導電膠漿復合瀝青電熱特性與軟化點分析

摘要：為研究導電瀝青在通電情況下的熱傳導特性，文章通過在石油瀝青和改性瀝青中摻入不同比例的自制導電膠漿，研究熱傳導效果以及導電膠漿摻量對復合瀝青軟化點的影響。研究表明：在石油瀝青和改性瀝青中摻入自制導電膠漿能夠導電，導電膠漿摻入量＞35%時熱傳導效果顯著，升溫效果與導電膠漿呈線性相關，復合導電瀝青不僅具有較好的電熱特性，且軟化點也得到較大提升。

關鍵詞：導電瀝青；升溫；熱傳導；軟化點

中圖分類號：U414.1A180593

0 引言

為保障行車安全，季節(jié)性冰凍地區(qū)的高等級道路在冬季經(jīng)常需要進行融雪除冰，傳統(tǒng)融雪除冰操作方法是向路面撒布除冰鹽和融雪劑，但是除冰鹽和融雪劑有可能滲入路面內部甚至路基，誘發(fā)鹽漲現(xiàn)象，破壞道路結構層的穩(wěn)定性，使瀝青路面較早出現(xiàn)開裂和松散等一系列病害，加大道路運營和維護的難度［1-2］。目前高等級道路電熱融雪除冰成為新的研究熱點，國內外有大量學者針對導電瀝青混凝土進行了深入研究，但是瀝青混凝土在攪拌過程中加入的導電相材料不易控制走向，易結團，使導電相材料不能均勻分散在瀝青混凝土內部，導致瀝青混凝土在通電后較難形成導電通路或隧道效應，很難實現(xiàn)導電［3-4］。

瀝青混凝土導電應以瀝青導電為基礎和前提，制作導電瀝青混凝土必須先制作導電瀝青，瀝青的導電性能可以通過通電產(chǎn)生的電熱量體現(xiàn)。本文以石油瀝青和SBS改性瀝青為基礎制作導電瀝青，通過摻入自制導電膠漿，即在瀝青中分別摻入導電相材料和增溶劑［5］，進行導電膠漿復合瀝青電熱特性與軟化點研究。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本文使用70#石油瀝青和SBS改性瀝青，其基本參數(shù)見表1和表 使用的導電相材料為以環(huán)氧樹脂為基體的自制導電膠漿。

1.2 導電膠漿制備

導電膠漿各組成成分如表3所示。導電膠漿組成成分中的石墨具有極好的導電性能，且耐高溫，不與環(huán)氧樹脂等添加劑發(fā)生化學反應，但易發(fā)生團聚；氧化鋁具有良好的吸附作用，可以將石墨附著在其顆粒表面，避免了石墨團聚現(xiàn)象的發(fā)生；氣相二氧化硅與環(huán)氧環(huán)狀分子鍵合作用，使分子間的鍵力提高，從而大幅度提高環(huán)氧樹脂的強度、韌性和延展度。其中，碳酸鈣的主要作用為增強膠體的黏度，硅酸鈉作為粘合劑，能有效地將各種材料粘結在一起，形成能耐高溫、導電性良好且性能均勻的導電膠漿，實物如圖1所示。

1.3 試件制備與試驗方法

依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011），將石油瀝青和SBS改性瀝青置于規(guī)定溫度下的烘箱內，熔融至充分流動狀態(tài)，在恒溫攪拌器中注入一定質量的液態(tài)瀝青，并加入提前預熱至70 ℃的導電膠漿和適量增溶劑。其中，導電膠漿加入量分別為瀝青質量的35%、40%、50%。將試樣攪拌20 min，并仔細脫水至沒有泡沫為止，將制備好的混合瀝青膠漿徐徐澆筑于6.3 cm×6.3 cm×1 cm的正方形塑料模具中，分別制成導電膠漿含量為35%、40%、50%的3組復合石油瀝青與3組復合SBS改性瀝青混合料試件，并將其置于室溫下冷卻gt;12 h。其成型試件如圖2所示。

在制備好的試件模具兩端放入與橫截面積大小相同的銅片電極，對試件兩端施加電壓，通電30 min后，每間隔10 min記錄一次復合石油瀝青和復合SBS改性瀝青的內部溫度。

2 導熱性能分析

對導電石油瀝青施加36 V電壓，在通電30 min后，每間隔10 min記錄一次導電石油瀝青和導電改性瀝青的內部溫度。經(jīng)過反復試驗發(fā)現(xiàn)36 V電壓作用在導電改性瀝青上溫度變化不明顯，為了進一步分析，采用56 V電壓［6-7］。導電石油瀝青和導電改性瀝青溫度隨時間變化規(guī)律分別如圖3和圖4所示。

根據(jù)圖3與圖4可知：在同一電壓作用下，在相同的規(guī)定測量時間內，導電膠漿摻入量越大，導電石油瀝青和導電改性瀝青內部溫度升高越快；不論是施加36 V電壓還是56 V電壓，當導電膠漿摻入量為35%時幾乎不發(fā)熱，而當導電膠漿摻入量為40%和50%時升溫較為明顯，且呈良好的線性相關；在相同時間內，當導電膠漿摻入量為40%時，復合改性瀝青比復合石油瀝青升溫更為明顯，且溫度更高。

當普通石油瀝青的導電膠漿摻入量在40%時，復合石油瀝青內部溫度比摻入量為50%的內部溫度升溫慢，在通電120 min后，瀝青內部溫度僅為37 ℃，而當導電膠漿的摻入量為50%時，瀝青內部溫度高達58 ℃。對于復合改性瀝青而言，當導電膠漿摻入量為40%時，復合改性瀝青在通電80 min內的瀝青內部溫度升溫較快，在通電80 min的瀝青內部溫度到達51 ℃后，溫度上升趨勢有所減緩，但依然呈上升狀態(tài)，在通電180 min后，瀝青內部溫度上升到65 ℃；而當通電180 min后，導電膠漿摻入量為50%時，復合改性瀝青內部溫度達到81 ℃，相比于導電膠漿的摻入量為40%時，溫度提升了24.6%。不論是導電膠漿的摻入量為40%還是50%，在通電180 min后兩者的內部溫度均有提高，且均低于SBS改性瀝青的軟化點溫度。

通電后，不同導電膠漿摻入量的復合石油瀝青和復合改性瀝青溫度都呈線性相關，為避免瀝青內部溫度過高，而導致瀝青具有流動性，從而影響鋪設好的瀝青混凝土在高溫條件下發(fā)生車轍等病害。故建議在通電一段時間后需斷電降溫，間歇性通電可使瀝青路面溫度維持在可控范圍內，既起到導電的目的，又能很好地保護瀝青路面，從而減少由于溫度過高導致瀝青軟化和在壓力作用下發(fā)生的剪切破壞和拉拔破壞。

3 軟化點試驗

由于添加了不同摻入量的導電膠漿，導電瀝青在通電后瀝青的溫度會持續(xù)增加，通電時間過長可能使導電瀝青發(fā)生軟化而具有流動性，從而對路面造成破壞。故開展不同導電膠漿摻入量下的復合石油瀝青和復合改性瀝青的軟化點研究，以此獲得最佳的通電時間。按照我國軟化點試驗規(guī)范，分別進行復合石油瀝青和復合改性瀝青的軟化點試驗，如圖5所示。不同導電膠漿摻入量下軟化點試驗結果分別如圖6與圖7所示。

根據(jù)圖6、圖7可知：摻入一定量導電膠漿后，復合瀝青軟化點相比于原瀝青軟化點有較大提高。當導電膠漿摻入量為35%時，復合石油瀝青軟化點比原石油瀝青軟化點高6.5 ℃；當導電膠漿摻入量為40%時，導電石油瀝青軟化點比原石油瀝青軟化點高出8 ℃；當導電膠漿摻入量為50%時，導電石油瀝青軟化點比原石油瀝青軟化點高出9.5 ℃。

當導電膠漿的摻入量為35%和40%時，復合改性瀝青軟化點提升較低，而當導電膠漿摻入量為50%時，復合改性瀝青軟化點有較大的提高。當導電膠漿的摻入量為35%時，復合改性瀝青軟化點比原SBS改性瀝青軟化點高0.5 ℃；當導電膠漿的摻入量為40%時，復合改性瀝青的軟化點比原SBS改性瀝青軟化點高出2.5 ℃；當導電膠漿的摻入量為50%時，復合改性瀝青的軟化點比原SBS改性瀝青軟化點高出6 ℃。

由此可見，摻入一定量導電膠漿后，瀝青的軟化點都有一定程度的提高。其中，導電膠漿摻量為35%、40%、50%的復合石油瀝青軟化點溫度分別為54.5 ℃、56 ℃、57.5 ℃，復合改性瀝青軟化點溫度分別為89 ℃、90.5 ℃、94.5 ℃。由以上可知，摻入一定量導電膠后，軟化點的提高也提高了瀝青路面的高溫承受能力，從而提高了瀝青路面在通電時發(fā)生熱傳導效應的最大溫度并相對延長了通電時間，以達到最佳的融雪化冰效果，且在夏季高溫天氣也能有效控制路面車轍等病害的發(fā)生。

4 結語

（1）導電膠漿摻入量增大，導電石油瀝青和導電改性瀝青內部溫度升高越多。導電膠漿摻入量為35%時幾乎不發(fā)熱，當導電膠漿摻入量為40%和50%時升溫較快且與時間呈線性相關，說明導電膠漿復合瀝青具有良好的導電性。

（2）導電膠漿復合瀝青軟化點都有不同程度的提高。相比原石油、SBS改性瀝青的軟化點，復合石油瀝青軟化點的提升最高達到9.5 ℃，最低為6.5 ℃；復合改性瀝青軟化點最高高出6 ℃，最低為高出0.5 ℃，對瀝青性能有一定提升。

（3）導電膠漿的摻入，使復合瀝青的軟化點都有不同程度的增高，可以避免復合瀝青通電后內部溫度逐漸升高而產(chǎn)生明顯軟化現(xiàn)象，但導電膠漿不同摻入量下復合瀝青的軟化點不同，在運用中需結合實際情況決定通電時長，控制導電瀝青內部的溫度，不僅節(jié)能且便于達到最好的熱傳導效果。

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收稿日期：2023-10-20

作者簡介：旦錦華（1986—），工程師，主要從事公路工程管理工作。