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碳纤维性能对导电沥青混凝土体积和欧姆加热的影响
Mohammad Ali Notani; Ali Arabzadeh, Ph.D.; Halil Ceylan, Ph.D., A.M.ASCE; Sunghwan Kim, Ph.D., P.E., A.M.ASCE; and Kasthurirangan Gopalakrishnan, Ph.D., A.M.ASCE
摘要:本实验研究了不同来源和不同长度的碳纤维对导电沥青混凝土（electrically conductive asphalt concrete，下称ECAC）体积性能、体积电阻率和产热效率的影响。这种类型的混凝土适用于关键区域的路面防结冰和除冰，如机场，其表面无冰雪是至关重要的。结果表明，碳纤维长度的增加使ECAC的空隙率、矿质骨料中的空隙率降低，沥青填充的空隙率增加。碳纤维的来源影响ECAC的导电性和产热能力，减少碳纤维长度可降低ECAC的体积电阻率，提高产热效率。利用对ECAC圆筒形试样的体积电阻率和发热特性进行分析的结果，制备了ECAC板。在实验室模拟的严酷冬季条件下，ECAC板可以融化一层致密的冰层。
DOI: 10.1061 /（第3期）mt.1943 - 5533.0002868。copy;2019美国土木工程师学会。
关键词:导电；沥青混凝土；防冰和除冰；碳纤维；路面加热系统
0 引言
在机场的铺砌区域，冰雪的存在使飞机容易打滑，导致起飞、降落和滑行问题，最终导致航班取消——特别是当铺砌表面的雪厚度超过13毫米时（FAA 1965）。虽然喷洒除冰化学品是为机场跑道、停机坪和滑道提供可接受的表面条件的常见方法，但如果温度降至minus;3.9°C以下，氯化钠等除冰化学品无法有效地消除此类冰（Chen等，2011年）。最近一系列的研究也证明了使用除冰化学品会导致生物降解相关的环境问题（EPA 2000, 2012），根据美国联邦航空管理局（FAA），应限制使用除冰化学品（FAA 2008）。
此外，通常采用的除雪/除冰的机械方法有时无法清除路面上的所有积雪/冰，也就是说，无论除雪设备通过多少次，路面上总是留有一层薄薄的雪/冰。一些昂贵的机械方法也会损坏路面（Nixon 1993）。除了这些问题之外，机械除雪方法往往不能有效地清除滑行道和停机坪上的雪/冰，因为这些区域通常都很拥挤（尤其是停机坪），或者有特殊的几何设计限制了除雪设备的操作，使得机械除雪方法既耗时又无效。
最近的几项研究提出了缓解机场冬季相关问题的替代方法，包括在路面表面覆盖超疏水涂层、导电水泥混凝土，或在热拌沥青（hot-mix asphalt，下称HMA）路面中嵌入循环水管（Arabzadeh et al. 2016, 2017a;Pan等人2015a;Loomans等，2003;Sassani等人2017,2018b;Arabzadeh等，2017b, 2018a;Anand等人，2017）。导电沥青混凝土（ECAC）可以作为具有防冰和除冰能力的特殊工程机场表面的另一种选择。一般来说,HMA不导电,也就是说,传统HMA由于骨料体积电阻率高,沥青结合料,及填料有高电阻电流（Shao-Peng et al . 2002年）,它可以表示,移动的带电粒子通过导电路径/网络内ECAC以热能的形式释放一些能量,这一过程称为电阻加热。在这种情况下，电流通过ECAC在原子和分子水平上通过带电粒子和导电材料之间的相互作用产生热量。此外，影响沥青混合料自愈合机理的关键因素之一是温度（Garciacute;a et al. 2014;Notani and Mokhtarnejad 2018; Notani et al. 2019） ECAC可以通过提高混合料的温度到一定温度来提高其自愈性能。
之前的研究表明,可以通过掺入导电添加剂如炭黑、石墨粉、碳纤维、钢丝绒,和其他固体颗粒,如钢渣减少沥青混凝土的体积电阻率,从原来的电阻率值约1010 - 103Omega;·cm（Pan et al . 2015 b;Garciacute;a等，2011）。有报道称，使用这些添加剂可以提高沥青混凝土的导电性（Wu et al. 2013;黄等，2009）。在导电添加剂中，碳纤维具有较高的耐高温性（熔点约为1000°c），并且与沥青粘合剂的相容性较好，因此是加入HMA的合适候选材料（Abtahi et al. 2010）。Wang et al.（2016）研究了碳纤维改性沥青混合料的微波愈合能力，在他们的研究中，他们使用6 mm 碳纤维来提高沥青混合料的电导率。Vo et al.（2017）采用5 mm 碳纤维增强沥青混合料的导电性，他们证明掺入1%的碳纤维显著提高了沥青混合料的导热系数。碳纤维提高了HMA的力学性能，同时也大大提高了HMA的导电性（Abtahi et al. 2010;Moghadas Nejad等，2014）。根据现有文献，尽管碳纤维可以显著提高HMA的导电性，但由于碳纤维在搅拌过程中的絮凝作用，其在沥青混凝土中的分散是一项复杂的任务（Wu et al. 2005）。
本研究的主要目的是评估不同的碳纤维对混合设计中ECAC的体积性能、体积电阻率和加热性能的影响，然后确定一种有前途的混合设计过程，使HMA中具有可接受的碳纤维分布，从而产生能够有效熔化冰和雪的ECAC。为此，研究了一组不同长度和来源的碳纤维，以确定它们对以直径为152毫米、高度为114毫米的旋转试样制作的ECAC试样的混合设计体积性能、体积电阻率和产热效率的影响。在对从旋转试样获得的数据进行分析以确定最佳碳纤维源和长度后，使用线性揉捏压实机（linear kneading compactor，下称LKC）对ECAC板进行压实。然后对ECAC样品的性能进行测试，即在冰点以下的温度下产生足够的热量融化稠密的冰层，并模拟在严酷的冬天可能发生的情况。
1 材料和方法
1.1 材料
采用性能等级58 ~ 28的沥青混合料。从两个不同的商业制造公司/来源（A和B）获得了六种不同长度（3，6和12毫米）的碳纤维类型。这些碳纤维类型使用聚丙烯腈制造。表1列出了从每个来源获得的碳纤维的物理特性。
图1显示了从两种来源获得的3毫米碳纤维。可以看出，从B源得到的碳纤维比从A源得到的碳纤维更捆绑；这可以归因于来源B的碳纤维及其生产过程中存在的水分。为了提供更多关于从A源获得的更高的电导率和更强的产热能力的信息，对用3毫米碳纤维制作的样品进行了扫描电子显微镜分析，并获得了元素图。表2给出了元素映射测试结果，根据该结果，硅和氧存在于碳纤维的表面。这两种元素证明了碳纤维的表面覆盖着二氧化硅。硅基摩擦膜对于提供磨损保护和低摩擦是至关重要的，硅基材料的数量对减少碳纤维中的磨损起着关键作用（Zhang et al. 2015）。已经证明，在生成碳纤维的情况下，仅以重量为0.05%的二氧化硅就足以增强碳纤维的表面摩擦学行为（Ouml;sterle et al. 2016）。因此，硅在碳纤维生产过程中的施用量很低（重量约为0.05%）。此外，硅基化合物是电绝缘的，因此为保持碳纤维的电导率，碳纤维的表面应覆盖尽可能少的二氧化硅。
表1 碳纤维的性能 图1 不同来源碳纤维的表观特征
表2 3毫米碳纤维元素映射测试结果
1.2 圆柱形和平板ECAC试样制备
为了制备ECAC试件，制备了几种试验混合料，以寻找在不同碳纤维长度下制备的对ECAC体积性能影响最小的最佳骨料级配。结果，选择了最佳骨料级配（图2），这样不同长度的碳纤维对ECAC体积性能的影响将最小。本研究中使用的石灰石骨料来自爱荷华州Martin Marietta-Ames矿山。
图2 骨料级配
需要注意的是，与常规HMA相比，碳纤维掺入HMA增加了混合时间和所需的压力。在之前的研究中（Arabzadeh et al. 2018a, b），作者研究了不同碳纤维用量对沥青混合料电导率变化的影响，结果表明，在沥青混合料总体积中加入1% 碳纤维后，其电导率显著提高。因此，在本研究中--研究碳纤维的大小和来源对电导率和产热性能的影响--我们决定使用碳纤维含量为1%的HMA。
此外，在另一项研究中，研究了团聚体的存在对导电水泥基材料的渗透行为的影响，发现在相同体积含量的情况下，有/没有团聚体存在的碳纤维开始渗透（Sassani等人，2018a）。在本研究中，通过研究粘结剂含量对几个试验混合料（每个试验混合料中含有1%的12 mm 碳纤维）达到4%空隙率的影响，确定6.3%的沥青含量可以获得可使用的沥青混合料。选用6.3%沥青掺量的原因是当沥青掺量较低时ECAC呈海绵状，当沥青掺量较高时ECAC开始流动。需要注意的是，为了使碳纤维在HMA中均匀分布，并克服碳纤维在整个HMA中的分离问题，碳纤维与骨料在室温和湿条件下（含水量4%）在霍巴特混合器中混合，碳纤维与骨料在室温和潮湿条件下混合的基本原理是为了避免在混合过程中碳纤维的飞散（或丢失）和絮凝，最终使碳纤维在整个骨料混合料中得到良好的分布。将干燥后的碳纤维-骨料共混料放入110℃烘箱中搅拌24 h。将干燥后的碳纤维-骨料共混料放入烘箱中，150℃加热3 h，沥青结合剂搅拌2 h；然后在150℃下混合3分钟。沥青混合料在选择的温度为150°C时是可操作的，由于沥青中的氧化和老化，没有尝试更高的混合温度（Fini et al. 2016;Notani等，2018）。最后，将所得混合物置于135°C的烘箱中2 h，模拟短期老化。决定在恒定体积（2078 cm3）和重量（4700 g）下制造整个圆柱形ECAC试样，以确保所有试样的体积和重量相同，从而准确评估不同碳纤维长度对体积特性的影响。因此，对于每一种碳纤维类型，使用旋转压实机在恒定高度为114 mm的条件下制备5个圆柱形试样。制作这个数量的旋转样品提供了三个样品/复制品来表征体积电阻率和热产生效率，同时还提供了两个样品/复制品来测量ECAC体积特性。为了进行体积电阻率测量，然后进行加热试验，将铜箔（即在压实过程开始前，将电极）放置在试样的底部和顶部，使其在压实后完全粘附在试样上，保证良好的接触。图3（a）显示了圆柱形试样顶部和底部有铜箔的ECAC试样。
为了模拟现场性能，研究ECAC在冰雪融化条件下的产热效率，采用了一组ECAC板坯试件[图3（b）]- -有三个复制品--使用LKC，在最优碳纤维类型识别的基础上进行分析，从圆筒旋转试样获得的数据。每块板压缩两次；首先，压实25mm（约1 英寸）的ECAC，然后嵌入钢管（即电极）。之后，对ECAC的第二次提升进行压实。
图3 ECAC试样：（a）ECAC圆柱形试样；（b）ECAC板试样
1.3 ECAC温度调节
为了进行体积电阻率测量，然后表征发热效率和融冰能力，所有ECAC样品（圆柱型和平板型）被放置在设置为minus;20°C的环境室（配有两个风扇和一个除湿器）中。风机使室内空气不断循环，保证温度分布均匀。为保证测量精度，除湿机组将相对湿度保持在最低限度（如6%）。
1.4 体积电阻率测量
体积电阻率是一种材料的固有特性，它量化了材料允许电流通过的能力（Lowrie 2007）。材料的体积电阻率越低，材料的导电能力就越强。材料的体积电阻率取决于其横截面。（如电极与材料的接触面积）和用于施加电势场的电极之间的距离。体积电阻率可以用欧姆定律计算。[公式（1）]
（1）
rho; 表示体积电阻率，（Omega;·cm）；R 表示 ECAC试样的实测电阻（Omega;）；S 表示电极-材料接触面积，单位为cm2；L 表示电极间距离，单位cm。ECAC试样的电阻率测量使用两种类型的探针（即，在圆
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