研究碳纤维含量对沥青混凝土导电特性和升温性能的影响，通过碳纤维导电沥青混凝土电阻率变化可知，最佳碳纤维体积含量为0.4%～0.6%；高温环境较低温环境升温效果明显，高功率较低功率升温效果明显；满足融雪化冰和成本要求的功率为500~900W/m2；低温环境升温过程中，导电沥青混凝土电阻随温度升高逐渐增大，升至0℃左右时，电阻达到极大值，之后电阻随温度升高减小。

碳纤维导电沥青混凝土 | 电阻率 | 升温曲线

冰雪天气一直是影响机场、公路、铁路等交通设施冬季正常运行的重要问题，尤其在我国北方地区导致机场、高速公路关闭，列车停运，甚至造成人员伤亡，严重影响人们正常的生产、生活。传统的除冰雪方法主要有人工、机械扫除和化学融化，但效率低且易导致道面受损，耐久性大大降低[1]沥青网sinoasphalt.com。

从20世纪50年代，美国、日本等国的学者通过地热、热管等除雪[2]；也有学者通过太阳能融雪化冰，但设备造价贵、融雪效果差[3]。之后，各国学者通过在混凝土中加入一定量的石墨、钢渣、碳纤维等导电性材料制成具有导电性能的新型复合混凝土，通过输入功率使混凝土发热而实现自融雪功能。加拿大的谢平等研究了钢纤维水泥基复合材料的Joule效应，并用于融雪化冰[2]；美国D.D.L.Chung团队对碳纤维混凝土的压敏、温敏、强度等进行了系统研究[3]；孙明清等[4-5]首次报道了碳纤维混凝土的赛贝克效应，对碳纤维水泥基材料的研究表明，其电力效应主要由孔隙内电解质水溶液的电渗作用引起；程景[6]通过对碳纤维沥青混凝土研究得到不同碳纤维长度下的分散效果、电阻特性以及稳定性等；冯新军[7]研究了导电沥青混凝土的制备方法；舒明洋等[8]阐述了影响碳纤维沥青混凝土加热速率的主要因素为输入功率和外部环境。

本文研究了碳纤维沥青混凝土的电阻率以及电热特性，为机场导电柔性道面融雪化冰提供理论依据。

（1）沥青：70#基质沥青，主要性能指标见表1。

（2）粗集料、细集料、矿粉：均产自天津本地，各项指标符合要求，视密度分别为2.78、2.64、2.92g/cm3。沥青混凝土配合比为m（粗集料）∶m（细集料）∶m（矿粉）=56∶38∶6，合成级配如表2所示。

（3）碳纤维：采用PAN基6mm短切碳纤维，基本性能指标见表3。

以往对导电沥青混凝土试样制作大多采用马歇尔试样并在上下设置电极板[2]。该方法虽能对试样尺寸以及力学性能很好的控制，但本文研究的碳纤维导电沥青混凝土以解决工程实践为目的。因此，为施工方便，采用不锈钢电极板两侧放置；由于电极板和沥青混凝土之间存在很大的接触电阻，且在反复的升温过程中电极很容易脱落，因此在电极板上冲15mm直径孔，并在两侧设置4mm左右保护层（见图1）。

本试验中油石比均为4.7%，采用马歇尔电动击实仪对沥青混凝土击实，测得其密度为2.27g/m3，据此得到在16cm×13cm×4cm模具中集料用量为1800g。根据各粒径级配称量对应质量的集料，在150～160℃烘干箱内加热，同时加热沥青混合料搅拌机至140～150℃。待材料升至设置温度时，将集料沥青导入沥青混合料搅拌机搅拌90s，之后加入碳纤维，搅拌150s，装入模具并在两侧加入电极；在表面振动压实仪上压实成型；脱模并编号。试样制作过程如图2所示。

沥青混凝土可认为是绝缘材料，碳纤维的加入使其具有导电性。导电沥青混凝土中，由碳纤维和沥青组成的沥青胶浆在集料表面构成导电回路，同时导电沥青混凝土存在隧道效应[6]。

试验表明：测试碳纤维沥青混凝土电阻时，交流电较直流电测得电阻值小，施加交流电压越大测得电阻值越小。基于此，本文对沥青混凝土的升温试验均采用交流电。利用欧姆表测得不同碳纤维体积含量下试样电阻，并计算电阻率。不同碳纤维含量下碳纤维沥青混凝土电阻率的变化见图3。

由图3可知，当碳纤维体积含量从0.2%增加到0.4%时，由碳纤维构成的导电回路随着碳纤维含量的增加逐渐形成，因而沥青混凝土电阻率由25Ω·m左右降低到1.7Ω·m左图3不同碳纤维含量下碳纤维沥青混凝土电阻率的变化右，减少速率很快；当碳纤维体积含量由0.4%继续增加时，碳纤维之间已有很好的搭接，导电回路已经基本形成，电阻率变化很小，当碳纤维含量继续增加时对其导电性能不会产生太大影响，反而会由于其含量的增加，在试样制作过程中高温环境的影响使碳纤维不能均匀分布在沥青混凝土中，出现结团现象，导致沥青混凝土内部产生初始缺陷，对其力学性能产生很大影响。综合考虑升温效果、力学性能以及经济性，本文取碳纤维体积含量为0.4%~0.6%。

碳纤维的加入使得沥青混凝土具有导电特性，同时具有焦耳效应，本文以碳纤维体积含量0.6%为例，通过不同环境温度下升温以及室外融雪试验对其效果进行研究。

首先在室温下对碳纤维沥青混凝土输入不同功率，测试其温度变化，研究升温规律，为实际融雪提供理论基础。室温时不同功率下碳纤维沥青混凝土的升温曲线如图4所示。

由图4可知，当功率为250W/m2时，120min温度升高8℃，达不到融雪化冰的效果；功率为560W/m2时，120min温度升高10℃左右；当功率升至800W/m2，120min可升高18℃左右，可满足融雪化冰要求，继续增大功率温度升高速率更快。

室温下功率在500～800W/m2时升温速率可满足融雪化冰要求，但实际融雪化冰是在低温环境下，因此，在冰柜内设置-10℃、-15℃两种温度模拟低温环境，同时输入不同功率测试温度变化规律，如图5、图6所示。

由图5可知，在-10℃环境下，输入不同功率，表现出与室温环境下相同的规律，即功率越高，升温效果越明显。但当输入功率为250W/m2时，120min温度还未升至0℃，尚不能满足融雪要求；当输入功率为350W/m2时，90min温度虽升至0℃，但尚不能达到融雪的效果；当输入功率为500W/m2时，升温速率较快，基本可以满足实际应用；继续增大输入功率，升温速率增加更明，且当输入功率大于900W/m2时，30min均升至0℃以上。

由图6可知，在-15℃环境下，当输入功率为400W/m2时，120min温度还未升至0℃；当输入功率为560W/m2时，60min升至0℃，90min升至5℃，基本可满足融雪要求；功率大于900W/m2时，30min均升至0℃以上。

比较图4、图5、图6可以发现，相同输入功率下环境温度越高升温速率越快；功率越大，升温效果越明显。满足融雪化冰及成本要求的功率在500～900W/m2。在-10℃、-15℃低温环境下对沥青混凝土施加不同交流电压，测试其电阻随温度和时间的变化，如图7、图8所示。

由图7（a）、图8（a）可见，随着施加电压时间的延长，电阻先逐渐增大；当增加至某一极值时，电阻逐渐减小，且高电压较低电压出现极值点的时间短。由图7（b）、图8（b）可见，在升温过程中，沥青混凝土温度低于0℃时，电阻随温度升高逐渐增大，当试样温度升至0℃左右时，电阻达到极大值，之后随着温度的升高，电阻逐渐减小。由此可以得出，碳纤维沥青混凝土在低温环境下具有温度敏感性特性。为进一步探究导电沥青混凝土实际融雪效果，对其进行现场融雪试验。试验过程中，环境温度-6℃，雪层厚度1cm，输入功率1000W/m2。融雪过程如图9所示。

由图9可知，当输入功率为1000W/m2时，0～5min仅有小部分雪融化，5～10min融雪速率加快，60%的雪已经融化；35min时沥青混凝土表面雪完全融化。输入功率较大时，很短时间内雪层将融化完全，融雪速率很快、效果明显；但功率过大达不到节能效果，且使电路负载过大，探究满足融雪效果和节能要求的最佳功率也是之后研究的重点。

(1)随碳纤维含量的增加，沥青混凝土的电阻率减小，碳纤维最佳体积掺量为0.4%～0.6%。

(2)高温环境较低温环境升温效果明显，高功率较低功率升温效果明显。满足融雪化冰和成本要求的功率为500～900W/m2。

(3)低温环境升温过程中，导电沥青混凝土电阻随温度升高逐渐增大，升至0℃左右时，电阻达到极值，之后电阻随温度升高减小。