收稿日期:2005-04-15.作者简介:吴少鹏(1965-),男,教授;武汉,武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室(430070).自诊断沥青混凝土及其应用前景吴少鹏1 刘小明1 磨炼同1 从培良1 杨 朋1(1.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:自诊断沥青混凝土是一种通过掺入导电相材料,改善沥青混合料的导电性能,利用导电性能与路用性能的变化规律,即时、无损地评价路面结构的应变与破损的新型道路材料,其在机场跑道、桥面及高速公路上有广泛的应用前景.因此,介绍自诊断沥青混凝土的导电相材料优选、级配设计、制备方法及其自诊断机理,依据其电学性能的变化规律可及时了解路面的使用状况和健康水平,用以指导沥青路面的养护与维修.关键词:沥青混凝土; 自诊断; 导电; 压敏特性中图分类号:TU528.42 文献标识码:A 文章编号:1672-7037(2005)03-0001-04 随着公路建设事业的不断发展,沥青路面的数量和质量也有了较大的提高.交通量的迅速增长、载重车辆轴重的加大,致使沥青路面早期破坏较为严重,路面的缺陷和损坏严重影响路面的正常使用功能和服务水平.因此,提高技术水平,及早发现沥青路面结构的应变和损伤,加强公路沥青路面养护,以保持路面的完好畅通.沥青路面的科学养护主要是推广应用路面管理系统,通过采用科学监测手段和仪器,采集路面状况性能数据,进行评价分析,以便提出科学的养护对策.当前国内外相关规范对沥青路面的健康状况评价主要依靠外部观察和专家评分[1],例如我国对沥青路面破损状况采用路面状况指数(PCI )进行评价,路面状况指数由沥青路面破损率(DR )计算得出.路面破损状况反映了路面的结构完好程度,但它采用主客观相结合的办法来评价路面的使用性能,没有建立明确的定量关系,更重要的是无法发现内部缺陷.只有当外部出现明显缺陷时才开始考虑维修养护,是一种破坏性的保养,造成养护成本居高不下.如果能够在结构物出现小病害和早期损坏时,及时地了解掌握结构的健康状况数据,进而科学地指导结构物的养护,在结构物未达到永久性破坏前及时采取相应的补强措施,恢复其正常的服务水平,可以减少养护成本,延长结构物使用寿命,避免大规模的翻修和治理,又避免了废旧结构物对生态环境的影响.因此,结构自诊断沥青混凝土的研究具有十分重要的经济效益和社会效益.沥青混合料是以各种天然或改性沥青为胶结组分,以矿物粉末为填充组分,以砂石料等颗粒为增强组分,在一定温度下按一定比例混合形成的柔性复合材料.沥青基复合材料依其组成材料不同可以具有不同的功能,可广泛用于公路路面、机场道面、楼顶及地下防水、高速铁路轨道垫层等场合.普通沥青混合料中加入碳黑等导电材料后便具有了优异的电学性能,可以通过材料的电阻变化来感知材料结构应变和损伤的产生.这种具有应变和损伤自感知能力的沥青混凝土称之为自诊断沥青混凝土,它是材料科学、人工智能、信息科学及机械科学等学科高度发展的产物,也是这些学科的交叉.通过沥青混凝土材料的某些性能(如电阻)的变化,可感知环境的温度、压力及湿度,结构的位移、速度、加速度、应力和应变;材料内部的损伤、裂纹、光、电和磁信号的变化等.将这些感知的信号通过中央处理器进行处理、分析并做出决策.与其它智能材料诸如光学纤维、压电传感器等相比,自诊断沥青混凝土本身就是一种结构材料,和其它的无损检测相比,它具有很多优点[2].a .勿须在材料内部埋入传感器,避免因为外部材料的植入引起材料的强度和性能下降等现象.b .自诊断由于是结构材料对自己本身的结构产生,成本较低.c .检测准确且及时.d .材料性能稳定,耐久性良好.目前,世界各国对智能水泥混凝土已经有了近10年的研究,发现其具有应变、破坏及温度的第22卷第3期2005年9月 华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版)J .of HUST .(Urban Science Edition )Vol .22No .3Sep .2005自我传感能力,可用于建筑结构的振动控制、交通管理、载重测量和建筑安全等[3].如今沥青路面在高速公路、桥面铺装和机场跑道上已经大量应用,国内外也对普通道路用沥青混凝土的路用性能做了大量的研究,如美国的SHRP计划推出了Super-pave路面和许多规范,是沥青混凝土历史的第三次革命.但是,目前国内外对沥青混凝土的研究多集中在解决沥青路面的常见病害和问题上,如改善沥青混凝土的高温抗车辙、低温抗裂等,对一些特殊性能沥青混凝土如导电沥青混凝土、自诊断沥青混凝土的研究却很少.1 材料组成与结构优选沥青混合料一般是由适当比例的粗集料、细集料及填料组成,符合规定级配的矿料与沥青拌和制成的复合材料.与普通沥青混凝土相比,自诊断沥青混凝土添加了导电相材料,如石墨、碳黑及碳纤维等,改善了沥青混凝土的电学性能,可使其由绝缘体变为半导体或导体而具有良好电学性能.导电相材料按形状可分为纤维状或颗粒状,若按物理性质可分为金属类,如铜、银、铝、镍等非金属类,如碳基材料(碳黑、石墨、碳纤维)等.考虑到金属的易氧化性和与沥青的相容性,在设计导电沥青混凝土的材料组成时,选取碳基材料(碳黑、石墨、碳纤维)为其导电相材料.碳黑是一种黑色粉末状的无定形碳,由平均直径为23nm的球状或链状粒子聚积而成,内部是含有直径3500nm的微结晶结构,可以和各种游离基反应.碳黑结构性越高,容易形成空间网络通道,而且不易破坏.高结构碳黑颗粒细,网状链堆积紧密,比表面积大,单位质量颗粒多,有利于在聚合物中形成链式导电结构,在众多碳黑品种中以乙炔碳黑为最佳.碳黑表面若含有大量氧官能团或活性基团,会影响自由电子的迁移,影响导电性能.石墨层间具有典型的分子相互作用,只是此分子的间距略小于范氏间距(3.354埃).电阻率就高于一般的晶体而达到10Ψ·c m,导电率温度系数呈负值,是半导体.石墨具有耐高温、导电、导热、润滑、化学稳定及可塑等特性.碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上,是由含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造化学纤维,经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的.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.由于考虑成本和对损伤的实时监测,使用长的连续碳纤维不大实际.此外,由于自诊断沥青混凝土的电阻不能太小,否则将不便于监测,居于此原因,使用金属相导电材料的沥青混凝土将不会有良好的自诊断能力,所以通常采用碳素导电相材料(碳黑、石墨、短切碳纤维和导电炉黑)进行导电相材料组成.沥青的电阻率高达1013Ψ·m数量级,根据导电复合理论[3～5],只有掺入大量的导电相材料才能获得良好的导电性能,这对现有沥青混合料级配无疑是提出了新的要求,它应具有良好的颗粒组成和足够的矿料间隙填充大量的导电相材料.由于连续密级配(I型)属于悬浮结构,矿料间隙率一般在13%～15%之间,难以填充大量的导电相材料,因此考虑应用非连续密级配如SMA和Superpa ve.SMA结构属于骨架密实型,高粗集料含量、高沥青用量及高矿粉含量是其特点.SMA结构的矿料间隙率一般均大于17%,能较好地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. SMA沥青混合料的沥青用量高于普通沥青混合料1%左右,而沥青在导电沥青混凝土中是起绝缘相作用.由一般复合理论可知,复合后的电阻率ρ为ρ=ρ1V1+ρ2V2,式中,ρ1,V1,ρ2及V2分别为导电相和绝缘相的电阻率,体积分数.由上式可知,改善沥青混凝土的电学性能,降低体系的电阻率,必须减少V2,增加V1.而增加沥青体积分数对改善沥青混凝土的电学性能是不利的,因此通常采用Superpave级配设计方法进行导电沥青混凝土级配设计.美国公路战略研究计划(SHRP)改进级配设计方法,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.控制点为级配曲线必须通过的几个特定尺寸,禁区为级配曲线在最大理论密度线0.3～2.36mm附近不希望通过的区域,为集料间留有一定的空隙,充分发挥集料的骨架作用.采用Superpave级配设计方法可以设计出具有良好导电性能的沥青混凝土[12],而且电导率具有独特的变化规律,即存在渗流阈值P c,电导率在某一临界值发生突变.石墨掺量为10%(体积分数)时,电导率为8.7×10-11S/c m,石墨是以大小有限的颗粒集团分散于沥青中,未能形成连续导电通路,体系的电导率与沥青的电导率相近,表现为绝缘性;而增加到13%(体积分数)时,电导·2· 华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版) 2005年率剧增为6.7×10-6S/cm.石墨体积掺量在11%附近时DC电导率发生突变,增加近5个数量级,表明导电通路网络形成,石墨相互接触形成了体系内的三维导电通路网络.当石墨体积掺量继续增加到15%或更大时,电导率可以增加到10-3数量级范围内.使沥青混凝土成为电学性能良好的自诊断材料.2 自诊断机理国内外对机敏水泥混凝土有了较多的研究,早在1996年,Chung教授就已经开始对碳纤维水泥基混凝土(CFRC)进行了大量的研究[6,7].她发现将碳纤维均匀地分散于水泥混凝土中后,赋予了水泥混凝土某些特殊功能如损伤自诊断等.自诊断沥青混凝土是在普通沥青混凝土中分散均匀地加入导电相材料而构成的,研究表明[8]导电沥青基复合材料的导电介质是矿料空隙之间的沥青与导电相材料组成的导电胶结体.导电相材料随机分散于沥青基体中,随着其掺量增加,孤立导电相材料聚集并形成连续导电通路,电导率与导电相掺量表现出明显的绝缘-导电渗流转变现象,但渗流模型与标准格子渗流问题属不同普适类,其电导临界指数高于普适值.沥青基复合材料的导电机制主要是颗粒接触电导和隧穿机制综合作用的结果[9,10],即在临界渗流值附近电导由隧穿机制所控制,高掺量时由颗粒接触电导机制控制,该理论可较好地解释导电沥青混凝土的导电行为.交变电场中的导电行为可等效为电阻和电容并联.直流电压-电流特性由于隧道效应时粒子间的非线性导电和高电场时诱发额外的导电通路具有非线性,此外温度变化亦可影响体系电阻,呈现正温度系数.导电沥青基复合材料在应力、应变下具有灵敏的电阻变化响应,即压敏特性[11,12].在压缩或拉伸时,导电沥青基复合材料内部导电相材料间的接触状态会发生变化,压缩有利于增强粒子间的接触,体系电阻率减小;拉伸时增加了导电粒子间隙,易形成局部导电断路,电阻率增加.在石墨导电沥青基复合材料中,其压敏系数可达10-6 Pa-1,应变灵敏系数可达103.压敏性产生的原因可认为是沥青基复合材料试件的压缩邻近效应、微裂纹和石料间的剪切力使部分导电通路错位.导电沥青混凝土压应力与电阻率的关系曲线基本上可分为初始压实、无损伤、有损伤和破坏四个阶段,如图1中的A-B,B-C,C-D及D-E段.图1 导电沥青混凝土压应力与ΔR/R的关系沥青基复合材料在反复载荷作用下的永久变形中,其开始阶段的压密过程有助于导电粒子的进一步接触,平稳变形阶段的变形和导电沥青胶浆流动更进一步影响电阻的变化.随着重复荷载的增加,疲劳损伤将产生裂纹,而微裂纹是电子跃迁的屏障,达到一定程度以后,使体系的导电网络遭到破坏,导致导电性能下降,电阻或阻抗增大,直至沥青基复合材料结构与材料完全变形或断裂,电阻率出现急剧增大,此时变形处于破坏阶段.在等幅或变辐反复载荷疲劳模拟试验中发现,电阻与应变的变化趋势相似,呈现出不可逆性,在一定程度上反应了沥青的粘弹性.根据上述分析,导电沥青基复合材料在重复荷载作用下,将会对其微观结构产生影响,而结构的变化则影响了体系内局部导电通路的形成或断开,宏观上表现为其电性能的变化.根据这一关系,通过测试自诊断沥青基复合材料的电阻率的变化可以判定其所在结构所处的工作状态,实现对结构工作状态的在线监测.在掺入导电相材料的自诊断混凝土中,自诊断导电沥青混凝土本身即传感器,可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下弹性变形和塑性变形及损伤开裂进行监测.将结构自诊断沥青基复合材料用于路面结构,利用其压敏功能,可以对路面的交通流量和车辆载荷进行监控和调配.3 应用前景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.沥青路面在国外发达国家的高等级公路中应用较为成熟,美国沥青路面占94%,日本则占93%.我国高速公路起步较晚,但是发展迅猛.至今高速公路总里程超过2.5万km,居世界第二,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.可以预见,沥青混凝土在我国今后高速公路路面、城市道路路面、桥面铺装·3·第3期吴少鹏等:自诊断沥青混凝土及其应用前景 和飞机跑道的建设及其维修中将日益受到重视.据统计,我国高速公路约需消耗沥青350～400t /km (按四车道计),仅公路每年实际沥青消耗量已经突破600万t ,2004年全国新增高速公路就消耗沥青超过700万t ,其中进口沥青超过200万t ,沥青生产和应用过程中发生的费用超过1000亿元人民币.依据“十一五”规划,我国高速公路总里程将达到8.5万km ,其中新增里程近5万km ,沥青消耗量将超过3000万t ,因此沥青基复合材料结构的长期安全经济运行将对国民经济产生重大影响.虽然我国沥青路面的数量和质量有了较大的提高,但是由于交通量的迅速增长、载重车辆轴重的加大,致使沥青路面出现早期破坏的情况较为普遍.采用结构自诊断沥青混凝土后,利用其特有的压敏特性,可以通过观察路面的电阻变化来及时准确地判断沥青混凝土材料内部的损伤、裂纹和结构内部的位移、应力和应变.因此自诊断沥青混凝土的研究,将是对现有沥青路面路况评价标准的一次革命.参考文献[1] J TJ 073.2-2003,公路沥青路面养护技术规范[S ].[2] Chung D D L .Self -monitoring structural materials [J ].Ma -terials Scienc e and Engineering ,1998,22:57-78.[3] 吴少鹏,磨炼同,林振华.石油沥青及传导性能的研究[J ].国外建材科技,2001,22(Sup .):14-16.[4] 省部博之.导电高分子材料[M ].曹 镛,叶 成,朱道本译.北京:科学出版社,1989.[5] Wen Sihai ,Chung D D L .Effects of carbon black on thethermal ,mechani cal and electrical properties of pitch -ma -trix composites [J ].Carbon ,2004,42:2393-2397.[6] Chen Pu -Woei ,Chung D D L .Concrete as a new strain /stress sensor [J ].Composites Part B ,1996,27:11-23.[7] Shui Z H ,Li J Z .Study on the electrical properties ofcarbon fiber -ce ment composite [J ].Journal of Wuhan U -niv .of Tech .,1995,10(4):37-41.[8] Wu Shaopeng ,Mo Liantong ,Lin Zhenhua .An im -prove -ment of electrical pro perties 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electricall y conductive substance to com mon asphalt mixture .It is a nondestructive method of monitoring the strain and damage in time by analyzing the variation rule betw een r esistance and interior structure of pavement structure .The self -monitorin g asphalt c oncrete will has comprehensive application pr ospects in airport runwa y ,bridge deck and highway pavement .the optimization of c onductive materials ,g rada -tion design ,preparation method and the mechanism of self -monitoring are in tr oduced .The ser vice condition and health level of pavement can be learnt acco rding to the variation rule of r esistance signal during repeated loading ,which can instruct the conservation and maintenance of asphalt pavement .Key words :asphalt concrete ;self -monitoring ;electrically conductive ;pressur e -sensitiv e character·4· 华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版) 2005年。
