摘 要

为了解决冬季道路结冰影响交通安全的问题，研究人员们开发出了许多具有融雪化冰功能的路面材料。然而，为了在服役的路面上也能实现加热功能，需要制备出一种具有感应加热融雪化冰功能的超薄磨耗层材料，以解决道路结冰造成的安全问题。本文从功能性沥青混凝土的原料组成设计、马歇尔实验、抗滑性能、感应加热性能等方面进行研究，探索钢纤维掺入量以及钢渣对沥青混凝土各相关方面性能的影响。

实验结果表明，掺入适量钢纤维能够增加沥青混合料的马歇尔稳定度，而掺入钢渣则会降低沥青混合料的马歇尔稳定度，所有沥青混合料的马歇尔稳定度和流值均能符合规范要求。掺入一定含量的钢渣和钢纤维能显著提升沥青混凝土的感应加热性能，且掺入钢纤维和钢渣不会引起沥青混合料表面特性的明显变化，对路面抗滑性能影响较小。

本文通过对沥青混合料的性能测试，总结了沥青混合料在测试中展现出的性能规律，优化了具有感应加热功能的超薄磨耗层材料的设计制备方法，进而能够解决冬季道路结冰的问题。

关键词：导电沥青混凝土；组成设计；感应加热；钢纤维；钢渣

Abstract

In order to solve the problem of traffic safety caused by ice formation on winter roads, researchers have developed many pavement materials that have the function of melting snow and ice. However, in order to realize the heating function on the service road surface, it is necessary to prepare an ultra-thin abrasion layer material having the function of induction heating of melting snow and ice to solve the safety problem caused by road ice formation. This paper studies the functional composition of asphalt concrete, Marshall's experiments, anti-slip performance, and induction heating performance, and explores the influence of steel fiber incorporation and steel slag on the performance of asphalt concrete.

The experimental results show that the addition of appropriate amount of steel fiber can increase the Marshall stability of asphalt mixture, and the incorporation of steel slag can reduce the Marshall stability of asphalt mixture. The Marshall stability and flow values of all asphalt mixtures can meet the requirements of the specification. The incorporation of a certain amount of steel slag and steel fiber can significantly improve the induction heating performance of asphalt concrete, and the incorporation of steel fiber and steel slag will not cause significant changes in the surface characteristics of the asphalt mixture, and has little effect on the anti-sliding performance of the pavement.

This article through the performance test of asphalt mixture, summed up the performance rules exhibited by the asphalt mixture in the test, optimized the design and preparation method of the ultra-thin wear layer material with induction heating function, and then can solve the road ice problem in winter.

Key words：conductive asphalt concrete; composition design; induction heating performance; steel fiber; steel slag

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 研究内容及技术路线 5

1.3.1 研究内容 5

1.3.2 技术路线 6

第2章 原材料和实验方法 7

2.1 实验原材料 7

2.1.1 沥青 7

2.1.2 集料 8

2.2 实验方法 9

2.2.1 仪器设备 9

2.2.2 沥青性能表征 9

2.2.3 功能型超薄磨耗层材料的制备 12

2.2.4 原料级配和油石比设计 15

第3章 功能型超薄磨耗层材料性能研究 16

3.1 马歇尔稳定度及流值 16

3.2 抗滑性能 18

3.2.1 摆值 18

3.2.2 表面构造深度 18

3.3 感应加热性能 19

3.4 测试结果分析 21

第4章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 23

参考文献 24

致谢 26

绪论

研究背景及意义

近几十年来，随着我国经济的高速发展，中国的道路建设的数量也迅速增加。由于沥青路面^{[1, 2]}具有行车平稳、施工和养护方便、通车较快等众多优点，沥青路面在我国道路建设中的比例越来越高，但也会带来一些交通安全问题。我国大部分省份位于温带地区，温带地区一个很显著的特点就是四季变化较为明显，冬季温度很低，多雨雪。而且我国北方地区尤其是东北地区和西北地区，降雪初期较早而终雪期却很晚，降雪期约为4-5个月，而长江中下游的降雪期也接近3个月。众所周知，影响寒冷地区冬季道路交通安全和畅通的一个大问题就是降雪、雨夹雪和冻雨等恶劣天气。

据报道，冬季道路表面结冰^{[3, 4]}引起了寒冷地区25%-30%的交通事故，尤其是在桥梁和铁路等容易结冰的部分。一个典型的实例便是2008年我国南方地区的严重冰雪灾害，那场冰雪灾害对湖北湖南等南方省份的道路交通产生了极大影响。当时正值春运高峰期，高速公路上车流量比平时高出很多，恶劣天气导致高速公路路面结冰，车辆容易打滑而出现交通事故，进而导致车辆拥堵停滞不前，对人流和货物的流通造成严重影响，也对国家经济造成了严重危害。因此，为了保证道路桥梁的正常运作，需要运用高效的方法来清除冰雪。

目前，路面最常用的除冰雪方式主要有被动式和主动式，被动式除冰雪主要包括撒布融雪剂^[5]、人工除雪和机械除雪^[6]等。那次冰雪灾害中采用的便是被动式除冰雪。然而，融雪剂（化学盐）由于它发挥作用的温度范围有限，当温度降至-3.9℃以下时，大多数盐（NaCl）便不能使冰继续融化了，而且化学盐的使用也会导致混凝土的腐蚀和环境污染，因此融雪剂的应用会产生明显的负面影响。而主动式除冰雪的一个重要特点，就是通过对路面进行各种形式的加热使其升温，从而防止路面结冰，对由导电沥青混凝土制成的超薄沥青磨耗层通电加热就是一种主动式的除冰雪方式。

导电沥青混凝土^{[7, 8]}是一种具有一定导电性的新型复合材料，通过在普通沥青混合料中掺入一定的导电相材料^[9]，使沥青混凝土在适当条件下具备一定的导电性。这种新型复合材料具有广阔的应用范围，它可以通过通电加热的方式达到融雪化冰的目的，因此可用于冬季降雪天气路面的各种结冰路段。石墨、碳纤维和钢纤维都是导电沥青混凝土中常用的重要导电相材料。本实验拟制备钢纤维导电沥青混凝土，并通过感应加热来实现路面融雪化冰。感应加热的原理是电磁感应^[10]和焦耳效应，钢纤维导电沥青混凝土中的钢纤维形成闭合回路，根据法拉第电磁感应定律，闭合回路在施加的磁场作用下产生感应电流，并通过焦耳效应产生热量。同时，在沥青路面出现微裂纹时，通过感应加热可提高沥青温度，使其在高温条件下粘度降低，通过扩散流动来实现微裂纹自愈合^[11]。此外，拥有良好的内部损伤自监测性能也是导电沥青混凝土的一个重要特性，材料内部孔隙度变化会导致其电阻率发生改变 ^[12]，因此，可通过测定导电沥青混凝土的电阻率是否改变，来判断其内部损伤的发展。

钢渣作为炼钢过程当中的废弃物，随着钢铁工业的发展其产量已逐年增加。大量的积渣容易造成水污染、土壤污染等环境问题。同时，随着我国道路建设的突飞猛进，对各种石料的需求也与日俱增，对石料的大量开采也导致其品质逐渐下降。因而，使用钢渣作为导电沥青混凝土中的骨料，既可以减少环境污染，又能节省原材料成本。

超薄磨耗层，是铺筑在路面上的一种沥青面层。之所以称其为超薄磨耗层，是因为其厚度远低于一般路面层，厚度仅有15-25mm。它是一种大多采用断级配和改性沥青的新型路面养护材料。和传统的沥青加铺层相比，它具备更好的路用性能。矿粉、集料和沥青结合料等原料是超薄磨耗层的主要组成材料，其中沥青结合料的种类和质量对超薄磨耗层的影响相对更大。它具有许多优良的特点，比如提高路面平整度、耐磨、抗滑、降噪音、改善路面行驶安全性舒适性和施工方便等，具体来说包括以下几个方面：

1) 其施工时间短、摊铺速度快的特点可以极大减轻施工过程对交通的影响；

2) 改性乳化沥青可形成防水层，不仅能与改性沥青热面罩发生超强粘结，而且还可以维护路基免受水的侵蚀，从而起到避免路面松散和维护路基的作用；

3) 提高路面摩擦系数和排水能力，保证道路安全性能；

4) 路面具备较好的抗老化变形性能，降低成本，提高使用寿命，具有优良的经济效益和社会效益。

根据超薄沥青磨耗层的特点，其应用范围主要包括：高等级沥青或水泥路面的预防性维护^[13]、对小型或中型病害的纠正性防护、新建道路的表面磨耗层以及需要快速开放交通的路面等，在各地公路养护施工中得到了普及使用。

本研究致力于解决路面融雪化冰和路面养护这两种问题，基于钢纤维导电沥青混合料和超薄磨耗层技术，设计制备具有融雪化冰等功能的功能性超薄磨耗层并研究其相关性能，使其在实现道路预养护的同时具有感应加热融雪化冰功能。该研究对于快速清除路面冰雪、修复路面微裂纹、保证道路安全畅通、延长路面服役寿命、节约养护资源和资金等都具有重要的战略意义。

国内外研究现状

1. 超薄磨耗层技术研究现状

作为路面养护材料，超薄磨耗层已经在国外研究和使用了几十年。法国作为最先研究和使用超薄磨耗层的国家，最先研发了4cm厚的密集配沥青磨耗层，但由于经济因素急需研发成本更低的路面养护技术，所以在上世纪80年代，开发了厚度为20-25mm厚的间断级配薄层沥青磨耗层，这种间断级配的磨耗层的特点是采用改性沥青和高含量的粘合剂来改良宏观构造，并加入纤维以提高耐久性。在20世纪90年代，法国又开发出15-20mm厚的超薄沥青磨耗层^[14]，这类磨耗层也成为了一种预养护用超薄沥青磨耗层。继法国之后，其他欧美国家也开展了超薄磨耗层技术的研究，发展现状如下：

西班牙在新路面建设和老路面养护中使用薄层沥青混凝土，这种薄层沥青混凝土更偏向用于交通量较大的路面层养护。由于薄层沥青混凝土具有较高粗糙度、优良的平整度、较低的噪声和较高的耐久性，因此在高速公路上得到了广泛应用。

美国于上世纪90年代开始借鉴引进法国的技术和设备，实际上在上世纪70年代，为了代替传统的表面处理技术，美国便研发了开级配抗滑磨耗层技术^[15]，这类开级配抗滑磨耗层也属于超薄磨耗层中的一种，其厚度约为19-25mm。该技术主要提供更好的防滑性，可显著提高道路安全性，并减少交通事故的发生。但这类技术却并不具有排水性能，因而与欧洲排水性的沥青路面仍然有不同之处。这类开级配抗滑磨耗层中存在一些严重问题，譬如快速氧化、松散和脱层等。对于这些问题，可通过添加熟石灰作为抗剥离剂，使用改性沥青来增加干燥度，并确保骨料被充分干燥以改善与沥青之间的粘合力来解决。

另外，英国、波兰、瑞典等国也在20世纪90年代先后进行了超薄沥青混凝土试验路的铺筑，在最大粒径、空隙率和级配等方面各有不同，但是性能都取得了优异的表现。

超薄磨耗层于2002年进入中国后，凭借其安全、舒适、经济等优良性能，受到了广泛的关注，在许多省份得到推广应用并取得了良好的效果。

超薄沥青磨耗层在我国的探索和使用较早，在上世纪80年代我国许多地方就开始普遍采用热拌沥青混合料罩面，铺筑厚度约为20毫米，但当时并未明确称为超薄磨耗层。但是由于当时条件限制，这种沥青罩面并没有严格的级配，使用的沥青也大都粘度较低，路面构造深度较小，在实际使用中道路常出现脱皮等问题，因此在性能上还并不理想。到21世纪之后，国内高速公路的维护中使用超薄沥青磨耗层已经开始普遍，但在城市道路工程中应用较少（主要由于城市道路组成复杂性，交通来源多样性，施工的不便性等），超薄磨耗层技术在我国高速公路领域开始得到普遍推广。2001年的一项关于超薄沥青磨耗层研究的西部交通科技项目经由了一系列的实验钻研，最终取得了多项重大成果^[16]。这些重大成果为超薄磨耗层技术在一些省份的成功推广起到了重要的促进作用，许多省份在高速公路上应用的超薄磨耗层性能表现良好。

在这个阶段，沥青路面的耐久性仍然是学者们研究最多的领域。随着研究的进一步深入以及材料性能的进一步提升，沥青路面耐久性的问题也会逐渐得到解决。在未来，有关生态友好、节能减排的新材料新技术的研究利用将取代沥青路面的耐久性从而成为研究的重点领域^{[17, 18]}。

2. 导电沥青混凝土研究现状

(1) 钢纤维导电沥青混凝土

钢纤维是一种长径比在40-80范围内的纤维，它是通过切割细钢丝、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水的快速冷凝而制成的。其主要用于制造钢纤维混凝土，它可以起到强化混凝土的作用。

钢纤维导电沥青混凝土在路面融雪化冰方面拥有普遍的运用。代尔夫特理工大学Eric Schlangen^[19]等人研究发现添加长径比大的钢纤维更能增加导电沥青混凝土的导电性，而长径比小的钢纤维则具有更好的强化性能。还发现感应加热可以提高导电沥青混凝土的自愈率，显著延长了导电沥青混凝土的疲劳寿命。

国内对于应用超薄磨耗层技术的钢纤维导电沥青混凝土的感应加热性能也有着广泛的研究。武汉理工大学孙艺涵^[20]等人研究发现，使用感应加热的钢纤维导电沥青混合料，能显著表现出融雪化冰的性能，冰的平均融化速率可提升至10g/min以上，但是融化的冰雪中的湿气在裂纹表面阻止了沥青混合料的自愈合，在冰雪融化之后，需要另一个加热过程来促进沥青混合料裂纹的自愈合。武汉理工大学吴少鹏等人^[21]通过对温拌沥青混合料和热拌沥青混合料的感应愈合行为进行研究，发现温拌沥青和热拌沥青具有相似的感应加热速度，基于Aspha-Min的温拌沥青的抗疲劳性能略高于热拌沥青，感应加热可以提高温拌沥青混合料的耐久性，温拌加热沥青混合料的最佳感应加热温度比热拌沥青混合料略低，并且两种混合料自愈率都高度依赖于应变，在中等微应变幅度下获得最佳愈合率。此外吴少鹏^[22]等人的研究还发现，在较低温度下，沥青混合料的断裂模式主要是粘结断裂，在高温下，它是粘性断裂，在应变加载速率相同的情况下，随着温度升高，沥青混合料的直接拉伸强度（DTS）会降低。

(2) 钢渣导电沥青混凝土

国内关于钢渣导电沥青混凝土的探究也有很多。武汉理工大学吴少鹏^[23]等人研究表明，使用钢渣作为骨料可以生产性能符合要求的导电沥青混凝土，钢渣能大大提高沥青混凝土的导电性能，当石墨粉和碳纤维两种导电材料时再掺入时，石墨对电阻率降低的能力要大于碳纤维对电阻率降低的能力。敖灶鑫^[24]等人的研究则发现，利用钢渣部分代替沥青玛蹄脂碎石混合料中的集料可以更少地掺入其它导电相材料并且能更好地实现钢渣的导电性能，这不仅降低了成本，而且降低了导电相材料对沥青混凝土路面性能的影响。另外，武汉理工大学肖月^[22]等人研究还发现，碱性氧气炼钢炉炉渣（BOF）和沥青粘合剂之间具有比玄武岩和花岗岩等集料更好的粘结性能。

(3) 碳纤维导电沥青混凝土

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