本发明属于高速铁路无碴轨道技术领域，涉及一种对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土及制备方法。
背景技术：
2016年7月，国家发展和改革委发布《中长期铁路网规划》，在未来的15年，高铁总里程要实现比2015年翻一番。高速铁路建造技术也是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》明确优先发展的先进建造前沿技术。高速铁路生命力体现在其高速度、高密度、高舒适性和高安全性方面，而要实现快速、舒适和安全，则需要平顺且稳定的线路，这就要求严格控制线下结构的沉降变形。因此高速铁路无碴轨道轨下基础的健康监测是高速铁路建造技术领域具有重大需求的共性关键问题。
目前，高速铁路轨下基础主要以散粒体碎石有碴轨道和水泥混凝土整体无碴轨道为主。然而，水泥混凝土轨下基础受制于易开裂、振动大、噪声强、适应路基变形能力差以及修复极其困难等问题。沥青混凝土兼具强度和柔性且易于施工维护，是轨下基础应重点考虑的材料。鉴于沥青混凝土优良的保温与防水性能，中铁二院中标的莫斯科至喀山穿越季冻区，最高时速达400km的高速铁路基床表层结构也拟采用沥青混凝土，可以预见，铁路沥青混凝土轨下基础的应用前景将越来越广阔。
当前，高速铁路运营阶段轨下基础的健康监测主要通过水准测量或者在路基本体中埋设沉降应变计等措施。但是考虑到目前高铁运行班次较多，速度很快，采用现场测量，不安全，费时费力，最重要的是无法及时发现轨下基础结构的沉降变形，只有当沉降变形反应到轨道板上时才能够被发现。如果能够在路基本体发生局部变形时就及时预警，并进行及时整治，这对列车运行安全性保障和延长路基的使用寿命都具有非常重要的意义。目前沥青混凝土结构物的健康状况评价主要依靠外部观察和专家评分，采用主客观相结合的办法来评价路面的使用性能，这造成管理水平和效率的低下。更重要的是它没有建立明确的定量关系，无法发现内部应力水平的变化和早期损害。只有当外部出现明显缺陷时才开始考虑维修养护，是一种破坏性的保养，造成养护成本居高不下。因此寻找新的高速铁路无碴轨道导电沥青混凝土基层智能化管理办法势在必行。
技术实现要素：
为实现上述目的，本发明提供一种对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土及制备方法，解决了现有技术中高速铁路运营阶段轨下基础的健康监测不安全、费时费力，且无法及时发现轨下基础结构的沉降变形，只有当沉降变形反应到轨道板上时才能够被发现的问题。
本发明所采用的技术方案是，对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土，按照质量份数，由集料100份、沥青5.1-5.8份、石墨18-25份、碳纤维0.5-1.5份、矿粉10份组成。
进一步的，所述集料级配类型为ac-20。
进一步的，所述碳纤维为沥青基碳纤维。
进一步的，所述沥青基碳纤维的长度为5mm。
本发明所采用的另一技术方案是，对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土的制备方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一、准备所需集料的质量，将集料在170℃的温度下烘干6h；
步骤二、在烘干的集料中加入碳纤维，混合料在170℃的搅拌锅中搅拌两次，每次搅拌100s；
步骤三、将步骤二所得混合料中继续加入160℃的沥青，在170℃的搅拌锅中搅拌一次，搅拌100s；
步骤四、将步骤三所得的混合物中加入矿粉和石墨，在170℃的搅拌锅中搅拌一次，搅拌100s；
步骤五、将步骤四所得的混合物放入105℃的模具中进行装模，装模的温度为145℃，并成型试件，随后进行脱模、编号。
本发明的有益效果是：(1)对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土可以在沥青路面性能指数的下降初期就提出养护，寻找最佳的养护时机，这可以大幅降低养护成本，大幅度地延长沥青路面的使用寿命；(2)人工检测时，只有当沉降变形反应到轨道板上时才提出养护，即使恢复也只能停留在原有水平的70～80％之间，如果能够在路基本体发生局部变形时就及时预警，并进行及时整治，列车运行安全性保障和延长路基的使用寿命都具有非常重要的意义。与人工检测相比，导电沥青混凝土在损伤的初期阶段就能发现并提出解决方案，它将可以使路基的性能指数恢复到原有水平的90％～100％；(3)可对高速铁路沥青混凝土轨下基础结构在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下产生的沉降变形以及损伤开裂进行实时监测，其自身的电阻率输出就能反映温度、加载、损伤等各种热力学状态变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是导电沥青混凝土的制备流程图；
图2是路基基床铺设导电沥青混凝土的示意图；
图3是导电沥青混凝土的养护点与普通人工检测的养护点之间的时间对比图；
图4是导电沥青混凝土在疲劳过程中电阻率及纵向变形关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土，按照质量份数，由集料100份、沥青5.1-5.8份、石墨18-25份、碳纤维0.5-1.5份、矿粉10份组成。
本文的集料级配类型为ac-20；选用高粘度、高模量的沥青，碳纤维选用沥青基碳纤维，长度为5mm，具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与导热等优良性能，沥青基碳纤维的性能指标如表1所示。
表1沥青基碳纤维性能指标
本文所用矿粉粒径100％都小于0.6mm，＜0.15mm的占97.5％，＜0.075mm占83.5％；其他性能指标如表2所示。
表2矿粉性能指标
碳纤维与石墨对沥青混凝土导电性能的改善效果显著。由于单独一种导电材料对导电性能改善不佳，可以通过石墨与沥青基碳纤维的二相复合，两种导电相材料的掺量均小于其临界体积掺量，产生复合效应，获得理想的试验效果。导电沥青混凝土的抗压回弹模量降低的幅度随石墨含量的增加而降低的，在没有加入导电相的时候，沥青混合料的疲劳寿命在21000次，掺入5份石墨时，导电沥青混凝土的疲劳寿命发生下降，疲劳寿命大概在190000次，相当于不掺石墨时抗压回弹模量的90％，掺入10份石墨而不加碳纤维时，导电沥青混凝土的抗压回弹模量只相当于不掺石墨时的70％，掺入22.5份石墨时的疲劳寿命为不掺石墨时的75％，掺入45份石墨时导电沥青混凝土的抗压回弹模量为不掺石墨时的60％，此时可以得出，加入石墨的量多时导电沥青混凝土的抗压回弹模量较低，不符合路面性能指数。在不加碳纤维时，导电沥青混凝土的抗压回弹模量先降低后增加，随后又降低，试验发现在加入少量的碳纤维后，导电沥青混凝土的抗压回弹模量降低的幅度明显减小。石墨可作为导电沥青混凝土的主要导电相材料，碳纤维作为辅助导电相材料。
实施例一
对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土，按照质量份数，由集料100份、沥青5.1份、石墨18份、沥青基碳纤维1.5份、矿粉10份组成。
实施例二
对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土，按照质量份数，由集料100份、沥青5.4份、石墨22份、沥青基碳纤维1份、矿粉10份组成。
实施例三
对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土，按照质量份数，由集料100份、沥青5.8份、石墨25份、沥青基碳纤维0.5份、矿粉10份组成。
对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土的制备方法，其流程图如图1所示，具体按照以下步骤进行：
步骤一、准备所需集料的质量，将集料在170℃的温度下烘干6h；
步骤二、在烘干的集料中加入碳纤维，混合料在170℃的搅拌锅中搅拌两次，每次搅拌100s；
步骤三、将步骤二所得混合料中继续加入160℃的沥青，在170℃的搅拌锅中搅拌一次，搅拌100s；
步骤四、将步骤三所得的混合物中加入矿粉和石墨，在170℃的搅拌锅中搅拌一次，搅拌100s；
步骤五、将步骤四所得的混合物放入105℃的模具中进行装模，装模的温度为145℃，并成型试件，随后进行脱模、编号。
本文的制备方法所得的导电沥青混凝土具有良好的导电性能，电阻通常在10～1000ω之间，其次它具有良好的压敏性，当受到压力的作用后，其输出电信号能够随着压力大小的变化而变化。此外，它还具有对结构内的应变水平进行感知的能力，其性能指标如表3所示。因此，使得导电沥青混凝土在沥青路面的结构承载能力评估、结构健康监测、疲劳寿命预测和智能化管理方面有着较为广泛的应用前景。
表3导电沥青混凝土的性能指标
在现有路基上采用导电沥青混凝土，根据路基受载后输出电信号的变化规律来判断路基基层结构的荷载大小，方法简单灵活、重复性高、灵敏度高。在现有路基的强化表层或基床底层铺设一层导电混凝土，它集结构与功能一体化，能够点、线、面或者三者组合进行结构健康监测，可以取代目前常用于无损检测时外在添加的传感器如压电陶瓷、光学纤维，或通过视觉、超声、液体渗透染色等方法进行监测。自诊断材料具有在线及时、低成本、耐久性良好、感知能力强，不会因为外在传感器的植入而导致材料性能下降的特点。
对无碴轨道进行健康自诊断的导电沥青混凝土的使用，在路基基床底层上设置一层导电沥青混凝土，厚度为15cm，导电沥青混凝土上依次铺设有强度等级为c25的混凝土支承层、强度等级为c40的自密实混凝土充填层、强度等级为c60的轨道板，如图2所示。
采用导电沥青混凝土所提出的养护点与利用普通人工检测提出的养护点之间的时间对比图，如图3所示，可以看出，利用导电沥青混凝土进行养护点诊断在沥青路面性能指数的下降初期就提出养护，并寻找最佳的养护时机，大幅降低养护成本并延长沥青路面的使用寿命；人工检测时，只有当沉降变形反应到轨道板上时才提出养护，此时沥青路面的性能指数已经下降，在常规养护点进行恢复也只能停留在原有水平的70～80％之间；导电沥青混凝土通过自诊断在路基本体发生局部变形时就及时预警，并对自诊断的养护点进行及时整治，使路基的性能指数恢复到原有水平的90％～100％。
导电沥青混凝土对其内部结构变化具有良好的自诊断能力，其电阻率随着内部结构的变化而不断变化，导电沥青混凝土电阻率变化在疲劳过程中分别经历沉降变形(a-b)、变形稳定(b-c)、微损伤(c-d)和破坏(d-e)四个阶段，如图4所示。导电沥青混凝土在反复载荷作用下的永久变形中，其开始阶段的压密过程有助于导电粒子的进一步接触，平稳变形阶段的变形和导电沥青胶浆流动更进一步影响电阻的变化。随着重复荷载的增加，疲劳损伤将产生裂纹，而微裂纹是电子跃迁的屏障，达到一定程度以后，使导电沥青混凝土的导电网络遭到破坏，导致导电性能下降，电阻或阻抗增大，直至导电沥青混凝土结构与材料完全变形或断裂，电阻率出现急剧增大，此时变形处于破坏阶段。导电沥青混凝土在一定应力条件下具有明显的机敏特征，主要表现为导电沥青混凝土电阻率的变化与混凝土结构变化之间的对应关系。电阻率的变化实质上是由结构变化引起的连锁反应，那么根据这种对应关系，在实际使用过程中只要测出导电沥青混凝土的电阻率，就可知道结构的健康状况，这种功能称之为自诊断，它可广泛地应用在结构健康监测方面。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。