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文 | 花椒编辑 | 花椒摘要为解决冬季道路积雪结冰的安全问题，同时弥补碳纤维用量过多团聚缺陷，采用碳纳米管／碳 纤维制备导电沥青混合料，进行电热与断裂试验；分析碳纳米管在不同掺量下沥青混合料的电热与抗裂性能，结果表明碳 纳米管／碳纤维沥青混合料电阻率随碳纳米管掺量的增加呈指数 函数减小；在持续通电作用下，混合料内部温度不断升高，当碳纳米管掺量为 0.5%时，升温效果最佳，混合料从-10 ℃上升 到 0 ℃仅 需 5 min , 升 温 效果在时间上提升了37.5% ;适量的碳纳米管能提高沥青混合料的抗裂强度与弯拉应变，增强其韧性，宏观上表现为具有更 优异的抗裂缝扩展能力。
碳纳米管／碳纤维沥青混合料电热与断裂性能分析其中导电材料在导电沥青混凝土中起决定性作用，沥青混凝土中导电相材料主要分为金属导 电材料和碳系 导电材料；金属导电相材料如钢纤维、钢渣等，易被氧化表面形成钝化薄膜降低 导电性能。
较金属导电相材料相比，碳系导电材料与沥青结合更密实，更适应沥青高分子材料高黏稠度环境。
碳纤维是目前国内在导电沥青混合料中使用较多的碳系导电材料，具有良好的电学与热学性能 , 但碳 纤维掺量较多时不易分散，会严重影响沥青混合料的电热性能。
研究表明，碳纳米管 电流运载能力约 为铜导线的一百倍，与传统导电材料相 比，具有极高 的 导电率和载流 能力。
同时，导电沥青混凝土在路面融雪化冰时，循环的降温与升温环境下会产生较大的收缩张拉应力，导致沥青混合料形成温缩裂缝，严重影响 路面的服役寿命。
基于此，本文选取碳纤维为主要导电材料，在较低碳纤维掺量的基础上掺入碳纳米管形成复合导电混凝土；采用二极法对复合导电沥青混凝土的导 电率、室内升温开展试验，同时进行劈裂试验与小梁弯曲试验。
导电材料用量及混合料试件制备碳纤维在沥青混合料中应用较为成熟，碳纳米管 (CarbonNanotubes , CNTs) 是当前最为理想 的一维纳米导电相材料。
因此，本试验采用 95%的短切碳纤维 与 99%超纯碳纳米管，其 中碳纤维与碳纳米管的性能 指标。
因此， 本文取碳纤维掺量集料总量 的 0.3%作为主要导电相材料，选用碳纳米管掺量为沥青用量的 0%（对照组）、 0.5% 、1.5% 、3.0%4种添加量；首先量取 500g熔融沥青置于高速剪切机器皿中，分别量取占沥青质量 0.5% 、1.5% 、3.0%的碳纳米管等分成 4份；逐次倒入高速剪切搅拌机内搅拌（转速 3000r/min , 温度 165 ℃ , 搅拌 45min),待搅拌完成后在 160 ℃保 温箱中浴胀1h；再参照沥青混合料试验规程依次掺入 碳纤维和碳纳米管改性沥青，可获得碳纳米管／碳纤维 沥青混合料，碳纳米管改性沥青制备。
采用二电极法对不 同碳纳米管沥青混合料的电阻率进行测试，混合料外 部两个铜片电极通过导线与万用表相连。
通过温度传感器在 PC端收集碳纳米管改性沥青混合料内部温度并加以分析，升温实验装置并探究试 件升温后碳纳米管用量与电阻率的变化关系。
分别将标准马歇尔与小梁试件进行劈裂试验 和小梁弯曲试验，每组试验4个平行试件，实验温度分别为-10与 25 ℃ , 加载速率为50mm/min , 小梁弯曲；碳纳米管是一种新型 的一维纳米级导 电材料，具有较小的密度与较大的表面积，因此，采用体积 电 阻率来表征碳纤维管导电沥青混合料的导电性能；碳纳米管掺量从1.5 %继续增大至3.0 %时，试件电阻率略有下降 或基本保持不变。
根据上续导电试验可知，碳纳米管－碳纤维沥青混合料有较好的导电能力，在外部持续电压作用下，通过 电热转换效应 ，使得混合料温度升高 。
混合料内部温度 随着通电时间的增长而不 断增大，同时随着碳纳米管的加入，升温效果显著提高，其中在碳纳米管掺量为 0.5%时，升温效果最佳；超过此掺量值 继续增大时，升温效果有所下降，但相比于对照组而言 升温效果仍有较大提升 。
根据后续扫描 电镜实验可以发现，当碳纳米管掺量高于0.5%时，会导致碳纤维发生团聚现象，降低了碳纤维在混合料中构成的导电通路，使得升温效果变差。
对照组由-10 ℃上升到 0 ℃时用 时 8min , 而碳纳米管掺量为 0.5%从 -10 ℃上升 到 0 ℃仅需 5 min , 升温效果在 时 间上提升 了 37.5% ；说明在碳纤维沥青混合料 的基础上加入 0.5%的碳纳米 管能够提高混合料的导电效率，从而解决 因碳纤维 团 聚而引起的材料浪费，节约成本。
电阻率在温度升高下的变化规律可以发现在同一碳纳米管掺量下，混合料的电阻率随着温度升高而显 降低，属于负温度效应。
当温度从-20 ℃上升至 20 ℃时，电阻率快速下降，当温超过 40 ℃时，试件的电阻率基本保持不变，受温度影响较小。
经过大量研究表明，沥青路面材料为带裂缝工作，即存在初始裂缝, 当温度小于 0 ℃时，在收缩时 8min , 而碳纳米 管掺量为 0.5%从 -10 ℃上升 到 0 ℃仅需 5 min , 升温效果在 时 间上提升 了 37.5% ；说明在碳纤维沥青混合料 的基础上加入 0.5%的碳纳米管能够提高混合料的导电效率，从而解决 因碳纤维团聚而引起的材料浪费，节约成本。
为了探究升温后试件电阻率变化情况，在进行室内升温试验的同时对其不同温度下的电阻率进行测试 。
试件的电阻率在温度升高下的变化规律，可以发现在同一碳纳米管掺量下，混合料的电阻率 随着温度升高而显著降低，属于负温度效应。
当温度 从-20 ℃上升至 20 ℃时，电阻率快速下降，当温度超 过 40 ℃时，试件的电阻率基本保持不变，受温度影响较小。
经过大量研究表明，沥青路面材料为带裂缝工作，即存在初始裂缝, 当温度小于 0 ℃时，在收缩应力下裂缝变大，电子传输势垒增大；而 随着温度升高，结构在热应力与沥青软化作用下使得裂缝愈合，试件的电阻率随之降低。
混合料从-20 ℃升温至40 ℃下时，0.5%掺量的碳纳米管试件电阻率下降了52.7% , 而1.5%掺量下试件的电阻率只下降了 39.1% , 表明随着碳纳米管掺量的升高；对改善电阻率的效果变差，碳纳米管掺量为 1.5%与 3.0%时 的 曲线基本重叠，说明碳纳米管掺量 的增大对试件的温敏性影响不大，无进一步降低效果。
通过对比四者 的抗 裂强度可知，在 -10 ℃低温环境下，0.5%掺 量下的低温抗裂强度仅 比对照组提高了 12.4% , 而掺 量为 1.5%与 3.0%的混合料却 比对照组 降低 了 25% 、 38% 。
因此，在实际施工中，应严格控制碳纳米管用量，其中碳纳米管掺量为 0.5%时为最佳掺量。
研究表明，碳纳米管掺量过大时，其在混合料中分布的无序性增强，无法与沥青很 好地结合，而倾向于相互缠绕和团聚；且碳纳米管具有较强的抗弯拉强度，分布在潜性裂纹处的碳纳米管能阻止其发展成微裂纹，起到修补裂缝、增强混合料 低温韧性的作用，但低温环境下难以发挥全部性能；因此提高效果不佳，在 25 ℃时，混合料的弯拉强度、弯 曲劲度模量与应变 能 密 度 都 有 所 降 低，降低幅度分别为 25.8% 、 25.1%和 23.3% , 与-10 ℃相比；其降低效果约为前者 的 1.8倍，弯拉应变与对照组相 比无 明 显变化 。
主要是由于碳纳米管密度小，比表面积大，对沥青有物理吸附作用，且在较高温(25 ℃) 时，碳纳米管与沥青基体之间存在较大 的分子作用力；在 -10 ℃环境下，沥青混合料所承受的最大荷载较25 ℃时更 大，且在达到最大荷载之前，基本没有位移增量，表现为脆性断裂；而在 25 ℃ 时，混合料位移随着荷载的增大而增大，其位移增量速 度缓慢，表现为柔性断裂；对比分析对照组与实验组可以发现，当达到荷载峰值后，掺入碳纳米管 的混合料随着位移的增大，可以承担的荷载下降速度较对照组缓慢；说明裂缝在产生及扩展期间的速度相对缓慢，能够承受较多的荷载，因此掺入碳纳米管的沥青混合料 断 裂韧性更好。
为了进一步说明碳纳米管掺量与升温效果和低温 劈裂抗拉强度 的变化规律的内在联系，采用扫描 电镜 对结束升温与低温劈裂试验后的试件进行观测。
本文 选取碳纳米管掺量为 0% 、0.5% 、1.5% 、3.0%的试件 进行试验，对照组放大 300倍，实验组放大 200倍。
结 论沥青混合料电阻率随碳纳米管掺量的增加呈指数函数减小，碳纳米管掺量为１．５％时，试件电阻率较对照组相比下降了６６．２％;且电阻率随着温度的升高而降低，在４０ ℃之前受温度影响较大，在此之后，温度基本对混合料电阻率无影响。
（２）碳纳米管－碳纤维混合料内部温度随着时间的增长而不断增大，在碳纳米管掺量为０．５％时，升温效果最佳;且混合料从－１０ ℃上升到０ ℃仅需５ｍｉｎ，升温效果在时间上提升了３７．５％，提高了混合料的导电效率，解决了因碳纤维团聚而引起的材料浪费，节约成本。
且加入了碳纳米管的混合料在裂缝产生及扩展期间发展的速度更加缓慢，能够承受较多的荷载，宏观上表现为具有更优异的抗裂缝扩展能力。
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