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导电沥青混凝土的机敏特性研究

作　者: 刘小明
导　师: 吴少鹏
学　校: 武汉理工大学
专　业: 建筑材料与工程
关键词: 沥青混凝土机敏特性电阻率自诊断 CT识别
分类号: TU528.42
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

沥青混凝土已被广泛应用于道路和桥梁的铺面层。通过掺入适量的导电相材料，能显著地改善其导电性能，并具有高度灵敏的机敏特性。可利用导电沥青混凝土的机敏特性来实现对外部应力及其产生的应变，甚至内部结构损伤的自诊断。这将会对沥青路面损坏检测、交通流量和车辆载荷进行监控和调配等公路交通智能化管理等产生深远的影响。采用连续级配AC-20和间断级配Superpave12.5均可获得同时具有优异电学性能和路用性能的沥青混凝土。马歇尔残留稳定度，四点弯曲疲劳试验，间接拉伸模量试验和车辙试验表明石墨导电沥青混凝土的抗水稳定性能力强，抗疲劳开裂能力较佳，弹性模量高，高温稳定性能良好，可作为新型路面使用。电阻率与空隙率之间遵从一定的指数关系。由于沥青与石墨的膨胀系数不一致，导致其电阻率随温度变化而发生变化。对于间接拉伸疲劳试验，四点弯曲小梁疲劳试验和车辙疲劳试验，导电沥青混凝土对外加应力所产生的应变具有良好的诊断能力。其电阻率变化呈现负压阻效应，石墨相材料掺量相对较低时(在阈值范围内)，单位应变对应的电阻率变化值也越大，也就是说对应变的响应越明显。当施加更高的应力荷载时，每单位应变所引起的电阻率变化值也更高。导电沥青混凝土对其内部损伤也有良好的自诊断能力，在试件遭到破坏的过程中，电阻率输出变化存在三个明显的阶段：首先由于导电沥青混凝土试件受到追密作用后导致导电颗粒接触更加紧密，表现为输出电阻率急剧下降；第二阶段，沥青混凝土电阻率变化处于平稳变化阶段；最后阶段，由于沥青混凝土的微细裂缝逐渐发展，最终导致试件的完全破坏和裂开，导电通路遭到严重破坏，表现为电阻率急剧增大。当导电沥青混凝土作为器件只占试件体积分数的一部分时，其路用性能与完全导电沥青混凝土相比有了大幅度的提高，而且仍然具有良好的机敏特性。当压阻效应从负开始转变为正压阻效应的时候，这时对应的车辙深度10mm就是影响舒适性和安全性的车辙深度临界值，因而车辙变形的自诊断具有特别重要的意义。导电沥青混凝土具有良好的机敏特性，机理可用载流子的浓度变化来解释，其电阻率与载流子浓度成反比。当试件受压时，总应变小于零，而且随着荷载的增加变的越来越负，受压后载流子浓度大于受压前，而且随着加载时间的延长越来越大，导致电阻逐渐减小。当试件受拉时，总应变大于零，导致受拉后载流子浓度小于受压前，而且随着加载时间的延长越来越小，电阻逐渐增大。采用CT破损识别能够证实电阻率的变化是由材料内部结构变化所引起的，疲劳破坏过程中电阻率出现下降或上升是由于材料内部空隙率下降或上升所导致的。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章引言  12-26
  1.1 研究背景  12-18
  1.2 国内外研究现状及应用前景  18-24
    1.2.1 国外研究现状  19-21
    1.2.2 国内研究现状  21-24
  1.3 研究内容及技术路线  24-26
    1.3.1 主要研究内容  24
    1.3.2 技术路线  24-26
第2章原材料与试验方法  26-43
  2.1 原材料  26-31
    2.1.1 沥青  26-27
    2.1.2 集料  27-29
    2.1.3 导电相材料  29-31
  2.2 试验仪器  31-33
  2.3 试件的制备及成型方法  33-36
  2.4 疲劳试验方法  36-43
    2.4.1 间接拉伸疲劳试验  39-40
    2.4.2 小梁四点弯曲疲劳试验  40-41
    2.4.3 车辙疲劳试验  41-43
第3章导电沥青混凝土的材料组成与设计  43-53
  3.1 Superpave12.5 级配  44-48
    3.1.1 配合比与矿料级配  44-46
    3.1.2 沥青用量优选  46-47
    3.1.3 马歇尔试验  47-48
  3.2 AC-20 级配  48-52
    3.2.1 配合比与矿料级配  48-50
    3.2.2 沥青用量优选  50-51
    3.2.3 马歇尔试验  51-52
  3.3 本章小结  52-53
第4章导电沥青混凝土的电学性能与路用性能  53-72
  4.1 导电沥青混凝土电学性能  53-64
    4.1.1 导电相对电阻率的影响  53-59
    4.1.2 空隙率对电阻率的影响  59-62
    4.1.3 温度对电阻率的影响  62-64
  4.2 导电沥青混凝土的路用性能  64-71
    4.2.1 水稳定性试验  65-66
    4.2.2 四点弯曲疲劳寿命试验  66-68
    4.2.3 间接拉伸模量试验  68-70
    4.2.4 车辙试验  70-71
  4.3 本章小结  71-72
第5章导电沥青混凝土的自诊断研究  72-100
  5.1 间接拉伸疲劳试验  72-85
    5.1.1 间接拉伸试验下的应力/应变自诊断研究  72-80
    5.1.2 机敏性灵敏系数的研究  80-81
    5.1.3 间接拉伸试验中对导电沥青混凝土损伤的自诊断研究  81-85
  5.2 小梁四点弯曲疲劳试验  85-91
    5.2.1 四点弯曲疲劳试验下的应力/应变自诊断研究  85-89
    5.2.2 四点弯曲疲劳试验中对试件模量下降的自诊断研究  89-91
  5.3 车辙疲劳试验  91-99
    5.3.1 车辙试验下的应力/应变的自诊断研究  91-96
    5.3.2 车辙试验中对试件车辙深度的自诊断研究  96-99
  5.4 本章小结  99-100
第6章导电沥青混凝土作为器件应用的自诊断研究  100-135
  6.1 试件的制备与路用性能研究  100-105
    6.1.1 试样制备  100-102
    6.1.2 导电沥青混凝土作为器件应用的路用性能研究  102-105
  6.2 导电沥青混凝土在圆柱体试件中应用的机敏性研究  105-115
    6.2.1 间接拉伸试验下的应力/应变自诊断研究  105-112
    6.2.2 间接拉伸试验下的损伤自诊断研究  112-115
  6.3 导电沥青混凝土在梁式试件内应用的机敏性研究  115-123
    6.3.1 四点弯曲试验下的应力/应变自诊断研究  115-121
    6.3.2 四点弯曲试验下的试件模量下降的自诊断研究  121-123
  6.4 导电沥青混凝土在车辙试件内应用的机敏性研究  123-134
    6.4.1 车辙试验下的应力/应变自诊断研究  123-129
    6.4.2 车辙试件内车辙深度的自诊断研究  129-134
  6.5 本章小结  134-135
第7章导电沥青混凝土机敏特性的机理研究  135-147
  7.1 导电复合材料导电机制概述  135-137
  7.2 导电沥青混凝土的导电机制  137-139
  7.3 导电沥青混凝土机敏特性机理分析  139-143
    7.3.1 导电沥青混凝土的机敏特性的串联模型  139
    7.3.2 载流子浓度的变化  139-140
    7.3.3 导电沥青混凝土压敏的 Burgers 模型  140-143
  7.4 导电沥青混凝土间接拉伸重复加卸载破损 CT 识别  143-146
    7.4.1 试验设备与试件制备  144-145
    7.4.2 试件内部结构损伤状态分析  145-146
  7.5 本章小结  146-147
第8章结论及建议  147-150
参考文献  150-157
致谢  157-158
附录  158
  1、博士研究生在学期间公开发表的学术论文  158
  2、博士研究生在学期间参与的科研项目  158

导电沥青混凝土的机敏特性研究

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