本研究由伊朗乌尔米亚大学（Urmia University）土木工程系的Ehsan Ahmadi与Nader Solatifar共同完成，于2025年发表在《科学报告》（Scientific Reports）期刊上。
研究背景与目标 本研究属于交通工程与功能材料交叉领域，聚焦于冬季道路除冰除雪这一关键问题。传统方法如撒盐或化学融雪剂会损害环境、腐蚀基础设施，而封闭道路或取消航班则带来巨大的经济与社会成本。因此，开发一种高效、环保、可持续的主动融冰路面技术具有重要意义。近年来，导电混凝土（Electrically Conductive Concrete, ECon）已得到一定研究并有所应用，但导电沥青混凝土（Electrically Conductive Asphalt Concrete, ECAC）的研究相对有限，且尚未实现大规模实际应用。
本研究旨在利用废轮胎回收材料，设计并评估一种新型导电沥青路面（Electrically Conductive Asphalt Pavement, ECAP）系统的电热性能。具体目标包括：1）将高碳回收金属纤维（Recycled Metal Fiber, RMF）和炭黑改性沥青结合料（Carbon Black Modified Binder, CBMB）作为导电添加剂引入沥青混合料；2）在乌尔米亚大学足尺路面试验场构建不同配比的ECAP试验段；3）通过现场和实验室实验，全面评估其导电性、加热效率、能耗及除冰能力；4）分析其抗滑性能与建造成本，为未来实际应用提供技术依据。
详细研究流程 本研究流程可分为材料准备、足尺试验段建造、现场与实验室测试、数据分析四个主要阶段。
第一阶段：材料准备与混合料设计 首先，研究人员确定了基础材料。骨料包括0-6mm、6-12mm、12-19mm三档以及矿物填料（粉煤灰）。沥青结合料采用两种：一种是普通PG 58-22沥青，另一种是掺入12%热解回收炭黑（CB）的改性沥青（CBMB）。导电相核心材料为从废轮胎中回收的金属纤维（RMF），其直径约0.381-0.457毫米，长度大多小于14毫米，电阻率低（约1.59×10⁻⁷ Ω·m），含碳量高。通过马歇尔设计法确定了最佳沥青用量为4.9%（对于两种结合料均适用）。基于此，设计了四种不同的现场试验段混合料方案：1）含3% RMF的普通沥青混合料（记为3%）；2）含6% RMF的普通沥青混合料（记为6%）；3）含6% RMF的CBMB混合料（记为6% M）；4）含9% RMF的普通沥青混合料，并在导电层下方铺设了一层土工膜（Geo-membrane）用于隔热绝缘（记为9%）。所有混合料均在附近沥青拌合站生产，RMF在最后阶段以100°C预热后加入，拌合5分钟，但观察到RMF存在团聚现象。
第二阶段：足尺试验段建造与设备安装 在乌尔米亚大学的足尺试验场，建造了四个尺寸为70厘米宽、400厘米长、7.5厘米厚的ECAP试验段。每个试验段内，以50厘米、75厘米、100厘米三种间距，嵌入了6根长60厘米、直径2.54厘米的镀锌钢管作为电极。电极通过塑料垫片固定在混凝土基层上，以避免接触和位移。采用防火涂层的6毫米铝线连接电极与一台0-220伏的变压器，电线穿入聚乙烯管保护。对于9% RMF的试验段，在铺设沥青层前先铺设了一层土工膜，旨在评估其对基层的电气和热隔离效果。所有混合料均分两层摊铺并压实至标准厚度。施工完成后，从每个试验段的E-F电极间距（100厘米）区域钻取了三个直径7.62厘米的芯样，共12个，用于后续实验室测试。
第三阶段：测试程序 测试包括现场电学测试、实验室电热测试和抗滑测试。 1. 现场电学测试：在夏季（气温约32°C，路面温度约37°C）进行。使用变压器对不同的电极对施加0-220V交流电，记录稳定后的电流值。根据欧姆定律，计算不同电极间距下各试验段的电阻率。测试旨在评估ECAP在常温下的导电性能及导电网络的连通性。 2. 实验室电热测试：为模拟冬季除冰工况，将钻取的芯样冷冻至-20°C。在实验室中，使用铝箔作为电极贴在芯样两侧，施加恒定低电压（2-4V），每30秒记录一次电流和芯样内部（距表面2厘米）温度，直至表面温度升至0°C。此测试用于评估ECAP在低温下的启动电压、升温速率和能耗。 3. 冬季现场除冰验证：在2023年1月的一次降雪（积雪8厘米，气温-1°C）期间，对现场试验段进行了通电除冰测试，观察其实际融雪效果。 4. 抗滑性能测试：使用BM-III型英国摆式仪，在20°C环境温度下，测量了四个ECAP试验段和一个普通沥青参照段在干湿条件下的英国摆值（BPN），以评估路面的行车安全性。 5. 图像处理分析：对6% M组的两枚芯样截面进行图像处理，以量化RMF的分散程度，解释导电性能的差异。 6. 成本分析：基于试验场建设成本，对性能最佳的6% M ECAP（电极间距50厘米）与传统沥青路面进行了每平方米的材料费和安装费对比分析。
主要研究结果 1. 导电性能与渗透阈值：现场电学测试表明，RMF含量为3%的试验段导电性能最差，无法在75厘米和100厘米间距下形成有效导电通路。而6%、6% M和9%的试验段则表现出良好的导电性。特别是在50厘米和75厘米间距下，6% M（含CBMB）和9%试验段的性能最佳。在100厘米间距下，仅有6% M试验段能正常工作。这证实了ECAP的导电渗透阈值（Percolation Threshold）介于3%至6% RMF含量之间。CBMB的加入显著降低了混合料的电阻率，提升了导电性能。 2. 电热性能与能耗：实验室芯样测试结果与现场结论一致。3% RMF的芯样需要很高电压才能启动，且迅速失效。6% M芯样表现最优，仅需2V电压即可启动，在128秒内将温度从-20°C升至0°C，计算得出的功率密度为1623 W/m²。6%和9%的芯样分别需要4V和3V启动，升温至0°C耗时198秒和176秒，功率密度更高（分别为4087和3092 W/m²），但高电流导致了更快的系统失效风险。研究表明，ECAP的加热速度远快于文献中报道的导电混凝土（ECon，265.1 W/m²下2小时仅升温5°C），虽然瞬时功率密度更高，但由于激活时间极短，总能耗可能更低。 3. 冬季现场除冰效果：在实际雪天测试中，3%和6%试验段通电后很快失效。6% M和9%试验段在可控电压下（防止网络烧毁），经过3个周期（每周期通电5分钟，间歇10分钟，总计45分钟）成功融化了8厘米厚的积雪，证明了其实际除冰能力。 4. 失效机制与材料分散：测试中部分试验段在通电几秒后发生“砰”的声响并断路。分析表明，这是由于RMF在混合料中分散不均和团聚造成的。导电网络中存在“瓶颈”区域，该处纤维接触面积小，电阻局部过高，在高电流下过热熔断，导致整个通路不可逆损坏。图像处理证实，即使同为6% M的芯样，其截面RMF面积占比也存在巨大差异（2.6% vs. 14%），这直接导致了性能的离散性和局部失效风险。 5. 抗滑性能：所有ECAP试验段的BPN值均等于或略高于普通沥青参照段。在干燥条件下，6%、6% M、9%试验段的BPN值（62-63）高于参照段（60）；在湿滑条件下，ECAP试验段的BPN值（52-53）也高于参照段（51）。表明掺入RMF并未损害路面的抗滑性能，甚至略有改善。 6. 成本分析：计算表明，对于7.5厘米厚的路面层，ECAP（6% M方案）的材料成本约为传统沥青的2.26倍（21.82 vs. 9.65 USD/m²），安装成本约为1.67倍（5 vs. 3 USD/m²）。总建造成本约为传统沥青的2.12倍（26.82 vs. 12.65 USD/m²）。该成本低于以往使用碳纤维等昂贵材料的估算，显示了采用回收材料的成本优势。
结论 本研究成功设计并验证了一种基于回收金属纤维（RMF）和炭黑改性沥青（CBMB）的导电沥青路面（ECAP）系统。主要结论如下： 1. 最佳配比：含有6% RMF和CBMB的ECAP综合性能最佳，具有较低的启动电压、快速的升温速率（-20°C至0°C仅需128秒）和相对较低的功率密度（1623 W/m²），在实际雪天中也展现了有效的除冰能力。 2. 材料作用：CBMB能有效降低沥青结合料本身的电阻，与RMF协同增强整体导电性。RMF的高导电性是实现快速加热的关键。 3. 核心挑战：RMF在沥青混合料中的分散均匀性是决定ECAP性能可靠性和耐久性的最关键因素。团聚和分散不均会导致局部过热和导电网络早期失效。 4. 性能与成本平衡：所开发的ECAP系统在除冰效率上具有显著优势，且利用废轮胎回收材料，兼具环保和成本效益。虽然建造成本高于传统路面，但其在提升冬季道路安全、减少延误和经济损失、降低化学除冰剂环境危害方面的潜在价值巨大。
研究亮点 1. 材料创新：首次系统地将废轮胎回收的金属纤维（RMF）与炭黑改性沥青（CBMB）结合，用于构建足尺导电沥青路面，为废轮胎资源化利用开辟了新途径。 2. 系统性足尺研究：研究不仅限于实验室试件，还包括了完整的足尺试验段设计、建造、现场测试和冬季验证，为技术走向工程应用提供了关键数据。 3. 深入机理分析：通过现场失效现象和芯样图像处理，明确指出了RMF分散均匀性是影响ECAP性能稳定性的核心问题，为后续工艺改进指明了方向。 4. 综合性能评估：研究涵盖了电学性能、热学性能、能耗、实际除冰效果、抗滑性能及成本分析，对ECAP进行了全面、立体的评估。 5. 明确的工程指导意义：研究确定了RMF的渗透阈值范围，评估了CBMB的增效作用，给出了具体的配比建议和成本数据，对工程实践具有直接的参考价值。
其他有价值内容 研究还讨论了ECAP系统的安全考虑（如接地保护）和未来研究方向，例如需要对RMF的切割机制和分散模拟进行进一步研究，以优化施工工艺，确保导电网络的长期可靠性。总体而言，该研究为开发一种高效、环保、基于回收材料的智能除冰路面技术迈出了坚实的一步。