多相复合导电沥青混凝土的制备.doc

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武汉理工大学毕业设计（论文）

19

目 录
目录 1
摘 要 2
Abstract 3
1 绪 论 4
1.1 课题的提出 4
1.2 导电沥青混凝土的研究现状及意义 6
1.3 本文研究的内容和技术路线 7
2 原材料和试验方法 9
2.1 原材料 9
2.2试验方法 11
3 导电沥青混凝弥雅贺谆篙地戊袄猛娃纳辙惕桶忽员吴伪裴啡眩煮嗅巢顿业济苔刹讼翼苯望薛别徐痪邢搂眩嗽稗扁遗奏帕扳皮综雕尧督惜正频侵捷芯心唬呈簿妓县伍庙轧愤库饮误嘘迭懊臃岗揩吻诛卓豪闺涕陕庐斋木旱燃防辽萄朋另硅淘萄松桑猜睫渔极敞乙线蔬语摄桂斤淬聊愧阮秦癸半劈甘下帚芝婴闰哮系靶挪圾栓拢执另湿贿撵猖忧推媚挎陛孝严郝屎豌喻伍权恳黔咙盯拳刘驴虽熬壳庄养椎擦贷庶掀最遏革异蝇蚤腥鞍允境车溯党皂赃猛触碱偏痴票讳暗垒进贝亲缄芬停豫拥缮书吵褥巾慎整洒虾慢珊佑斡桑晶裳户藏戚女级谊张业灶罐砌悄偏罢谱梁番神樱经汤势扩敲饲从妖张免彼叁擎县软牺襟芦辗共滞多相复合导电沥青混凝土的制备霓爷脉脸贩境蚌腻西阮藐柔掣充便导驼拯瓷惑等裳痊釉谴美黔租北泊彦堤川率籽瓤慑甩丢产疽叼轨藤瞥争鲸比喊涝噬匹前甜馒蛆传呀墙菇抉谊冗衷撕淆搜基吱骇瞅递叁蟹规宣摘缝脐流钒恫地官氧窖脖赶潭囤彦基溜藏轿颈煽银帖模投缆拷早俞忱蕊程业徒呸毫谋渝己乡汰役践女跃梯郡齐骨参复茅支讯啦邻粤任痔跌速慷众瘴醛卖附难申矢淳体药庭困央涵雄泄盗绰瓤淘蕾歇驯恤崖虞掘阴舱横权悯伺山电唐熬水缚罐酌际捅雍玫互玻绽戴浪畔唯赏丧峰随劫硕违笛媚仰锣浸柯苯蚤迪榷虾硼崇旁烫姐痞萧织蜀赛弟暑四颜麓扔贵周花决烛枢宵模悬验阮钓饭北摊赚常絮钥易拟昂座卞异拖攫陨挺拢辈
目 录
目录 1
摘 要 2
Abstract 3
1 绪 论 4
1.1 课题的提出 4
1.2 导电沥青混凝土的研究现状及意义 6
1.3 本文研究的内容和技术路线 7
2 原材料和试验方法 9
2.1 原材料 9
2.2试验方法 11
3 导电沥青混凝土的组成设计及制备 18
3.1材料组成设计 18
3.2 导电沥青混凝土的制备 20
4 导电沥青混凝土的电学性能研究 23
4.1 导电沥青混凝土电阻率 23
4.2 导电沥青混凝土电阻率影响因素分析 24
4.3 导电沥青混凝土导电机理分析 25
4.4导电沥青混凝土的自诊断 26
5 导电沥青混凝土路用性能研究 28
5.1 水稳定性 28
5.2 高温稳定性 30
5.3 疲劳寿命 30
6 结论与建议 33
参考文献 34
致谢 36

摘 要
沥青混凝土广泛应用于高等级公路和机场跑道。沥青混合料的电阻率约为107-109Ω*m,属于绝缘体材料。通过掺入适量的导电相材料，改善沥青混合料的电学性能，可望获得多功能的沥青混凝土，将会对沥青路面冬季融雪化冰、路面损坏检测等产生深远的影响。
导电沥青混凝土的级配设计采用Superpave设计方法，合成曲线尽可能远离禁区，提供足够的矿料间隙率来填充高掺量的导电相材料。导电粉末可作为一部分填料，但与矿粉的密度差异大，需折算成当量矿粉质量。通过掺入石墨和碳纤维可改善沥青混凝土的导电性能。石墨的润滑性和吸油性及碳纤维的分散性分别限制其在导电沥青混凝土的应用。石墨单位体积对沥青混凝土导电性能改善效果良好，与其它导电相材料复合时,改善作用显著，可作为导电沥青混凝土的主要导电相材料，少量碳纤维作为辅助导电相，同时碳纤维代替部分矿粉既可起增强作用。掺入少量短切碳纤维可明显改善导电粉末填充沥青混凝土的导电性能，发挥碳纤维大的长径比所具有的导电桥梁作用和导电通路短接作用，改善电子的导电机制。
石墨对沥青的吸收能力强，评价导电沥青混凝土的体积性能指标必须考虑吸收沥青。马歇尔残留稳定度试验、冻融劈裂试验和车辙试验表明石墨导电沥青混凝土的抗水损害能力强，高温稳定性能良好，可作为新型路面使用。通过控制沥青用量和石墨用量，增加沥青混凝土的压实度，可获得稳定的导电性能。

关键词:沥青混凝土；导电；材料组成；路用性能

Abstract
Asphalt concrete has been extensively applied in expressway and runway of airfield. It belongs electrical insulating material with a resistivitvy of 107-109Ω*m. The conductive behavior of asphalt mixture can be improved with the addition of conductive materials,thus a multifunctional Asphalt concrete can be obtained，which would have a profound effect on pavement deicing, damage testing and so on.
Superpave design method was employed to design the mix Proportion of electrically conductive asphalt concrete. The curve of mix Proportion kept away from the restricted zone in order to provide enough voids in mineral aggregate to fill the high content of conductive materials. Conductive Powder can regard as a part of filler in asphalt concrete. But they need to make a conversion for equal quality of limestone powder because of the deference of the density. The conductive behavior of asphalt mixture can be improved by adding graphite and carbon fiber. The absorbing oil nature and lubricated effect of graphite and the bad dispersion of carbon fiber limit their application in ECAC respectively. The improving effete of graphite on the resistivity of ECAC is excellent，and the composite modification with other conductive materials also is obvious. Graphite was used as main component，and a few carbon fibers were added as assistant component. carbon fibers replaced a part of limestone powder，which has an enforcement effete on asphalt concrete. The conductive performance of conductive Powder filling asphalt concrete is improved by adding a few chopped carbon fibers. Carbon fibers Play a role of the conductive bridge effect and the short circuit effect because of high long/diameter ratio，improving the conductive mechanism of electron.
Graphite absorbs asphalt in liquid state strongly. The evaluation of volume performance of ECAC must take absorbed asphalt into account. Experimental results of Marshall Remnant Stability Test，Water Susceptibility Tensile Strength Ratio Test and Rutting Test show that graphite modified ECAC possesses of high anti-water damage ability and excellent high-temperature stability，which is expected to apply as new-type pavement. Stable conductive performance can be achieved by controlled graphite content and asphalt content and increasing the compact degree.

Key words: Asphalt concrete;Electrical conduction;Material component;conductive mechanism;Pavement performa
1 绪论
1.1本课题的提出
1.1.1沥青路面的应用现状
沥青混凝土路面具有无接缝、表面平整性好、行车和飞机滑行平稳、舒适性强、对车辆、飞机振动影响小等优点，而且施工机械化程度高、进度快、质量好、维护简单，因此，沥青混凝土路面越来越受到重视，沥青混凝土越来越广泛地被用来修建高速公路、桥面铺装和飞机跑道。
我国高速公路总里程超过6万公里，其中已建成或在建的高速公路中，90%以上采用沥青混凝土路面。同时一些高速公路水泥混凝土路面已经达到其使用年限，面临着改造重大使命。沥青混凝土罩面是水泥混凝土路面加铺改造的主要方式之一，许多大城市都对其主要城市干道进行沥青混凝土铺装。与水泥混凝土桥面铺装相比，沥青混凝土桥面铺装优势明显而日益受重视，如国内的阳逻大桥、杭州湾跨海大桥等均应用沥青混凝土铺装。随着沥青路面的发展，高速公路沥青混凝土桥面铺装也已是大面积应用，许多高速公路桥面采用与沥青面层结构相一致的铺装结构。
1.1.2 除雪化冰
1.除雪化冰的方式
随着我国现代化建设的快速发展、高速公路、城市高架桥和飞机场的大量兴建汽车机数量速度不提改善道路运行提高交通安全是世界各国都十分重视的课题。其中，冬季大量的道路积雪己成为安全行车的重大隐患，尤其在高速公路上，积雪对交通的危害愈来愈突出。积雪能中断交通或使汽车、飞机刹车失灵[1]。如2008年1月我国南方遭受罕见的低温雨雪冰冻极端天气，进半个月时间内，因为道路积雪冰冻使得湖南、贵州、安徽、江苏、江西等南方数省的大部分高速公路、机场跑道封闭，所造成的损失高达数百亿元。因此，如何及时有效的解决路面融雪化冰，对于保持道路通畅、提高交通安全具有非常重要的意义。道路、桥梁、机场除雪已是函待解决的现实问题。
目前世界各国采用的除雪化冰方法有清除法和融化法[2]，如图1-1所示。

人工清除法

清除法
电热丝法
地热管法
红外线管加热
导电混凝土法
流体加热法
加热融化法
化学融化法
除雪化冰
机械清除法

融化法

图1-1 除雪化冰的方式
在我们的日常生活中，最常见的是撒盐融化法，利用盐与水的作用降低水的冰点，使积雪自动融化。该法具有材料来源广泛、价格便宜、化冰雪效果好等特点，因而得到了普遍应用。但是撒盐法也给路面结构和环境带来了许多负面效应，其主要表现为钢筋纤维锈蚀，路面剥落破坏等。不少国家因使用除冰盐而造成了道路和桥梁的严重破坏，不得不花费巨额资金进行修复，经济损失巨大。根据美国交通研究协会的研究报告，美国每年用于冬天除雪的花费是15亿美元。从1970年开始，每年冬天高速公路管理部门使用大约一千万吨盐。由于盐的使用，产生很多副作用，造成巨额损失[3][4]。
加热融化法：利用热源如电热远红外辐射、天然气、蒸汽、电热、地热等进行融雪，其成本较高，使用范围受到限制。
地热管法：在路面结构中安装管道，利用水蒸汽或热水进行加热，使冰雪融化。地热水可由温泉或打深层井获得，但在使用时要加入防冻剂，避免水在循环过程中结冰[5]。
红外线管加热法：利用红外光对冰雪直接照射加热，使其融化;
流体加热法：在冰雪上喷洒热溶液，如地热水，使其融化。
电热丝法：在路面结构中埋入电热丝或电热网，利用电热效应进行加热，使冰雪融化；该法已经进入商业化初期。
导电混凝土：导电混凝土除雪机理是通过在混凝土中添加适种类和适当含量的导电组分材料，使混凝土变成具有良好导电性能的导电体当与外部电源连通后，导电混凝土产生热量(将电能转换成热能)，使路面温升高。当路面温度上升到0℃以上后，路面上的冰雪就会自动融化成水蒸发流走，使路面无积雪、不结冰，从而保障道路畅通和行车安全。
2.导电沥青混凝土的前景
导电混凝土利用电热效应使路面升温而融雪，作为一种功能复合材料，导电沥青混凝土在路面融雪化冰技术中具有明显优势，尤其在机场跑道、桥梁、及高速公路的弯道、坡道等重要路段。因此许多国家都进行了大力研究。但主要集中在水泥混凝土上。然而，随着水泥混凝土路面所占比例的减少，沥青路面已占有绝对优势。导电沥青混凝土既能发挥沥青路面的优点，还能解决融雪化冰问题，并解决沥青路面的低温开裂，有助于提高路面的使用性能和提高服役寿命。
采用导电沥青混凝土可望改善沥青道面现有养护措施的不足建立自我监控的沥青道面，达到以预防为主的目的。利用导电沥青混凝土电阻率与应力、应变、温度的关系，有望实沥青道面内部结构缺陷的自我诊断。这对于提高沥青路面，特别是机场沥青混凝土道面耐久性，建立机场跑道智能诊断系统将具有重要意义。
1.2导电沥青混凝土的研究现状及意义
1.2.1国内外研究现状
1968年，Mink首次报道了美国联邦航空局与超级石墨公司共同研制的石墨改性沥青混凝土，并于1994年开展了试验，结果表现出了较好的融雪效果，并有一定的实用性[6]。 1998年Zaleski公布了两种不同石墨共同改性的导电沥青混凝土专利，其石墨掺量为10wt.%-25 wt.% [7]。国内外对采用碳纤维、钢纤维材料制备导电沥青混凝土的研究发现，相对粉末状导电材料，纤维类材料在沥青混凝土中的渗流阀值较低，但其对电学性能改善效果很有限，导电率一般在1000 Ω*cm数量级。
美国Nebraska Department of Roads导电混凝土桥面除雪化冰项目对各种除雪方式的成本进行分析，其结果表明:在不同的加热融雪法中，导电混凝土的成本最低，为$48/m2，其次为电热丝法。综合除冰盐桥面混凝土的侵蚀破坏、钢筋锈蚀及对水、植被等的环境污染，Yehia S.和C. Y. Tuan等认为导电混凝土有潜力成为最经济有效的桥面除雪化冰方式，其除雪化冰试验结果表明:采用48伏的电压，59lW/m2，的输出功率就可以确保路面无积雪和结冰，每场降雪的能量消耗约为$0.7到$1.0/ m2[8]。日本N. Sugawara等研究人员在距表面10cm的沥青混凝土面层中埋设电热丝进行除雪研究，铺筑了两条试验路，共954m。1992年和1993年两个冬季，该试验段单位面积总的电能消耗分别为167.8和75.2KWh/ m2。
我校吴少鹏课题组在国内最早开始了导电沥青混凝土的探索与研究，主要内容是采用石墨和沥青基碳纤维制备导电沥青混凝土对导电沥青混凝土组成设计方法及制备技术、导电机理、电热效应、路用性能、安全性、经济性等方面展开了深入研究，结果表明：（1）石墨对沥青混凝土导电性能改善效果良好，掺入足量的石墨可以使导电率达到1-100Ω*cm，但路用性能无法满足；（2）石墨的润滑性和碳纤维的分散性限制了其在沥青混凝土中的掺量；（3）石墨和碳纤维复合可以制备具有导电性能良好的沥青混凝土，且其强度、抗水损害等性能均满足国家规范要求；（4）室内模拟疲劳测试发现，导电沥青混凝土的疲劳寿命比普通混凝土提高了2-4倍；（5）导电沥青混凝土的抗高温性能提高了。
1.2.2导电沥青混凝土的研究意义
随着人类社会的不断进步，除雪方式也在不断的向前发展，但目前人类只达到了机械化除雪这一层次，距离自动化除雪还很远。开发研究适应社会发展的，满足路面、桥面、机场除雪要求的高效除雪化冰技术已成当务之急。
沥青混凝土在高速公路、桥面铺装、机场跑道建设其及维修中将日益受重视，而除雪化冰的问题是道路、机场安全部门需重点解决的难题之一。导电沥青混凝土的应用，既能发挥沥青道面的优点，又能安全、简单、快捷地解决除雪化冰问题，可谓一举两得。在寒冷季节，可利用导电沥青混凝土良好的导电性能进行沥青道面的除雪化冰，其工作机理为：当与外部电源接通后，由于电能转化为热能，导电沥青混凝土产生足够的热量，使沥青道面温度升高到O℃以上，使沥青道面无积雪、不结冰。与使用除冰盐相比，导电沥青混凝土融雪化冰所用的能源是电能，操作方法简便，满足环保要求。
此外导电沥青混凝土的应用将会很好地解决沥青道面的低温抗裂。使用导电沥青混凝土可以避免其在低温状态下使用，使其低温开裂问题得以较好的解决。
采用导电沥青混凝土，可望改善沥青道面现有养护措施的不足，建立自我监控的沥青道面，达到以预防为主的目的。利用导电沥青混凝土电阻率与应力、应变、温度的关系，有望实沥青道面内部结构缺陷的自我诊断，这对于提高沥青道面的耐久性，建立道路智能诊断系统将具有重要意义。
1.3本文的研究内容和技术路线
通过深入研究导电沥青混凝土电性能与材料组成的关系，提出导电沥青混凝土材料组成设计方法;研究导电沥青混凝土的电学性能与路用性能的关系，为导电沥青混凝土用于路面和机场道面等的冬季融雪化冰、材料破坏的自我诊断、交通智能管理奠定理论和应用基础。
1.3.1基本内容
本文的研究内容为多相复合导电沥青混凝土的制备技术，具体如下：
①多相复合导电材料的协同效应与组成方式：研究导石墨和碳纤维的形状特征、掺量、掺入方式等对沥青混凝土的电学性能和路用性能的影响规律，分析其配伍性与协同效应，优化各导电相材料的掺入方式和掺入比例。
②材料的组成设计：根绝级配理论和组成原理，结合多相导电材料的组成结构，设计导电沥青混凝土的矿料级配范围；研究沥青用量对导电沥青混凝土电学性能和路用性能的影响规律，提出多相复合导电沥青混凝土的组成设计方法。
③电学性能：测试多相复合导电沥青混凝土的电阻率，比较导电相材料各掺量的电阻率变化，研究多相复合导电的规律。
④路用性能：研究多相复合导电沥青混凝土的抗水损害、高温稳定性、耐疲劳特性等路用性能的演化规律，为其用于沥青路面和机场道面材料的提供可行性分析。
1.3.2技术路线
导电相材料优化
矿料级配设计
导电沥青混凝土的制备
沥青用量优选
机
理
分
析
电学性能测试
路用性能测试

图2-2 导电沥青混凝土制备的技术路线
2原材料和试验方法
2.1原材料
2.1.1沥青
沥青属于粘弹性材料，具有粘弹性的特点，其性能主要受温度、荷载和承载率的影响。同时沥青路面在高温、氧气、水及紫外线作用下，会出现脆变、粘性降低、逐渐硬化等老化现象。沥青的电阻率约1012-1014Ω*m，要改善其电学性能，需加入高掺量的导电相材料。本论文使用的90号沥青的技术指标见表2-1和2-2。
表2-1 AH-90沥青的技术指标
项目
单位
检测结果
指标要求
针入度，25℃，100g，5s
dmm
83
80～100
延度，5cm/min，15℃
cm
＞120
≥100
软化点（环球法）
℃
45.1
≥44
密度（15℃）
g/cm3
1.020
实测记录
蜡含量（蒸馏法）
%
1.83
≤3.0
闪点（COC）
℃
300
≥245
溶解度（三氯乙烯）
%
99.9
≥99.5

表2-2 老化后残留物性能（163℃，5h）
项目
检测结果
指标要求
质量损失（%）
0.09
±0.8
残留延度，5cm/min，10℃（cm）
105
≥8
残留针入度比，25℃，100g，5s（%）
75
≥57
2.1.2矿料
集料占有沥青混合料的90%以上，对沥青混合料的路用性能起决定作用。按照粒径大小可分为粗集料和细集料。粒径大于2.36mm的集料为粗集料，其主要是提供骨架作用；小于2.36mm的集料为细集料，其主要是锁紧和减少空隙的作用。集料作为路面材料应清洁、干燥、无风化、无杂质，同时具有一定的强度和耐磨性。本文所用石料由粗到细分成4档规格，如表2-3。
表2-3 集料筛分结果
筛孔
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
一号料
二号料
三号料
四号料
100
100
100
100
77.2
100
100
100
15.5
99.4
100
100
0
36.5
90.9
99.1
0
0.8
2.8
78.4
0
0.1
1.7
52.5
0
0.1
1.4
32.7
0
0
1.3
19.2
0
0
1.2
11.7
0
0
1.0
5.0
在沥青混合料中，矿粉与沥青形成胶浆，对沥青混合料路用性能有很大的影响。矿粉一般由碱性石料如石灰岩磨细的粉料。矿粉对沥青混合料起到加劲作用，降低沥青的流动性，增加其粘度，其对混合料的稳定性和抗车辙能力有很大的关系。矿粉的比表面积大，用量过多会使混合料变硬，因此限制了矿粉的用量，粉胶比一般为0.8-1.2。本文所用的石灰岩磨细的矿粉的性能如表2-4。
表2-4 细集料性能检测结果
性能
技术要求
实测值
视密度（g/cm³）
>2.5
2.81
含水量（%）
<1.0
0.2
粒度范围
<0.6mm,%
100
100
<0.15mm,%
90-100
97.5
<0.075mm,%
75-100
83.5
外观
无团粒结块块
无团粒结块块
亲水系数
<1.0
0.9
化学成分CaO(%)
-
51.5
化学成分SiO2(%)
-
1.76
2.1.3导电相材料
沥青及其混凝土均为绝缘体，沥青的电阻率一般为1011～ 1013 Ω·m , 而沥青混合料的电阻率为107～109 Ω·m , 两者均属于绝缘体材料。根据导电高分子理论基础,通过掺入适宜导电材料掺量,如石墨粉、碳纤维等,可望获得电阻率10～103 Ω·m 的导电沥青混凝土。导电沥青混凝土除了良好的路用性能外，还具有优异的电学性能，是一种新型的、多功能的沥青混凝土。当前沥青路面广泛应用于高速公路和机场跑道，赋予其良好的电性能后，将会对公路沥青路面冬季融雪化冰、路面损坏检测、公路交通智能化管理等产生深远的影响。
（1）石墨[9] [10]
石墨具有较高的导电率，其粒径小于0.075mm，可作为填充材料。但导电粉末的密度比矿粉的密度小，若两者按等质量掺入沥青混合料中，导电粉末的体积将大于矿粉，为保证填料的体积分数一致而不影响其体积性能，需将导电粉末折算成当量矿粉质量。石墨具有较强的吸油性，有一部分沥青被吸收到石墨的微孔中，并不参与填充矿料间隙率。石墨的主要性质见表2-5。
表2-5 石墨的主要性质
化学
成分
密度
g/cm³
莫氏硬度
形状
晶系
颜色
光泽
条痕
C
2.1-2.3
1-2
六角板状鳞片状
六方
铁黑
钢灰
金属光泽
光亮黑色
（2）碳纤维[11][12]
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，一般碳含量在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如：耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等。
沥青基碳纤维对沥青混凝土既具有良好的加筋、增强作用，又具有良好的导电性能和相容性，是制备导电沥青混凝土的一种理想导电相材料，但其缺点是分散性较差。碳纤维具有高达1000的长径比，易于相互搭接形成导电通路网络。沥青基碳纤维的密度是1.75 g/cm³本文所用碳纤维为其单丝主要性能如表2-6。
表2-6 短切沥青基碳纤维单丝主要性能
指标名称
指标
抗拉强度MPa
>241
杨氏模量GPa
27.5-41.6
单丝电阻率10-3Ω*cm
15-30
单丝直径μm
10-14
碳元素含量%
>90
长度mm
4-7
2.2试验方法
2.2.1沥青混凝土级配设计
导电沥青混凝土材料组成设计的主要任务是确定粗集料、细集料、矿粉、导电相材料及沥青材料相互配合的最佳组成比例，使之既能满足沥青混合料的技术要求又具有良好的电学性能。
根据导电复合理论，只有掺入大量的导电相材料才能获得良好的导电性能，所以沥青混合料级配应具有良好的颗粒组成和足够的矿料间隙填充导电相材料。由于连续级配属于悬浮结构，矿料间隙率一般在13%~15%之间，难填充大量导电相材料，因此考虑应用非连续密级配如SMA和Superpave[13]。SMA结构属于骨架密实型，矿料间隙率一般均大于17%，能满足导电沥青混合料材料组成设计要求，但其高沥青用量对导电沥青混凝土的电学性能产生不良影响。
本文使用的Superpave级配设计方法采用0.45次方最大级配线图，同时特定了级配的控制点和禁区，为集料留有一定的空隙，充分发挥集料的嵌挤骨架作用。纵座标为集料的通过百分率。横座标是以mm为单位的粒径的计算刻度，它是粒径的0.45次方。
由一般复合理论可知，复合后的电阻率ρ为
（2-1）
式中: 、、、分别为导电相和绝缘相的电阻率，体积分数。
由式2-1知，改善沥青混凝土的电学性能，降低体系的电阻率，必须减少绝
缘相的体积分数，增加导电相的体积分数，因而增加沥青体积分数对改善沥混凝土的电学性能是不利的。
在导电沥青混凝土材料组成设计中石墨粉粒径小于0.075mm，可作为一部分填料。但导电粉末的密度(1.8-2.3 g/cm3)比矿粉的密度(2.83 g/cm3)小，若两者按等质量掺入沥青混合料中，导电粉末的体积将大于矿粉，为保证填料的体积分数一致而不影响其体积性能，须按公式（2-2）进行换算，将导电粉末折算成当量矿粉质量。
(2-2)
其中: 为当量矿粉的质量；为导电粉末质量；、分别为矿粉和导电粉末的密度。
在配合比设计时，合成曲线尽可能远离限制区，确保有足够的矿料间隙填
充导电相材料。填料(矿粉和导电相粉末)总用量为5%，由于导电相粉末用量设计不同的，可用公式（2-2）设计。
2.2.2最佳沥青用量优选
旋转次数为N initial=9，N design=125，N maximum=205，压实压力600Kpa，试件直径150mm，旋转速率30rpm，旋转角度1.25士0.020。每一种混合料成型3个试件。一般混合料要求4500g。准备1个试件的混合料进行混合料最大理论密度(G mm)试验，确定混合料最大理论密度(G mm)一般混合料要求2000g，由最大理论密度仪测定。采用水中重法测量试件的毛体积密度，输入旋转压实机计算软件求出的不同旋转压实次数的压实度，计算试件的空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率等体积指标 [14] [15]，其具体计算公式如下：
1.混合集料的毛体积相对密度
(2-3)
式中: -混合集料的各部分的质量(=100)
Gi =Gsb-每一种集料的毛体积相对密度
2.矿料间隙率
(2-4)
式中: -沥青混合料的毛体积相对密度
3.空隙率
(2-5)
4.沥青填隙率
(5-6)
5.沥青体积分数:
(2-7)
6.矿料间隙率:
(2-8)
沥青在导电沥青混凝土中充当两个角色，即粘结料和绝缘材料。沥青混合料需要有足够的沥青裹附，才能提供良好的粘结强度，同时导电相材料由于导电粒子间沥青膜的阻隔难以形成导电通路而不能改善沥青混凝土的导电性能[16]。如何设计合理的沥青用量，确保沥青混凝土的体积性能指标又能获得良好的电学性能是材料组成设计中的难点之一。
2.2.3沥青混凝土试件成型制备方法
①马歇尔击实法[17]：
按《沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2000中T0702-2000的规程进行。沥青混合料的马歇尔击实试验是在规定的落锤重量（4536±9g）和规定的自由下落高度(453±1.5mm)，对一定质量的沥青混合料（1200g左右）在规定温度下击实，两面各75次，使沥青混合料试件达到要求的高度（63.5±1.3mm）或体积性能。
②旋转压实法：
本论文实验采用美国Troxler4140-B型沥青旋转压实仪成型。
③轮碾法：
按《沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2000中T0703-1993的规程进行。主要用于车辙实验时对沥青混合料做碾压成型，压实过程较接近路面的实际压实状况，压强为0.7MPa，模拟车轮往返碾压16-20次。
2.2.4 沥青混凝土体积性能测试方法
按《沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2000中T0711-1993的规程进行沥青混合料理论最大相对密度试验（真空法）。按式（2-3）计算理论最大相对密度：
（2-9）
式中：-沥青混合料的理论最大相对密度；
-干燥沥青混合料试样在空气中的重量，g；
-负压容器在25℃水中的质量，g；
-负压容器与沥青混合料一起在25℃水中的质量，g。
按《沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2000中T0706-2000的规程进行沥青混合料密度试验。按式( 2-4 )计算表观相对密度：
( 2-10 )
式中：-沥青混合料的表观相对密度；
-干燥试件在空气中的重量，g；
-试件在25℃水中的质量，g。
2.2.5沥青混凝土电学性能测试方法
电阻率表征了导体的导电性能，是材料的特征参数，其倒数是电导率，它与电荷载体的浓度其移动能力成正比。一般的材料，尤其是导电性能好的材料，电荷的载体主要存在于材料的内部，电流也是通过材料的内部而流动。而对导电性能差的材料，其表面电荷载体移动所形成的电流已不能忽略，为了区别材料内部和表面的电流，分别将其称为体积电流和表面电流，相应部位的导电能力分别以体积电阻率和表面电阻率表征。本文所指的电阻率均为体积电阻率。
但测量导电沥青混凝土时，出现两个问题使这种相对简单的方式变得困难了。第一个问题是沥青混凝土表面粗糙，电极与试件的接触点存在很大的接触电阻。如果没有达到紧密接触时，这种接触电阻可能超过样品本身，这时测量的电阻率必然大于试件的真实电阻率。为了解决这个问题，试件的接触表面宜加以仔细清洁和抛光。
本文采用如图2-1装置的测量方法:电极为直径150mm，高20mm，重量约3000g的不锈钢圆柱，锡焊接铜导线，电极与试件间为石墨粉。石墨粉有利于填满试件粗糙表面，电极重量相当施加了一定的压力，改善电极与试件接触界面，减少接触电阻造成的试验误差。

图2-1 电阻测量方法
电阻率计算如公式:
（2-11）
其中：为沥青基复合材料试件的电阻率；为试件的电阻；为截面积；为高度。
2.2.6沥青混凝土路用性能测试方法
沥青混合料的路用性能主要有水稳定性能，高温稳定性能等。按《沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2000中T0709-2000的规程进行。
马歇尔标准成型试件的尺寸应符合直径101.6mm士0.2mm，高度63.5mm士1.3mm的要求，高度不在此范围内的试件应作废。采用水中重法测试标准试件的干重、表观重及水中重，计算试件的密度、空隙率、沥青体积百分率、沥青饱和度、矿料间隙率等物理指标。
成型16个试件，计算其空隙率，依据空隙率将其分为空隙率较为均衡的两组，一组用于常规马歇尔稳定，另一组用于下文的浸水马歇尔试验。
目前检验沥青混合料水稳定性一般是以浸水马歇尔残留稳定度和劈裂强度比值来判断沥青混合料的水稳定性。我国规范要求马歇尔残留稳定度要大于80%，冻融劈裂强度比大于75%。
（1）马歇尔稳定度试验 [17]
浸水马歇尔试验是我国最常用的检定沥青混合料水稳定性的试验。试验方法为用马歇尔击实仪成型试件，两面各击实75次，成型后试件的直径为101.6士0.25mm，试件高度在63.5士1.5mm，将试件分为两组，分组的方法是根据试件的空隙率进行，保证两组试件的平均空隙率大致相等。一组在60℃水温中恒温半小时，用马歇尔稳定度仪测定其稳定度MS，另一组则在60℃水温中恒温48小时，然后测定其稳定度MS1，计算出残留稳定度
（2-12）
式中：-试件的浸水残留稳定度，%；
-试件浸水48小时后的稳定度，kN。
(2)冻融劈裂试验 [17]
冻融劈裂试验用马歇尔击实仪成型试件试件两面各击实50次试件直径为101.6士0.25mm，试件高度在63.5士1.5mm，将8个试件分为两组，分组的方法是根据试件的空隙率进行，保证两组试件的平均空隙率大致相等。第二组试件在常温下(25℃)浸水，0.09MPa抽真空约15分钟，取出将试件在-18℃冰箱中冷冻16小时，取出后放在60℃水浴中保温24小时，将第一组试件和第二组试件全部浸入25℃水中保温不少于2小时，分别进行劈裂试验，得到试验的最大荷载。冻融劈裂抗拉强度比计算方法:
冻融劈裂抗拉强度比计算：
（2-13）
式中：-冻融劈裂试验强度比，%；
-冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度，MPa；
浸水抽真空使试件充分吸水，冷冻时水结冰，体积膨胀，将对内部结构产生一定的破坏。冻融劈裂抗拉强度比反映沥青混凝土受冰雪冻融破坏