝土有較小的孔隙率，需要滿足流動性、貫入度及貫入度增量技術指標要求。因此，澆注式導電瀝青混凝土的油石比高達8.5%～11.5%，綜合具體實際工程情況，油石比取中值10.5%，礦粉的含量占比為25%。將瀝青混合料攪拌鍋升溫至240～260 ℃攪拌45 min，利用自身流動性，將攪拌完成的瀝青混合料倒入模具，使用刮刀輕輕刮平表面。

2 澆導瀝青混凝土路用性能分析

2.1 澆導瀝青混凝土路用性能試驗

采用碳纖維摻量0.3%、0.4%、0.5%(礦料質量分數)，石墨烯摻量0.4%、0.5%、0.6%(瀝青質量分數)，通過九組交叉試驗成型車轍板和貫入度試件進行路用性能研究。

通過劉埃爾流動性試驗來評價瀝青混合料的流動性；另外成型貫入度試件和車轍板試件，進行貫入度試驗、貫入度增量試驗、車轍試驗評價瀝青混合料的高溫穩定性；利用切割車轍板得到小梁試件，進行低溫彎曲試驗評價瀝青混合料低溫抗裂性[4]。試驗結果如表2所示。

表2 澆導瀝青混凝土試驗結果

2.2 路用性能試驗結果分析

由表2可知：

1)當石墨烯摻量為0.4%，碳纖維摻量每增加0.1%時，貫入度分別降低18.8%和22.0%；貫入度增量分別降低26.2%和35.5%；流動性分別降低27.0%和21.6%；彎曲極限應變分別增大14.0%和13.0%；動穩定度分別增大9.6%和8.6%。

2)當石墨烯摻量為0.5%，碳纖維摻量每增加0.1%時，貫入度分別降低17.8%和21.7%；貫入度增量分別降低28.2%和39.2%；流動性分別降低19.7%和29.4%；彎曲極限應變分別增大14.9%和13.0%；動穩定度分別增大10.2%和9.0%。

3)當石墨烯摻量為0.6%，碳纖維摻量每增加0.1%時，貫入度分別降低17.4%和21.4%；貫入度增量分別降低29.7%和42.3%；流動性分別降低19.0%和28.8%；彎曲極限應變分別增大13.3%和13.2%；動穩定度分別增大9.5%和9.0%。

綜上所述，碳纖維能夠將瀝青與礦料緊緊聯系在一起，增強澆注式導電瀝青混凝土的強度。由于碳纖維吸附大量瀝青，隨著碳纖維摻量的增加，混合料的貫入度、貫入度增量及流動性降低，彎曲極限應變和動穩定度增大。

3 澆導瀝青混凝土升溫融冰雪性能分析

3.1 澆導瀝青混凝土融冰雪試驗

根據路用性能試驗結果，選用碳纖維0.3%+石墨烯0.4%、碳纖維0.4%+石墨烯0.5%及碳纖維0.5%+石墨烯0.6%，三種組合成型車轍板試件，利用低溫恒溫試驗箱進行車轍板升溫[5]及融冰雪試驗[6]。試驗結果如表3、表4所示。

表3 車轍板升溫發熱效率

表4 車轍板升溫融冰效率

3.2 融冰雪試驗結果分析

由表3、表4可知：

1)澆導瀝青混凝土的發熱效率與導電材料摻量、輸入功率等有關，三組車轍板輸入功率分別為7.33 W、7.44 W、9.16 W，相同時間內升高溫度分別為3.7 ℃、5.3 ℃、6.0 ℃。

2)碳纖維0.3%+石墨烯0.4%、碳纖維0.4%+石墨烯0.5%、碳纖維0.5%+石墨烯0.6%的發熱效率分別為55.82%、78.85%、67.49%，其中碳纖維0.4%+石墨烯0.5%摻量下試件發熱效果較好；碳纖維0.3%+石墨烯0.4%、碳纖維0.4%+石墨烯0.5%、碳纖維0.5%+石墨烯0.6%的融冰效率分別為43.94%、50.03%、46.90%，其中碳纖維0.4%+石墨烯0.5%摻量下試件融冰效果較好。綜合考慮推薦選擇碳纖維摻量為0.4%，石墨烯摻量為0.5%。

4 結 論

a.當石墨烯的摻量為0.5%，碳纖維摻量為0.4%時，車轍板試件動穩定度為1 089 次/mm，小梁試件彎曲極限應變為8.56×10-9，澆導瀝青混凝土高溫穩定性和低溫抗裂性顯著提升。

b.當輸入功率為7.44 W，石墨烯0.5%+碳纖維0.4%時，試件發熱效率和融冰效率最高，分別為78.85%和50.03%。

c.綜合路用性能、發熱效率及融冰雪效率，石墨烯和碳纖維最佳摻量分別為0.5%和0.4%。