金 嬌, 彭梧桐, 潘 杰, 史金明， 肖夢(mèng)承

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410114；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)國(guó)際學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410114)

混凝土作為一種優(yōu)質(zhì)的道路鋪裝材料，在長(zhǎng)期使用中容易產(chǎn)生各種類(lèi)型的路面損傷. 在不出現(xiàn)明顯缺陷的情況下，往往不能準(zhǔn)確判斷路面內(nèi)部狀況. 當(dāng)路面出現(xiàn)明顯缺陷時(shí)往往已造成不可逆的損壞并產(chǎn)生較高修補(bǔ)或者重建費(fèi)用. 因此，提高混凝土的自監(jiān)測(cè)能力具有十分重要的意義. 如果在混凝土中摻入碳類(lèi)等導(dǎo)電材料，利用導(dǎo)電混凝土的壓敏特性監(jiān)測(cè)裂縫等病害的產(chǎn)生和發(fā)展，可起到病害預(yù)警的作用. 導(dǎo)電混凝土是在普通瀝青混凝土中加入一定量的導(dǎo)電材料，使其具有一定的導(dǎo)電性能且不影響其路用性能. 這種智能路面材料具有自愈合、融化冰雪、自診斷的特點(diǎn)[1-2]. 其中，利用自熱特性進(jìn)行導(dǎo)電混凝土路面融冰雪已在一些工程中實(shí)踐應(yīng)用. 目前導(dǎo)電原理主要有滲流理論、有效介質(zhì)理論、量子力學(xué)隧道效應(yīng)理論和電場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)理論，其中滲流理論認(rèn)為，導(dǎo)電材料的摻量在一定范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能變化與摻量增加比例并不連續(xù)，摻量較少時(shí)，導(dǎo)電性能增加緩慢，隨著導(dǎo)電相材料摻量不斷增加，在摻量達(dá)到某一值時(shí)，復(fù)合導(dǎo)電材料的電阻率出現(xiàn)急劇下降，滲流閾值表示臨界導(dǎo)電材料添加范圍. 因此，滲透閾值有助于確定導(dǎo)電混合物中導(dǎo)電材料的最佳含量. 有效介質(zhì)理論綜合考慮導(dǎo)電相材料對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和基體材料的影響，是一種較為全面的理論. 量子力學(xué)隧道效應(yīng)認(rèn)為，在復(fù)合導(dǎo)電材料內(nèi)部，部分導(dǎo)電材料雖沒(méi)有接觸，但間距較小(1 nm)時(shí)，依然出現(xiàn)電子躍遷. 電場(chǎng)發(fā)射理論認(rèn)為，在隧道效應(yīng)的基礎(chǔ)上，間隙為10 nm內(nèi)的導(dǎo)電相材料顆粒之間會(huì)存在發(fā)射電場(chǎng)，從而導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生導(dǎo)電能力. 整體來(lái)看，導(dǎo)電相復(fù)合材料的導(dǎo)電性能主要由接觸效應(yīng)和導(dǎo)電效應(yīng)提供. 利用內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)與阻力之間的關(guān)系對(duì)混凝土內(nèi)部損傷進(jìn)行預(yù)警，可實(shí)現(xiàn)路面的自診斷[3-4]. 本文根據(jù)導(dǎo)電材料組分特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)綜述，以探討不同材料種類(lèi)、摻量、形態(tài)、外界環(huán)境等因素對(duì)瀝青混凝土導(dǎo)電性能和路用性能的影響.

1 常用碳基路用監(jiān)測(cè)材料

導(dǎo)電瀝青混凝土的材料設(shè)計(jì)要求在不犧牲基本力學(xué)性能的前提下優(yōu)化電學(xué)和力學(xué)性能之間的平衡，以實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用. 加入碳基材料，正是為了在增強(qiáng)瀝青各項(xiàng)路用性能的基礎(chǔ)上，賦予瀝青混凝土導(dǎo)電性能，將碳基復(fù)合材料電阻率隨應(yīng)力應(yīng)變的變化關(guān)系原理應(yīng)用于路面荷載和損傷監(jiān)測(cè).

1.1 碳纖維

碳纖維具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，碳纖維在微觀視角下呈細(xì)長(zhǎng)的圓柱形，直徑約為47 μm，表面有較淺的細(xì)長(zhǎng)溝槽，與瀝青的接觸角約為48°，其形貌圖[5]和原樣圖[6]見(jiàn)圖1. 在瀝青混合料中碳纖維與瀝青有較好的裹附性. 碳纖維質(zhì)量摻入量為0.05%時(shí)，瀝青軟化點(diǎn)高達(dá)57 ℃，瀝青混合料抗車(chē)轍性能最大達(dá)到最大1 420次/mm，抗彎強(qiáng)度最大達(dá)到2.74 MPa，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比峰值達(dá)到90%，說(shuō)明碳纖維在該摻量下能明顯增強(qiáng)瀝青混凝土的路用性能，但當(dāng)碳纖維質(zhì)量摻量達(dá)到0.1%時(shí)，極易出現(xiàn)團(tuán)聚等現(xiàn)象[7]，影響性能發(fā)揮.

圖1 碳纖維形貌圖[5]和原樣圖[6]Fig.1 Morphology of carbon fiber[5] and original sample[6]

1.2 石墨

石墨晶體結(jié)構(gòu)為六邊形層狀結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑性，其形貌圖[8]和原樣圖[9]見(jiàn)圖2，與金屬材料相比，有耐腐蝕、耐高溫的優(yōu)點(diǎn). 石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的力學(xué)性能顯著降低，具體表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)蠕變累積應(yīng)變?cè)黾?，殘余穩(wěn)定性、殘余劈裂強(qiáng)度和斷裂能降低[10]. 因此，從路用性能來(lái)看，石墨并不適合單獨(dú)加入瀝青混凝土中，鑒于石墨對(duì)復(fù)合導(dǎo)電性能的改善效果，可以考慮復(fù)合其他物質(zhì)進(jìn)行研究.

圖2 石墨形貌圖[8]和原樣圖[9]Fig.2 Morphology of graphite[8] and original graphite[9]

1.3 (多壁)碳納米管

碳納米管具有高長(zhǎng)徑比、質(zhì)量輕、高導(dǎo)電等性能，是構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的理想材料，常用于制作傳感器等精密器具. 其形貌可看作是石墨烯片層彎曲形成，如圖3所示[11]. 田長(zhǎng)進(jìn)等[12-13]用碳納米管、碳納米管與石墨烯混合分別改性環(huán)氧樹(shù)脂，復(fù)摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%碳納米管和5%(M級(jí))石墨烯、單摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%碳納米管時(shí)均能較好地改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性、拉敏性等. Xin等[14]用多壁碳納米管和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合制備一種監(jiān)測(cè)瀝青路面應(yīng)變的傳感器，可有效檢測(cè)100～1 000 m內(nèi)的應(yīng)變，且具有高耐久性、重復(fù)性、響應(yīng)靈敏性. 該傳感器的最佳應(yīng)變系數(shù)可達(dá)26.04，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬應(yīng)變傳感器. 為碳納米管質(zhì)量摻量接近但不超過(guò)2%時(shí)，能顯著改善瀝青的抗剪切和高溫抗車(chē)轍性能，而且碳納米管對(duì)瀝青起到物理吸附和加筋作用，能改善瀝青混合料的斷裂性能[15]. 但是碳納米管價(jià)值高，導(dǎo)致碳納米管瀝青混凝土成本明顯提高，而且納米材料難以分散導(dǎo)致其制備工藝也更為復(fù)雜，這正是碳納米管能明顯改善混凝土材料的導(dǎo)電性能，卻難以大規(guī)模應(yīng)用到實(shí)際工程的原因.

圖3 碳納米管形貌圖和結(jié)構(gòu)圖[11]Fig.3 Morphology and structure of carbon nanotubes[11]

1.4 石墨烯

石墨烯是一種六角形蜂巢晶格的二維層狀結(jié)構(gòu)，其形貌圖和結(jié)構(gòu)圖[16]見(jiàn)圖4，它具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、疏水性，能與瀝青膠結(jié)材料的非極性基團(tuán)反應(yīng)復(fù)合，能有效隔離氧氣、水分等，提升其抗水損害和抗老化能力，通過(guò)溫度傳導(dǎo)避免溫差引起的開(kāi)裂[17]. 但是，賈曉東等[18]用石墨烯納米片改性瀝青(物理改性)，通過(guò)多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、低溫彎曲蠕變勁度試驗(yàn)、差示掃描量熱儀試驗(yàn)等測(cè)定瀝青改性后的相關(guān)性能. 結(jié)果表明，隨石墨烯納米片含量增加，高溫流動(dòng)性降低，但同時(shí)低溫受荷載形變恢復(fù)能力也降低.

圖4 石墨烯形貌圖和結(jié)構(gòu)圖[16]Fig.4 Morphology and structure of graphene[16]

劉克非等[19]研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯能減緩熱氧老化對(duì)瀝青三大指標(biāo)的影響，顯著提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，緩解低溫抗裂性的不利影響.

4種常用碳基單摻最佳摻量與性能改善情況見(jiàn)表1. 綜合來(lái)看，對(duì)碳纖維和石墨改性瀝青導(dǎo)電性的研究居多，但石墨粉較小的長(zhǎng)寬比使其難以與混凝土內(nèi)部結(jié)合形成導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)，需要加大石墨劑量來(lái)提升復(fù)合材料的導(dǎo)電性. 而單摻碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1%、單摻石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)60%時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，分散性將制約它們的大規(guī)模使用. 而且石墨的加入會(huì)顯著降低瀝青混合料的穩(wěn)定性，使用較多的碳纖維作為單一導(dǎo)電添加劑會(huì)影響瀝青混凝土密度，從而對(duì)瀝青混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響. 而碳納米管和石墨烯需要克服由于巨大的比表面積和納米粒徑造成的團(tuán)聚所產(chǎn)生的范德華力，另外其價(jià)格昂貴、不可回收等特點(diǎn)都會(huì)限制其路用開(kāi)發(fā). 單獨(dú)摻入碳基材料暫時(shí)沒(méi)辦法完全兼顧混合材料的路用性能、導(dǎo)電性能和經(jīng)濟(jì)性，因此復(fù)合型材料應(yīng)運(yùn)而生.

表1 碳基材料單摻路面的性能對(duì)比

2 碳基復(fù)合型路用監(jiān)測(cè)材料

復(fù)合型路用導(dǎo)電材料根據(jù)其組分配合形式分為碳基- 碳基復(fù)合、碳基- 金屬?gòu)?fù)合、水泥基- 金屬?gòu)?fù)合、多種碳基材料及其他物質(zhì)與水泥基復(fù)合等幾類(lèi). 已有研究逐步探索適用于路面損害監(jiān)測(cè)的材料搭配以及摻量，并分析不同溫度、濕度、加載速率、循環(huán)加載對(duì)復(fù)合材料性能的影響規(guī)律. 目前最佳配比為考慮摻加2、3種材料，在保持甚至改善力學(xué)性能的前提下，追求低成本下的高效導(dǎo)電性及穩(wěn)定性.

2.1 碳基- 碳基復(fù)合型

碳基- 碳基復(fù)合材料作為復(fù)合型碳基材料的一種，具有高比強(qiáng)、高比模、抗蠕變、耐高溫、耐疲勞、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱和線膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能.

2.1.1 碳纖維- 石墨復(fù)合型

Liu等[10]研究碳纖維石墨瀝青混合料的導(dǎo)電性與裂縫損傷之間的相關(guān)性，并通過(guò)直接和間接拉伸蠕變?cè)囼?yàn)驗(yàn)證其力電敏感性. 結(jié)果顯示：混合料的電阻率與開(kāi)裂程度存在較強(qiáng)的相關(guān)性，隨應(yīng)變的增大，電阻率逐漸降低，當(dāng)混合料遭受臨界破壞時(shí)，電阻率出現(xiàn)突然陡增. 在未出現(xiàn)損傷階段，電阻率與應(yīng)變呈二次曲線變化規(guī)律，當(dāng)應(yīng)變值達(dá)到一定水平時(shí)，電阻率與應(yīng)變基本呈線性關(guān)系. 試件在損傷過(guò)程中，隨著荷載作用時(shí)間的延長(zhǎng)，荷載先逐漸增大到極限，然后逐漸減?。回Q向應(yīng)變值不斷增大，而水平應(yīng)變隨著試樣超過(guò)最大荷載而變化較小. 電阻率在超過(guò)最大荷載后迅速增大[20].

碳纖維和石墨復(fù)合的另一種方式是將碳纖維部分石墨化. 韓瑞連等[21]通過(guò)低溫?zé)崮撼尚?、炭化、石墨化將氣相生長(zhǎng)碳纖維和中間相瀝青復(fù)合，相比傳統(tǒng)碳纖維，其中氣相生長(zhǎng)碳纖維有極高的長(zhǎng)徑比和中空結(jié)構(gòu)，因此具有高強(qiáng)度比、高導(dǎo)電導(dǎo)熱等特性. 研究發(fā)現(xiàn)，隨氣相生長(zhǎng)碳纖維摻量增加，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和抗彎強(qiáng)度先增大后減小，最佳質(zhì)量摻量為50%，此時(shí)復(fù)合材料的石墨化度為84.19%，彎曲模量為12 GPa，抗彎強(qiáng)度為77.5 MPa，電阻率最低為0.59×10-5Ω·m. 通過(guò)這種方式使復(fù)合材料中電阻率達(dá)到最低，且對(duì)力學(xué)性能有較好的提升，是不錯(cuò)的選擇之一. 氣相生長(zhǎng)碳纖維含量過(guò)多或過(guò)少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生變形和錯(cuò)位剪切，使結(jié)構(gòu)不緊密，從而產(chǎn)生大量孔洞，這可能是電阻率出現(xiàn)先增大后減小的原因. 徐虎等[22]則將聚丙烯腈基碳纖維石墨化，發(fā)現(xiàn)由拉曼光譜圖確定的石墨化度為2.8～4.8時(shí)，碳纖維石墨化程度越高，其電阻率越低. 原因主要在于：一方面，碳纖維石墨化越高，碳纖維中有超低電阻率的石墨碳含量越高；另一方面，碳纖維中非晶態(tài)過(guò)渡碳結(jié)構(gòu)的芳香環(huán)共軛程度增加，使π電子的遷移能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致電阻率降低.

因此將碳纖維與石墨復(fù)合到瀝青混凝土中，碳纖維能彌補(bǔ)石墨瀝青混凝土穩(wěn)定性能、抗裂性能、抗拉強(qiáng)度、抗拉模量降低的影響. 相同荷載循環(huán)次數(shù)下的動(dòng)態(tài)蠕變累計(jì)應(yīng)變及變化率由小到大依次為：碳纖維- 石墨瀝青混凝土、石墨瀝青混凝土、普通瀝青混凝土. 當(dāng)應(yīng)變較低時(shí)，復(fù)合導(dǎo)電混凝土的疲勞壽命優(yōu)于普通瀝青混凝土；但當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)，復(fù)合導(dǎo)電混凝土的疲勞壽命低于普通瀝青混凝土的疲勞壽命. 說(shuō)明導(dǎo)電混凝土不適合繁忙的交通[10,20].

2.1.2 碳纖維- 石墨烯復(fù)合型

雷妍等[23]用氧化石墨烯摻雜氣相生長(zhǎng)碳纖維復(fù)合瀝青，探究不同摻量氧化石墨烯對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響情況，圖5(a)(b)分別為未摻石墨烯和已摻石墨烯的碳纖維復(fù)合瀝青電鏡圖. 使用的氣相生長(zhǎng)碳纖維與傳統(tǒng)碳纖維不同，傳統(tǒng)的碳纖維是由瀝青或聚合物高溫分解而得，而氣相生長(zhǎng)碳纖維是由含碳?xì)怏w分解而制得. 傳統(tǒng)碳纖維直徑為7～15 μm，一般為實(shí)心碳層結(jié)構(gòu)，而氣相生長(zhǎng)碳纖維直徑較小，是中空結(jié)構(gòu). 結(jié)果表明，在2.44%、4.76%、6.98%、9.09%、11.11%五種氧化石墨烯遞增質(zhì)量摻量下，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和電導(dǎo)率呈先增后減的趨勢(shì)，且在質(zhì)量摻量為9.09%時(shí)，抗彎和導(dǎo)電性能均為最佳，電阻率達(dá)到1.27×10-5Ω·m，抗彎強(qiáng)度為85.7 MPa.

圖5 碳纖維復(fù)合瀝青SEM圖[23]Fig.5 SEM images of carbon fiber composite asphalt [23]

2.2 碳基- 金屬?gòu)?fù)合型

將工業(yè)廢料中的金屬導(dǎo)電材料可持續(xù)性地應(yīng)用于瀝青混凝土中，在增強(qiáng)瀝青混凝土導(dǎo)電性的同時(shí)降低材料成本. Ullah等[24]研究將碳纖維和鐵尾礦混合加入瀝青混凝土中，尋找出平衡其電學(xué)性能和力學(xué)性能的臨界最佳摻量. 圖6為2種不同放大倍數(shù)下碳纖維鐵尾礦瀝青泥合料電鏡圖[24]. 碳纖維鐵尾礦混合物的滲流閾值范圍為0.2%～0.8%，但碳纖維質(zhì)量摻量超過(guò)0.4%時(shí)高溫抗車(chē)轍性能、水穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性均無(wú)法滿足要求，因此只有碳纖維摻量在0.2%～0.4%時(shí)，其復(fù)合材料可獲得較好的電學(xué)性能和力學(xué)性能，尤其在0.4%碳纖維質(zhì)量摻量時(shí)，不僅使復(fù)合材料具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，而且在加載過(guò)程中能對(duì)微小荷載做出響應(yīng). 不足的是鐵尾礦等金屬材料因易氧化而不具備耐久性.

鋼纖維和石墨都能產(chǎn)生電阻率足夠低的導(dǎo)電瀝青混凝土，鋼纖維的橋接導(dǎo)電與石墨接觸導(dǎo)電二者結(jié)合可以在更大范圍內(nèi)精確地控制瀝青混凝土的電阻率. 圖7為不同類(lèi)型瀝青混凝土結(jié)構(gòu)示意圖[25]，其中：(a)為未摻入導(dǎo)電填料的瀝青混凝土，不具導(dǎo)電性；(b)為摻入較少鋼纖維的瀝青混凝土，因其中鋼纖維之間相互不搭接不具導(dǎo)電性；(c)為摻入較多鋼纖維的瀝青混凝土，因其中鋼纖維之間相互搭接具導(dǎo)電性，但電阻率不可控；(d)為摻入較少鋼纖維和石墨的瀝青混凝土，其因鋼纖維與石墨組合搭接具有導(dǎo)電性且電阻率可控. 摻有鋼纖維和石墨的瀝青混凝土電阻率的變化率遠(yuǎn)小于單獨(dú)摻入鋼纖維或石墨瀝青混凝土的電阻率的變化率. 當(dāng)石墨體積摻量達(dá)到6%時(shí)，加入更多的石墨導(dǎo)致電阻率迅速下降，此時(shí)這種電阻率達(dá)到滲流閾值范圍. 當(dāng)石墨體積摻量增加到18%時(shí)，瀝青混凝土的電阻率已達(dá)到較低的1 600 Ω·m. 選用0.4%的鋼纖維摻量時(shí)石墨的最佳體積摻量為14%. 復(fù)合瀝青混凝土的導(dǎo)電性、馬歇爾穩(wěn)定性、抗車(chē)轍性能、間接抗拉強(qiáng)度和抗低溫開(kāi)裂性能均較素混凝土有顯著提高. 石墨的加入提高了材料的永久變形抗力，但穩(wěn)定性和低溫性能有所降低[26].

圖6 2種不同放大倍數(shù)下碳纖維增強(qiáng)混合料的SEM圖[24](CF為碳纖維，TNA為鐵尾礦混合集料)Fig.6 SEM images of CF reinforced mixture at two different magnification times[24]

圖7 瀝青混凝土中鋼纖維與石墨的摻入方案[25]Fig.7 Mixing scheme of steel fiber and graphite in asphalt concrete[25]

2.3 碳基- 碳基- 金屬?gòu)?fù)合型

為制備路用性能和導(dǎo)電良好的導(dǎo)電瀝青混合料，項(xiàng)麗[27]將石墨、碳纖維、鋼渣加入瀝青混合料中，在不同摻量及配比中找出3種材料的最佳摻量. 通過(guò)單相復(fù)合瀝青混合料、雙相復(fù)合瀝青混合料、三相復(fù)合瀝青混合料依次找出石墨、碳纖維、鋼渣的最佳摻量，結(jié)合灰關(guān)聯(lián)度分析(見(jiàn)表2)，確定石墨、碳纖維、鋼渣三者的最佳摻量分別為20%、0.35%、100%(石墨和碳纖維占瀝青混合料體積分?jǐn)?shù)、鋼渣為代替普通骨料的體積比例)，電導(dǎo)率高達(dá)0.125 S/m， 且導(dǎo)電率由高到低順序?yàn)椋喝鄰?fù)合材料、碳纖維石墨復(fù)合材料、石墨復(fù)合材料. 石墨可以提高材料的永久抗變形能力，但會(huì)降低穩(wěn)定性和低溫性能. 碳纖維大幅提高混合料的導(dǎo)電性能，鋼渣提升混合料的導(dǎo)電性、高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，降低低溫抗裂性.

表2 三相導(dǎo)電瀝青混合料導(dǎo)電率中各材料的灰關(guān)聯(lián)度[27]

表3為上述不同多元碳基復(fù)摻路面的力電性能對(duì)比，除此之外，仍有一些碳基- 水泥基復(fù)合型材料可添加到瀝青路面中用于提高導(dǎo)電性能.

2.4 碳基—水泥基復(fù)合型

目前用于研究自監(jiān)測(cè)路面的碳基材料主要包括碳纖維、(納米)炭黑、(多壁)碳納米管、石墨、石墨烯(納米片)等材料. 作為導(dǎo)電填料的碳基材料，具有較好的耐久性、優(yōu)異的耐堿性和導(dǎo)電性能，是理想的導(dǎo)電填料，碳基對(duì)水泥基復(fù)合材料具有增強(qiáng)、阻裂、增韌等改善，而且二者相容性好，因此以碳基材料為填料、以水泥為基體或再結(jié)合其他物質(zhì)復(fù)合，可憑借壓阻特性對(duì)應(yīng)力及應(yīng)變的響應(yīng)用于路面應(yīng)力應(yīng)變、裂縫和動(dòng)態(tài)質(zhì)量的監(jiān)測(cè). 現(xiàn)有研究對(duì)碳基- 水泥基復(fù)合型研究較多，以下從摻入物種類(lèi)與數(shù)量、內(nèi)部影響因素、外部影響因素3個(gè)方面分析對(duì)碳基水泥基復(fù)合型材料導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律.

表3 碳基復(fù)摻路面的力電性能對(duì)比

2.4.1 摻入物種類(lèi)與數(shù)量

在水泥中加入單一碳基材料初步探索碳基水泥基混凝土路面的導(dǎo)電性能. 對(duì)于相同長(zhǎng)徑比[28]的碳纖維，其電阻率隨碳纖維質(zhì)量含量的變化要分別進(jìn)行討論，當(dāng)碳纖維含量低于滲流閾值(此處滲流閾值是指水泥基材料由絕緣相轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電相，電阻率突然陡降時(shí)所對(duì)應(yīng)碳纖維的臨界質(zhì)量摻量)時(shí)，碳纖維水泥基復(fù)合材料電阻率隨碳纖維質(zhì)量含量增加而降低，但在達(dá)到滲流閾值時(shí)，電阻率不再顯著降低. 滲流閾值范圍成為導(dǎo)電碳基材料導(dǎo)電性的特征，滲流閾值越低，則說(shuō)明碳基材料摻量越低，而且其復(fù)合材料也能獲得較低的電阻率. Monteiro等[29]將炭黑作為填料與水泥復(fù)合，在15～45 ℃范圍內(nèi)可作壓阻傳感器對(duì)壓縮荷載進(jìn)行識(shí)別. 納米炭黑在水泥砂漿中的滲流閾值范圍為0.10%～0.75%，相比素水泥砂漿，質(zhì)量摻量為0.5%超導(dǎo)炭黑砂漿的電阻變化率、壓阻效應(yīng)、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提升102.42%、99.07%、26.24%和35.09%[30]. 韓寶國(guó)等[31]首次研究乙炔炭黑水泥基復(fù)合材料的壓敏性發(fā)現(xiàn)，乙炔炭黑體積摻量為15%時(shí)復(fù)合材料(初始平均電阻率為4.23 Ω·m)一次加載至破壞的電阻變化率最高可達(dá)55%,且彈性階段的壓敏性具有重復(fù)性. Han等[32]探討碳納米管/水泥復(fù)合材料對(duì)反復(fù)壓縮荷載和脈沖荷載的傳感性能，確定碳納米管/水泥復(fù)合材料用于交通荷載監(jiān)測(cè)的可行性. 多壁碳納米管在較佳的質(zhì)量摻量0.2%左右時(shí)，表現(xiàn)出較優(yōu)的機(jī)敏性[33]. 通過(guò)分析形貌發(fā)現(xiàn)石墨烯與水泥結(jié)合緊密，通過(guò)循環(huán)加壓發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯質(zhì)量摻量為0.6%時(shí)，石墨烯/水泥基復(fù)合材料具有典型的壓敏性[34]. 對(duì)比空白組，多層石墨烯/水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度最大可提高30.1%和11.6%，當(dāng)多層石墨烯質(zhì)量摻量為1.6%時(shí)復(fù)合材料的壓敏性最優(yōu)[35]. 因此，(納米)炭黑、碳納米管、石墨烯均適合單摻入水泥基材料中，相比之下，少量炭黑不僅能達(dá)到較好的導(dǎo)電效果，而且對(duì)力學(xué)性能有較好的提升效果，同時(shí)使用炭黑成本較低.

單一碳基材料與水泥基材料的復(fù)合材料的電阻率等各方面性能可以得到改善，但存在電阻率穩(wěn)定性差、制備成本高等問(wèn)題. 采用2種或3種碳基材料制備的復(fù)相混凝土的導(dǎo)電性能通常優(yōu)于單一碳基材料制備的混凝土. 易峰等[36]制備了磷酸鹽水泥基碳纖維復(fù)合砂漿，提出碳纖維質(zhì)量摻量為1%時(shí)壓阻性能較好. 摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的水泥基滲透結(jié)晶防水材料、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%碳纖維的石墨水泥基復(fù)合材料的滲流閾值為20%左右，即石墨質(zhì)量摻量為20%時(shí)，其電阻率為4.7 Ω·m[37]. 左俊卿等[38]將碳納米管與碳纖維混合后摻入水泥基材料中，發(fā)現(xiàn)碳納米管質(zhì)量摻量為0.5%時(shí)其溫敏性和壓敏性最優(yōu). 硅灰的加入，能較好地增強(qiáng)碳纖維水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和溫敏性[39]. 加入水泥基滲透結(jié)晶防水材料的碳纖維石墨砂漿的體積電阻率隨石墨量的增加而迅速減少，且在石墨質(zhì)量摻量為20%～30%時(shí)，該復(fù)合材料的體積電阻率與壓應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有重復(fù)性[37]. 通過(guò)酸化處理使碳納米管接枝羥基、羧基，比起接枝羧基和空白的碳納米管，帶有較多羥基基團(tuán)的碳納米管改性砂漿具有較強(qiáng)的機(jī)敏性[40]. Han等[41]將碳納米管(carbon nanotube，CNT)和納米炭黑(nano-carbon black，NCB)2種納米材料按件積比40∶60復(fù)合填入水泥砂漿中，發(fā)現(xiàn)CNT與NCB之間復(fù)合砂漿的滲流閾值為0.39%～1.52%，且CNT與NCB的復(fù)合體積摻量為2.4%時(shí)，其復(fù)合材料應(yīng)力和應(yīng)變敏感性分別達(dá)到2.69% MPa-1和704.

2.4.2 內(nèi)部影響因素

相同含量的碳纖維長(zhǎng)徑比越高，其碳纖維水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電率越高，應(yīng)變靈敏度也越高[28]. 就提升電學(xué)性能而言，粒徑較小的超導(dǎo)炭黑優(yōu)于粒徑較大的特導(dǎo)炭黑[30]. 小尺寸(20 mm×20 mm×60 mm)比大尺寸(40 mm×40 mm×160 mm)多壁碳納米管水泥基復(fù)合材料的機(jī)敏性更優(yōu)[33]. 目前碳基材料在復(fù)合材料中的分散性是其大規(guī)模應(yīng)用的制約因素之一. 解決納米碳基材料分散性問(wèn)題的方式主要包括物理處理(攪拌結(jié)合超聲處理)和化學(xué)處理(共價(jià)修飾和非共價(jià)修飾)，也有研究權(quán)衡各種混合方式之后選用非共價(jià)表面修飾結(jié)合物理攪拌[42]. 加入一定量的十二烷基硫酸鈉在水性體系中對(duì)納米碳纖維具有較好的分散作用[43]. 為解決石墨烯在水泥基中的分散性問(wèn)題，王琴等[44]利用合成的4種電荷密度和側(cè)鏈長(zhǎng)度不同的聚羧酸系減水劑(polycarboxylate superplaticizers，PCEs)來(lái)改善分散性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明低電荷密度的PCEs由于聚羧酸基團(tuán)與Ca2+的橋接效應(yīng)不顯著，結(jié)合PCEs間庫(kù)侖力的排斥作用使得石墨烯的分散性較好，但帶有長(zhǎng)側(cè)鏈的PCEs致使石墨烯的分散性較差，因此從減水劑影響石墨烯分散性的角度來(lái)看，應(yīng)當(dāng)選用低電荷密度和短側(cè)鏈的PCEs加入石墨烯水泥基復(fù)合材料中. 將石墨粉和黏土混合制成陶粒再?gòu)?fù)合碳纖維水泥基材料[45]，能顯著改善壓敏性，在低加載應(yīng)力循環(huán)下電阻變化與應(yīng)力變化對(duì)應(yīng)良好，而在高加載應(yīng)力循環(huán)下由于不可逆的裂紋等損傷導(dǎo)致電阻變化不恢復(fù)的增加.

2.4.3 外部影響因素

將碳基水泥基復(fù)合材料運(yùn)用到實(shí)際，就必須考慮到實(shí)際環(huán)境中溫度、濕度和外加荷載等因素的影響. 從單一外部因素到多種外部因素耦合，由淺入深盡可能模擬出復(fù)合材料真實(shí)的工作環(huán)境. 已有研究一般用電阻率或者導(dǎo)電率及電阻變化率表征碳基水泥基復(fù)合材料的壓敏性、溫敏性、濕敏性. 碳纖維水泥砂漿在養(yǎng)護(hù)至35 d后烘干2次(含水量較低)后的電阻率隨時(shí)間單調(diào)增加[46]. 王玉林等[47]研究分析不同含水量對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料和納米碳黑水泥基復(fù)合材料[48]壓阻性的影響，復(fù)合材料在含水量極高或極低時(shí)表現(xiàn)為正壓敏性，在一般含水量時(shí)表現(xiàn)為負(fù)壓敏性，且中間存在正、負(fù)壓敏性共存的過(guò)渡階段. 當(dāng)材料體積電阻隨拉應(yīng)力的增大而增大，或隨壓應(yīng)力的增大而減小時(shí)，為正壓敏性，反之為負(fù)壓敏性. 相比空白組的水泥砂漿，0.5%質(zhì)量摻量的超導(dǎo)炭黑[30]在單調(diào)加載和15 kN循環(huán)加載情況下的電阻率分別增加102.42%和99.07%. 在凍融循環(huán)下探索納米炭黑、碳纖維、鋼纖維混凝土材料監(jiān)測(cè)損傷的性能，發(fā)現(xiàn)凍融作用下的阻抗變化率與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系符合指數(shù)衰減一階曲線，相關(guān)系數(shù)為0.977～0.994[49]. 袁嬌等[50]探究碳納米管水泥基復(fù)合材料在不同溫度和濕度狀態(tài)下電阻率的變化情況，試驗(yàn)表明碳鋼米管質(zhì)量摻量為0.5%的復(fù)合材料在25～55 ℃內(nèi)溫敏性最佳，在0.6%～6%內(nèi)濕敏性最佳. 在溫度- 濕度耦合作用下，隨含水率的增加，溫度致碳納米管水泥基復(fù)合材料壓敏性下降顯著. 在循環(huán)荷載作用下，其電阻率隨含水率(0～6.4%)增加先增加后減??；隨溫度(20～50 ℃)的增加而降低，壓敏性能提升[51]. 相較摻入普通碳納米管，摻入帶有較多羥基基團(tuán)的碳納米管水泥基復(fù)合材料在單調(diào)加載和15 kN循環(huán)加載下電阻變化率分別提升22.0%和11.1%[40]. 李小霞等[52]研究溫度、外加荷載對(duì)碳纖維和膨脹石墨復(fù)合水泥基材料導(dǎo)電性能的影響，在只考慮單一變量的情況下，碳纖維/膨脹石墨復(fù)合材料的導(dǎo)電率隨溫度升高、外加荷載的增大而逐漸增大. 魏劍等[53]將膨脹石墨和碳纖維加入到硫鋁酸鹽水泥中制成復(fù)合材料，在循環(huán)低溫荷載作用下的導(dǎo)電率降低，分析可能是低溫荷載導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋的原因.

3 道路檢測(cè)應(yīng)用進(jìn)展

目前碳基及其復(fù)合材料用于混凝土路面損傷監(jiān)測(cè)還處于室內(nèi)研究階段，室外場(chǎng)地探究較少. 唐寧[54]采用將石墨瀝青混凝土放置于上下兩電極之間的三明治結(jié)構(gòu)電極形式，在曹妃甸工業(yè)區(qū)鋪設(shè)試驗(yàn)路段. 從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，測(cè)點(diǎn)的電阻率總體呈上升趨勢(shì). 但鋪筑的導(dǎo)電瀝青混凝土路面具有良好的路用性能和導(dǎo)電性能，能達(dá)到對(duì)路面損傷監(jiān)測(cè)的要求. 預(yù)置下部電極與界面處理后路面實(shí)物如圖8所示，其上部電極植入效果如圖9所示.

圖8 石墨瀝青混凝土試驗(yàn)路下部電極埋設(shè)施工圖[54]Fig.8 Construction drawings of graphite asphalt concrete test road with electrode buried in bottom[54]

圖9 石墨瀝青混凝土試驗(yàn)路上部電極埋鋪施工圖[54]Fig.9 Construction drawings of graphite asphalt concrete test road with electrode buried on top[54]

李永琴[55]將碳纖維石墨瀝青混凝土和分布式光纖傳感器應(yīng)用于橋面鋪裝開(kāi)裂預(yù)警，工作原理為通過(guò)碳纖維石墨瀝青混凝土電阻率與應(yīng)變?cè)诓煌A段分別呈現(xiàn)出二次非線性、線性關(guān)系反推出橋面內(nèi)部應(yīng)力情況. 光纖分布圖及碳纖維石墨混凝土試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10、11所示.

圖10 碳纖維石墨混凝土試驗(yàn)路光纖分布圖[55]Fig.10 Distribution of optical fiber in carbon fiber graphite concrete test road[55]

圖11 碳纖維石墨混凝土試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)鋪筑圖[55]Fig.11 Field pavement of carbon fiber graphite cconcrete test road[55]

4 結(jié)論

上述各種材料摻入混凝土中，其導(dǎo)電、導(dǎo)熱、壓阻性能可用于監(jiān)測(cè)內(nèi)部損傷、升溫除冰雪、監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)荷載等.

1) 摻入碳基材料中以碳纖維和石墨居多，但石墨單獨(dú)摻入會(huì)影響瀝青混合料的穩(wěn)定性，所以往往需要石墨與其他碳基材料復(fù)合摻入. 對(duì)比碳纖維、石墨、碳納米管、石墨烯來(lái)看，單摻時(shí)碳纖維和石墨烯在摻量較小情況下便能獲得較好性能. 纖維狀材料的遠(yuǎn)程導(dǎo)電結(jié)合粉末狀材料的近程導(dǎo)電使導(dǎo)電性能更加穩(wěn)定. 納米材料導(dǎo)電性、靈敏性更高的同時(shí)成本也更高，一般多用于傳感元件.

2) 從材料路用性能與導(dǎo)電性能來(lái)看，復(fù)合型導(dǎo)電材料普遍優(yōu)于單摻導(dǎo)電材料，如石墨滿足所需導(dǎo)電性能時(shí)，因摻量過(guò)大導(dǎo)致瀝青混凝土路用性能不佳；碳纖維摻量過(guò)大時(shí)，因分散性導(dǎo)致瀝青混凝土實(shí)際應(yīng)用受到限制；常用鋼渣、鋼屑等金屬材料容易鈍化，從而影響瀝青混凝土對(duì)導(dǎo)電性能的持續(xù)應(yīng)用. 摻入的材料應(yīng)當(dāng)充分考慮種類(lèi)、形狀特征、粒徑、摻入量、分散性、使用成本等方面，并結(jié)合使用溫度、濕度、荷載等作用情況進(jìn)行選擇，大范圍推廣應(yīng)用仍需更深入的研究，重點(diǎn)應(yīng)考慮使用石墨烯、碳納米管等新型材料的應(yīng)用研究.

3) 由于瀝青混凝土路面屬于多相復(fù)合體系，具有非均質(zhì)、相微分離等特點(diǎn)，將碳基類(lèi)導(dǎo)電材料應(yīng)用于瀝青混凝土路面損傷監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)增加整體路面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)滲流閾值窄、損失鑒定量程不穩(wěn)定、電極布設(shè)施工工藝復(fù)雜等問(wèn)題，開(kāi)展基于監(jiān)測(cè)預(yù)警(損傷和荷載)、融冰化雪和裂縫自愈合等多功能同時(shí)運(yùn)作條件下的復(fù)雜相態(tài)路面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究，對(duì)瀝青混凝土路面監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義.

5 展望

目前對(duì)瀝青路面導(dǎo)電性能利用的研究偏重于解決融雪化冰、修復(fù)裂縫等已存問(wèn)題，忽略了對(duì)重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化和周期化監(jiān)測(cè). 反而耗費(fèi)大量人力和物力對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)的檢測(cè)，甚至用鉆芯取樣等操作對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害. 所以在不損害材料性能的前提下對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)預(yù)警，成為一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題. 研究者們從加入單相的碳基材料到多相于碳基材料復(fù)合，保持或改善力學(xué)性能和路用性能的同時(shí)，利用導(dǎo)電性能對(duì)瀝青混凝土路面進(jìn)行損傷、荷載監(jiān)測(cè). 后續(xù)的重點(diǎn)研究包括進(jìn)一步分析判斷出損傷部位和損傷類(lèi)型，進(jìn)而通過(guò)電磁加熱法等方法進(jìn)行對(duì)應(yīng)處置，除此之外，可利用其導(dǎo)電性用于發(fā)熱路面融冰化雪、電光轉(zhuǎn)換利用、防靜電、電磁屏蔽等方面. 在各功能兼具且相互間影響降至可控范圍內(nèi)，最終研究得出一種能集監(jiān)測(cè)預(yù)警(損傷和荷載)、融冰化雪、裂縫自愈合、電磁屏蔽等功能于一體的碳基復(fù)合材料. 將瀝青混凝土路面導(dǎo)電性能用于實(shí)際的損傷監(jiān)測(cè)還存有較多問(wèn)題，包括材料的分散性問(wèn)題、制備工藝復(fù)雜程度、保持電阻率的穩(wěn)定性、損傷部位的精準(zhǔn)程度、損傷的類(lèi)型、監(jiān)測(cè)量程，以及對(duì)應(yīng)的處置措施等，與此同時(shí)平衡好電學(xué)性能、力學(xué)性能、路用性能、經(jīng)濟(jì)成本的協(xié)調(diào). 最后制備過(guò)程的污染、報(bào)廢后的回收利用都是不可忽視的問(wèn)題.