電極對(duì)結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土電阻率的影響

崔衛(wèi)平，孫長(zhǎng)軍，2，秦麗娟，陳 雷

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，唐山063210；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070）

瀝青是一種絕緣體，電阻高達(dá)107～109Ω，而集料、填料也均為不導(dǎo)電的礦石，因此，普通的瀝青混合料是一個(gè)絕緣體。在普通瀝青混合料中，加入石墨、鋼渣、碳纖維和鋼纖維等導(dǎo)電材料后，瀝青混合料就會(huì)具有了一定的電學(xué)性能，或者說(shuō)是壓敏性能，因此，可以通過(guò)自身電阻變化來(lái)感知材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)變和損傷的產(chǎn)生，將這些感知的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集、處理與分析，便可以為路面的預(yù)養(yǎng)護(hù)提供及時(shí)有效的決策信息。將這一類型的瀝青混凝土鋪筑在實(shí)際路面上，便稱之為結(jié)構(gòu)自診斷瀝青路面。它是材料、人工智能、信息及機(jī)械等學(xué)科高度發(fā)展與交叉的產(chǎn)物。這種方法簡(jiǎn)單靈活，重復(fù)性高，靈敏度高，對(duì)于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控并保證瀝青路面結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行具有很強(qiáng)的實(shí)用性，具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土的應(yīng)用中，電阻的檢測(cè)極為重要，電阻檢測(cè)的準(zhǔn)確與否對(duì)瀝青路面的服役性能評(píng)價(jià)至關(guān)重要。因此，對(duì)于電極的材料、尺寸等相關(guān)研究一直沒(méi)有停止過(guò)。如侯作富、李卓球［1］等人研究表明，不銹鋼鋼絲網(wǎng)作電極時(shí)，雖然所測(cè)的電阻率要稍高，但其可以與混凝土結(jié)合的更緊密。采用不銹鋼片作電極時(shí)，混凝土被明顯分割開(kāi)。因此，不銹鋼絲電極網(wǎng)可以有效改善整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。吳少鵬教授課題組［2－5］關(guān)于導(dǎo)電以及自診斷瀝青混凝土的研究，電極材料采用的也是不銹鋼絲網(wǎng)，但是并沒(méi)有對(duì)其在自診斷瀝青混凝土中對(duì)電阻變化的靈敏性方面作一些科學(xué)系統(tǒng)的研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

瀝青是武漢思立特公路物資有限公司提供的SK－70，70＃道路石油瀝青，針入度79（0.1mm），延度39cm（5cm／min，10℃），軟化點(diǎn)46.5℃。集料分為1＃料（9.5～16mm）、2＃料（4.75～9.5mm）、3＃料（2.36～4.75mm）、4＃料（0～2.36mm）四檔石料均采用石灰?guī)r。礦粉采用石灰?guī)r堿性石料磨細(xì)得到的礦粉，親水系數(shù)為0.8，無(wú)團(tuán)狀。石墨是由青島天盛石墨有限公司生產(chǎn)，其中含碳量約為99%，粒徑為150μm以下。碳纖維為鞍山東亞碳纖維有限公司生產(chǎn)的短切瀝青基碳纖維，其中含碳量大于90%，長(zhǎng)度4～7mm，抗拉強(qiáng)度1.68GPa。所選的電極為鐵網(wǎng)和不銹鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸是36mm2。不銹鋼材料為奧式體304鋼，其抗銹蝕、焊接性和塑性好，但強(qiáng)度稍低。具體的參數(shù)如表1所示。

表1 不銹鋼和鐵主要參數(shù)

1.2 方法

采用AC－13級(jí)配，以石墨和碳纖維兩種物質(zhì)作為導(dǎo)電相材料，成型時(shí)，在馬歇爾試件中，植入了不同尺寸的不銹鋼絲網(wǎng)和鐵網(wǎng)作為電極，分別進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差值，比較輸出的電信號(hào)的波動(dòng)和靈敏性，由此簡(jiǎn)單得出合適的自診斷瀝青混凝土的電阻材料和尺寸。在間接拉伸試驗(yàn)中，通過(guò)疲勞模式下的電阻變化規(guī)律，記錄電阻和位移的變化關(guān)系，確定輸出電信號(hào)的基本形式。

判斷試件電阻的波動(dòng)情況的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)放置不同電極試件所測(cè)電阻值的標(biāo)準(zhǔn)差大小來(lái)評(píng)定的。在數(shù)學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)差能反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度。一個(gè)較大的標(biāo)準(zhǔn)差，代表數(shù)值波動(dòng)較大，大部分?jǐn)?shù)值和平均值之間差異較大，越離散，則越不精確；反之，一個(gè)較小的標(biāo)準(zhǔn)差，代表這些數(shù)值波動(dòng)小，更接近平均值。在文中，通過(guò)計(jì)算各樣本所測(cè)的電阻的波動(dòng)情況，即所測(cè)試件的電阻率的標(biāo)準(zhǔn)差越大，說(shuō)明此電極波動(dòng)性越大，越不穩(wěn)定，所測(cè)數(shù)據(jù)越不精確；反之，標(biāo)準(zhǔn)差越小，所測(cè)數(shù)據(jù)越精確，電極越穩(wěn)定。

測(cè)試電阻時(shí)采用兩極法，每組測(cè)試有6個(gè)試件。對(duì)于沒(méi)有電極的空白樣品，采用兩個(gè)不銹鋼圓柱，錫焊接銅導(dǎo)線，電極與試件間用石墨粉填滿粗糙表面，不銹鋼圓柱重量相當(dāng)于施加了一定的壓力，改善電極與試件接觸界面，減少接觸電阻造成的試驗(yàn)誤差。

2 結(jié)果與討論

2.1 間接拉伸試驗(yàn)

由圖1可以看出，試件在間接拉伸過(guò)程中電阻隨時(shí)間的變化可以明顯分為3個(gè)階段。剛開(kāi)始加載后試件電阻大幅度的減小，且時(shí)間很短。這是由于受到荷載的作用，使混合料內(nèi)部的接觸變得緊密，從而形成了更多的導(dǎo)電通路，電信號(hào)的變化則表現(xiàn)為試件的輸出電阻率急劇下降；隨后是電阻變化不太明顯的平穩(wěn)階段，電阻幾乎沒(méi)有什么變化，此過(guò)程占整個(gè)間接拉伸過(guò)程的大部分。這是由于試件內(nèi)部開(kāi)始形成微裂縫，但在試件內(nèi)部同時(shí)還存在一個(gè)壓力的作用影響。壓密作用會(huì)使試件的電阻降低，存在于試件內(nèi)部的裂縫會(huì)使試件的輸出電阻增高，但在此階段由于壓密作用所引起的電阻率的減小超過(guò)了試件開(kāi)裂形成裂縫使電阻率增大帶來(lái)的影響，所以在此階段中電阻依然會(huì)緩慢下降，但是變化幅度很小，幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)；最后是電阻上升過(guò)程，此過(guò)程時(shí)間比較短暫。這是由于荷載的作用，瀝青混凝土試件內(nèi)部的微細(xì)裂縫會(huì)逐漸發(fā)展變大，裂縫則會(huì)連接在一起，并隨著加載的持續(xù)會(huì)逐漸壯大，至此導(dǎo)致的最終結(jié)果將會(huì)是馬歇爾試件的斷裂破壞，而由于存在于試件內(nèi)部的大裂縫阻礙其內(nèi)部的導(dǎo)電通路的原因，則會(huì)使輸出的電阻率急劇變大。

2.2 不同電極樣品電阻率

圖2（a）和圖2（b）分別顯示了不銹鋼網(wǎng)和鐵網(wǎng)作為電極時(shí)，試件的初始電阻。沒(méi)有植入電極的空白試件的電阻作為標(biāo)準(zhǔn)值參考。在圖2中，隨著電極尺寸面積的減小，試驗(yàn)的電阻值越來(lái)越趨于穩(wěn)定，接近空白試件的標(biāo)準(zhǔn)值。兩種不同材料的電極測(cè)試出的電阻都是先減小后增大，這是因?yàn)槭褂镁W(wǎng)狀電極和導(dǎo)電材料的瀝青混凝土接觸不均勻，有一定的尺寸效應(yīng)。當(dāng)電極面積尺寸降低到試件表面積的40%～60%時(shí)，測(cè)試電阻具有良好的穩(wěn)定性，與標(biāo)準(zhǔn)值相似。

如圖1所示，當(dāng)試件破壞時(shí)，電阻將會(huì)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。因此，還可以對(duì)兩種不同電極材料的結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土試件破壞時(shí)的電阻穩(wěn)定性進(jìn)行比較。圖3顯示了兩種電極制備的試件的電阻與初始電阻的變化趨勢(shì)相似。但是鐵網(wǎng)電極測(cè)試得到的結(jié)果更為分散。隨著電極面積尺寸的減小，當(dāng)電極面積尺寸降低到試件表面積60%時(shí)，電阻比較穩(wěn)定。

2.3 不同電極尺寸電阻率變異系數(shù)

圖4顯示了不同電極材料制備的試件在不同階段測(cè)試電阻的變異系數(shù)。在圖4（a）中，試驗(yàn)初始階段，試件電阻的變異系數(shù)呈拋物線型，先減小后增大。當(dāng)電極的面積減小到試件表面積的40%時(shí)，電阻的變異系數(shù)分別為5.5%和5.4%，表明測(cè)試的電阻值最為穩(wěn)定。在圖4（b）中，試驗(yàn)破壞階段，不銹鋼網(wǎng)電極的試件電阻的變異系數(shù)波動(dòng)比較明顯，而鐵網(wǎng)電極的試件測(cè)試電阻的變異趨于減小，逐漸穩(wěn)定，但是鐵網(wǎng)電極的試件電阻的離散性要大于不銹鋼網(wǎng)電極的試件。這是由于鐵網(wǎng)和不銹鋼網(wǎng)的內(nèi)在電阻造成的。

因此，從電阻的穩(wěn)定性及電極材料的成本角度看，不銹鋼網(wǎng)作為電極優(yōu)于鐵網(wǎng)。當(dāng)電極尺寸減少到試件表面積的40% ～60%時(shí)，測(cè)試電阻更加穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

a.在間接拉伸試驗(yàn)條件下，自診斷瀝青混凝土對(duì)內(nèi)部損傷具有良好的自診斷能力。其電阻隨自診斷瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化可以分為三個(gè)階段，即電阻迅速下降——緩慢下降——突變。

b.在間接拉伸試驗(yàn)條件下，當(dāng)以鐵網(wǎng)作為電極時(shí)，自診斷瀝青混凝土的輸出電阻比以不銹鋼網(wǎng)做電極時(shí)的波動(dòng)性大。

c.在間接拉伸試驗(yàn)條件下，當(dāng)電極尺寸為橫截面積的40%～60%時(shí)，所測(cè)得自診斷瀝青混凝土的輸出電阻率最為穩(wěn)定。

［1］ 侯作富，李卓球，王建軍.電極對(duì)碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱混凝土性能的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（9）：45－47.

［2］ Xiaoming Liu，Shaopeng Wu.Research on the Conductive Asphalt Concrete’s Piezoresistivity Effect and Its Mechanism［J］.Construction and Building Materials，2009（23）：2752.

［3］ Xiaoming Liu，Shaopeng Wu.Study on the Graphite and Carbon Fiber Modified Asphalt Concrete［J］.Construction and Building Materials，2011，25：1807.

［4］ Xiaoming Liu，Shaopeng Wu，Qunshan Ye，et al.Properties Evaluation of Asphalt－based Composites with Graphite and Mine Powders［J］.Construction and Building Materials，2008，22：121.

［5］ Shaopeng Wu，Liantong Mo，Zhonghe Shui，et al.Investigation of the Conductivity of Asphalt Concrete Containing Conductive Fillers［J］.Carbon，2005，43：1358－1363.