張　璇

(滄州市高速公路建設(shè)管理局　滄州　061001)

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納米碳纖維改性瀝青混凝土試驗(yàn)研究*

張璇

(滄州市高速公路建設(shè)管理局滄州061001)

摘要：納米材料可顯著提高路面材料性能和耐久性.分析研究納米碳纖維改性瀝青性能，通過室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明納米改性瀝青混合料的粘彈性、強(qiáng)度、抗永久變形以及抗疲勞特性都得到增強(qiáng).為了深入分析碳纖維改性瀝青混合料微觀力學(xué)性能，還采用SEM對(duì)碳纖維改性瀝青混合料斷面的微觀形貌進(jìn)行了分析.結(jié)果表明碳纖維的摻入以一種特殊的方式改善了瀝青混凝土性能.

關(guān)鍵詞：納米碳纖維；熱拌瀝青混凝土；勁度模量；微觀結(jié)構(gòu)；掃描電鏡

0引言

近年來，通過納米材料改性可以使傳統(tǒng)材料的性能得到顯著提高或者賦予材料多功能特性，因此納米改性材料技術(shù)獲得了前所未有的關(guān)注.納米材料改性技術(shù)所具有的優(yōu)勢也為修建長壽命耐久性路面提供了重要的技術(shù)手段[1-5].影響納米材料在改性基體材料中的分散效果,以及配伍性是影響改性效果的關(guān)鍵性因素.納米材料改性復(fù)合材料的性能主要跟納米材料與基體材料界面的粘結(jié)狀況以及納米材料在基體材料中分散均勻性有關(guān).Khattab等[6]等提出了超聲與高速剪切復(fù)合納米材料分散法，可以顯著納米聚合物材料力學(xué)性能.研究的目的是為了探討納米碳纖維材料改性瀝青混凝土的力學(xué)性能.碳纖維可在瀝青混凝土中形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高混合料的強(qiáng)度和勁度.納米碳纖維具有極高的長寬比，所形成的網(wǎng)絡(luò)可在微米級(jí)裂縫中形成橋接結(jié)構(gòu).而橋接作用是限制約束裂縫產(chǎn)生生長的重要原因，因此可以顯著提高瀝青混凝土的疲勞壽命與抗永久變形能力.

1原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

瀝青結(jié)合料為SK A-90瀝青；粗細(xì)集料均為破碎石灰?guī)r，填料為磨細(xì)石灰石粉，各項(xiàng)指標(biāo)滿足有關(guān)規(guī)范規(guī)定，合成級(jí)配具體見表1.試驗(yàn)所采用納米碳纖維為氣相沉積法制備碳纖維，其直徑為60～150 nm，長度為30～100 μm，拉伸模量為600 GPa，拉伸強(qiáng)度為7 GPa.

表1　試驗(yàn)用瀝青混凝土級(jí)配

2.2拌和改性工藝

納米碳纖維一般是塊狀固體，很難直接分散，因此需要特殊的工藝進(jìn)行分散.碳纖維-煤油混合物[6]：將納米碳纖維與煤油混合，采用超聲技術(shù)與高速剪切技術(shù)使碳纖維分散到煤油中，再將碳纖維與煤油混合物加入到60 ℃瀝青中，然后緩慢加熱到150 ℃，高速剪切170～175 min，整個(gè)加熱攪拌過程可基本將煤油蒸出.該過程可制成性質(zhì)非常均勻的碳纖維改性瀝青.

每組試驗(yàn)至少準(zhǔn)備3個(gè)混合料試件，試件采用Superpave中的SGC成型方法，試件厚度為35 mm；采用間接拉伸試驗(yàn)方法測定動(dòng)態(tài)模量、拉伸強(qiáng)度、勁度模量、韌性以及永久變形等特性.

2.3試驗(yàn)方法

采用馬歇爾方法進(jìn)行瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)采用間接拉伸受力模式，采用MTS材料試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)溫度20 ℃；間接拉伸強(qiáng)度，試驗(yàn)方法與條件與動(dòng)態(tài)模量類似；掃描電鏡分析采用高解析度掃描電鏡，研究瀝青混凝土斷面形貌，斷裂面采用直接拉伸方法獲得.

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1動(dòng)態(tài)模量

圖1～2對(duì)比了普通瀝青混凝土與碳纖維改性瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量.碳纖維改性瀝青混凝土中碳纖維含量為5%，空隙率為4%.可以看出，動(dòng)態(tài)模量E*較普通瀝青混凝土提高20%～40%，相位角δ降低4%～20%.普通瀝青混凝土與碳纖維改性瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù)基本接近，均接近9%.顯著性雙尾t檢驗(yàn)(α=0.05)分析表明，普通瀝青混凝土與碳纖維改性瀝青混凝土在E*和δ 2項(xiàng)指標(biāo)上存在顯著性區(qū)別.碳纖維改性瀝青混凝土具有較高的E*和較低δ，表明其具有良好的抗車轍永久變形能力.

圖1　動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)(動(dòng)態(tài)模量)結(jié)果

圖2　動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)(相位角)結(jié)果

3.2間接拉伸強(qiáng)度、勁度模量及韌性指數(shù)

圖3表明普通瀝青混凝土和碳纖維改性瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(間接拉伸受力模式).由圖3可見，兩種瀝青混凝土的破壞應(yīng)力峰值并沒有顯著的區(qū)別.可是曲線的斜率顯示碳纖維改性瀝青混凝土具有更高的勁度模量.因此在相同的應(yīng)力水平下，碳纖維改性瀝青混凝土與普通瀝青混凝土相比具有更低應(yīng)變值.由于該應(yīng)變包含著彈性應(yīng)變、彈塑性應(yīng)變以及塑性應(yīng)變，可以認(rèn)為普通瀝青混凝土?xí)a(chǎn)生更多的塑性應(yīng)變.

圖3　間接拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2匯總了碳纖維改性瀝青混凝土與普通熱拌瀝青混凝土間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果.表中的數(shù)據(jù)說明碳纖維改性瀝青混凝土與普通瀝青混凝土在間接拉伸強(qiáng)度與韌性指數(shù)上沒有太大區(qū)別.雖然斷裂能有所減少，但是這些區(qū)別不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.另外一方面，碳纖維改性瀝青混凝土的勁度模量較普通瀝青混凝土提高約120%.

表2　間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

通常，納米級(jí)和微米級(jí)裂縫均在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線部分產(chǎn)生.可以認(rèn)為碳纖維對(duì)于抵抗納米級(jí)或者微米級(jí)裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展發(fā)揮關(guān)鍵作用.另外碳纖維對(duì)于宏觀裂縫的形成不能夠發(fā)揮作用，如在應(yīng)力應(yīng)變曲線非線性或者拉伸強(qiáng)度區(qū)間.因此，在保持強(qiáng)度、韌性等指標(biāo)基本相同的情況下，碳纖維改性瀝青混凝土的勁度模量指標(biāo)可以獲得顯著提升.

3.4抗永久變形性能

累計(jì)壓縮塑性應(yīng)變-荷載累計(jì)作用次數(shù)關(guān)系曲線見圖4，永久變形試驗(yàn)結(jié)果見表3.

由圖4和表3可見，達(dá)到相同的累計(jì)塑性變形(0.254 mm)，碳纖維改性瀝青混合料的累計(jì)作用次數(shù)遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料，大約為后者的5.5倍.這說明碳纖維改性瀝青混合料具有良好的抗車轍永久變形的能力.

圖4　累計(jì)壓縮塑性應(yīng)變-荷載作用次數(shù)曲線

項(xiàng)目普通瀝青混凝土加載次數(shù)變異系數(shù)/%碳纖維改性瀝青混凝土加載次數(shù)變異系數(shù)/%產(chǎn)生0.35mm累計(jì)變形所需要加載次數(shù)2098729.213466637.5

抵抗永久變形能力的提高主要是由于碳纖維改性瀝青混凝土在間接拉伸勁度模量、動(dòng)態(tài)模量的增加以及相位角的降低.相對(duì)于基質(zhì)瀝青混凝土來說，碳纖維改性瀝青混凝土變得更加堅(jiān)硬、更加彈性.這可以視為碳纖維橋接作用限制和約束納米級(jí)或者微米級(jí)裂縫形成與擴(kuò)展的結(jié)果.

3.5瀝青混凝土微觀結(jié)構(gòu)與斷裂形貌

圖5顯示5.5%碳纖維改性瀝青混凝土放大2 000倍后斷裂面形貌.可以看出碳纖維的密度非常高，而且碳纖維的朝向拉伸荷載方向.這些碳纖維互相交聯(lián)，因此形成一個(gè)發(fā)育良好的纖維網(wǎng)絡(luò).這樣的纖維網(wǎng)絡(luò)能夠抵抗微米級(jí)裂縫擴(kuò)展并限制約束裂縫的生長.

圖5　碳纖維改性瀝青混凝土斷面形貌　2 000×

圖6顯示局部放大后的形貌，還顯示出由于拉應(yīng)力碳纖維被拔出后的形貌，并可在碳纖維的根部觀測到圓錐形瀝青結(jié)構(gòu).

圖6　裂縫處碳纖維橋接作用形貌　6 000×

由圖6可見，碳纖維與瀝青的粘附強(qiáng)度大于或者等于瀝青的內(nèi)聚力.因此當(dāng)碳纖維從瀝青混凝土中拔出時(shí)，纖維表面會(huì)裹附瀝青，從而在纖維的根部形成圓錐形結(jié)構(gòu).有趣的是，納米級(jí)的裂縫也在圓錐形結(jié)構(gòu)附近處觀察到.而且更加細(xì)致的觀察發(fā)現(xiàn)碳纖維表面裹附著瀝青結(jié)合料，這又可以作為碳纖維與瀝青具有良好粘附性的證據(jù).圖中清晰顯示了瀝青混凝土中碳纖維的高分布密度，更好的連接形成更加完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖中顯示大量碳纖維橋接納米級(jí)或者微米級(jí)裂縫.裂縫的橋接連接在限制或者約束微米級(jí)或者納米級(jí)裂縫擴(kuò)展發(fā)揮了重要的作用，因而瀝青混凝土的抗疲勞能力以及抗永久變形能力得到提高.

6結(jié)論

1) 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和SEM微觀分析結(jié)果表明納米碳纖維可以提供跨納米或者微米級(jí)裂縫橋接力，提高粘聚力，這可以約束/限制微米裂縫發(fā)展；

2) 由于納米碳纖維的改性作用，瀝青混凝土的疲勞壽命和抵抗永久變形的能力獲得顯著提升；

3) 與基質(zhì)瀝青混凝土相比，納米碳纖維改性瀝青混凝土具有較高的勁度和動(dòng)態(tài)模量；

4) 從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析，納米碳纖維改性工藝與未經(jīng)過處理相比，在間接拉伸強(qiáng)度和勁度模量兩項(xiàng)指標(biāo)不存在顯著的區(qū)別.

參 考 文 獻(xiàn)

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Study on Carbon Nano-fiber Modified Hot Mix Asphalt Concrete

ZHANG Xuan

(CangzhouCityExpresswayConstructionandManagementBureau,Cangzhou061001,China)

Abstract：Nano materials hold the potential to cost-effectively enhance the efficiency and long-term performance of pavement materials. This paper focuses on the mechanistic characteristics of carbon nano fibers modified hot mix asphalt (HMA) concrete. HMA concrete are modified with carbon nano fibers. The viscoelasticity, strength, permanent deformation and fatigue characteristics of the neat and modified concrete are evaluated under indirect tension load mode. In order to understand the micromechanical behavior of carbon nano fibers in HMA concrete, the microstructure and morphology of fracture surfaces of HMA samples are studied using Scanning Electron Microscopy (SEM). It is found that the addition of carbon nano fibers improves the performance of HMA concrete in a special way.

Key words：carbon nano fibers; HMA concrete; stiffness; microstructure; scanning electron microscopy

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.027

中圖法分類號(hào)：U414

收稿日期：2016-01-20

張璇(1987- )：女，助理工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槁坊访婀こ?/p>

*天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃(15JCYBJC23100)、天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目(20140918)資助