钢渣石墨导电沥青混凝土的研究

论文摘要

导电沥青混凝土在实现沥青路面融雪除冰、安全监测、智能化管理等方面具有重要作用和广阔应用前景。传统的导电沥青混凝土主要是在沥青混凝土中间掺加碳纤维、石墨等导电相材料,而其中占混凝土大部分体积的集料并没有起到提高导电性能的作用,相反还隔断了部分导电网络。本文提出利用本身具有一定导电性能的钢渣掺加适量的石墨粉制备导电沥青混凝土的技术思路,从材料的组成设计、导电性能、路用性能、电热有限元模拟与融雪除冰实验,以及导电机理等方面开展了系统的研究。本文进行的主要工作和取得的重要成果有:分析讨论了不同沥青混凝土结构类型的特征,提出钢渣石墨导电沥青混凝土矿料级配宜采用沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)级配设计方法,设计出钢渣石墨导电沥青混凝土的合理级配,通过马歇尔混合料设计法确定了钢渣石墨导电沥青混凝土最佳沥青用量。借助沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)的级配结构以及设计思路合理设计材料的组成,全部采用钢渣作为集料成功研制出电阻率小于5Ω·m并具有优良路用性能和电阻稳定性的钢渣石墨导电混凝土,较大幅度地降低了导电混凝土制造成本;通过寒冷气候条件下的导电混凝土融雪化冰实验证实了利用钢渣石墨导电混凝土进行融雪化冰的可行性。研究不同钢渣掺量下钢渣石墨导电沥青混凝土电阻率变化情况,对不同石墨掺量下全部采用钢渣制备的石墨导电沥青混凝土与采用玄武岩制备的导电沥青混凝土的电阻率进行对比分析。并开展了钢渣石墨导电沥青混凝土电阻随时间的变化的稳定性、电阻随温度变化的稳定性、电阻随压力变化的稳定性以及围绕钢渣在沥青混凝土中是否会发生锈蚀对导电性能的影响研究。研究不同石墨掺量下钢渣石墨导电沥青混凝土的马歇尔稳定度。通过浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比试验对钢渣石墨导电沥青混凝土水稳定性进行了研究,通过车辙试验对钢渣石墨导电沥青混凝土高温稳定性进行了研究。成功制备出满足路用性能要求的钢渣石墨导电沥青混凝土。建立了钢渣石墨导电沥青混凝土的温度场模型,利用ANSYS有限元分析软件分析了钢渣石墨导电沥青混凝土恒定温度下电热效应温度场分布,并与实际测试结果进行对比分析。对导电试块的野外融雪试验效果进行研究。研究结果表明:在石墨掺量25%,电阻率在5Ω·m以下时,36V电压下通电43分钟雪水能够全部融化。通过欧姆特性试验,结合复合材料的导电机理以及SEM扫描电镜图像对钢渣石墨导电沥青混凝土的导电机理进行分析。试验结果表明:与复合材料的导电机理类似,钢渣石墨导电沥青混凝土同样存在导电通道学说、隧道效应和场致发射效应三种导电机制。钢渣石墨导电沥青混凝土较普通集料石墨导电沥青混凝土存在更多连通的导电通道。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 钢渣在路面工程中的应用
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 钢渣的分类
• 1.2.3 钢渣在路面工程中的应用
• 1.3 导电混凝土的研究现状
• 1.4 钢渣石墨导电沥青混凝土研究意义
• 1.5 研究内容
• 第二章 钢渣石墨导电沥青混凝土的组成设计
• 2.1 原材料
• 2.1.1 沥青
• 2.1.2 集料
• 2.1.3 填料（矿粉）
• 2.1.4 纤维稳定添加剂
• 2.1.5 导电相材料
• 2.2 配合比设计
• 2.2.1 沥青混合料结构类型
• 2.2.2 试验级配
• 2.2.3 最佳沥青用量
• 第三章 钢渣石墨导电沥青混凝土导电性能
• 3.1 导电试块的制备及测试方法
• 3.2 钢渣石墨导电沥青混凝土导电性能影响因素
• 3.2.1 钢渣对导电性能的影响
• 3.2.2 石墨对导电性能的影响
• 3.3 钢渣石墨导电沥青混凝土的电阻稳定性
• 3.3.1 电阻率随时间变化的稳定性
• 3.3.2 温度变化对钢渣石墨导电沥青混凝土电阻的影响
• 3.3.3 压力变化对钢渣石墨导电沥青混凝土电阻的影响
• 3.3.4 钢渣石墨导电沥青混凝土的电阻在氯盐溶液中的稳定性
• 第四章 钢渣石墨导电沥青混凝土路用性能
• 4.1 马歇尔稳定度
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 实验仪器
• 4.1.3 试验结果及分析
• 4.2 水稳定性
• 4.2.1 水稳定性试验评价方法
• 4.2.2 水稳定性能实验结果
• 4.3 高温稳定性能
• 4.3.1 车辙的形成机理及种类
• 4.3.2 车辙的防治方法
• 4.3.3 高温稳定性能的试验方法及规范要求
• 4.3.4 车辙试验结果
• 4.3.5 试验结果分析
• 第五章 钢渣石墨导电混凝土的融雪化冰实验及其有限元分析
• 5.1 有限元分析前处理
• 5.1.1 模型的建立
• 5.1.2 热力学基本理论
• 5.1.3 材料参数的选择
• 5.1.4 网格划分
• 5.1.5 初始条件和边界条件
• 5.2 有限元分析结果及实测结果
• 5.2.1 电热温度场的有限元模拟结果
• 5.2.2 电热效应温度场分布测试结果
• 5.2.3 有限元结果与实测结果对比
• 5.3 融雪试验
• 第六章 钢渣石墨导电沥青混凝土机理研究
• 6.1 复合导电材料的导电机理
• 6.2 石墨导电沥青混凝土的导电机理
• 6.3 钢渣石墨导电沥青混凝土导电机理
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及参研项目
• 致谢