SMA-13石墨烯复合橡胶沥青混合料性能优化研究_曹青霞.pdf
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1、公路 年月第期 基金项目:甘肃省科技计划重点研发项目,项目编号 ;甘肃省中小企业创新基金项目,项目编号 收稿日期:文章编号:()中图分类号:文献标识码:石墨烯复合橡胶沥青混合料性能优化研究曹青霞,王云,(甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司兰州市 ;甘肃省公路养护技术创新中心兰州市 )摘要:为研究纤维类型、纤维掺量、油石比、矿粉掺量对 型石墨烯复合橡胶改性沥青()混合料路用性能的影响规律,选取单轴贯入强度、流变次数、半圆弯曲试验断裂能及冻融劈裂强度比为性能评价指标,利用正交试验,通过极差分析法和方差分析方法,开展 混合料性能优化研究。结果表明:混合料配合比设计选择颗粒状木质纤维,纤维掺量为 ,油
2、石比为 ,矿粉掺量时,其各项性能指标达到最优,通过甘肃某一级公路试验段验证,该性能优化设计能满足路用性能要求;对比 和 的断裂能对各因素的影响,发现低温开裂对于矿粉掺量更敏感,疲劳开裂对于油石比的变化更敏感。关键词:石墨烯复合橡胶改性沥青;正交试验;单轴贯入强度;半圆弯曲试验;流变次数试验;性能优化概述 沥青混合料具有优良的高温抗车辙性能、低温抗裂性能、耐疲劳性能、水稳定性能、抗滑性能等,得到了广泛的应用。等选择沥青混合料的类型、温度、加载频率和轴重为影响因素,设置()正交试验法,分别采用方差分析法和极差分析法,将各因素对沥青混合料抗车辙性能的影响进行了分析和排序。等开发了由粗、细级配设计、混
3、合料体积设计组成的橡胶沥青混合料设计理论模型,采用正交试验设计方法,研究了空隙率()、矿料空隙率()和 曲线指数对混合料车辙性能的影响,并根据境内外的试验结果和经验,提出了 设计参数优化组合和性能要求。辛春福通过正交试验方法,以级配类型、油石比、纤维掺量为研究对象,选取流动性、动稳定度、抗剪强度及低温弯拉应变作为 沥青混合料性能评价指标,对其路用性能开展了配合比优化研究,得出较优的配合比设计方案。武立超采用 ()试验方案,以 、通过率及油石比为研究对象,以空隙率为评价指标,采用橡胶沥青 沥青混合料的配合比设计优化级配及油石比。沥青混合料是采用石墨烯复合橡胶改性沥青和传统沥青玛蹄脂碎石混合料级配
4、拌制而形成的一种新型沥青混凝土材料,其纤维类型、纤维掺量、矿粉掺量及油石比均会对混合料配合比设计产生不同影响。本文以纤维类型、纤维掺量、油石比、矿粉 掺 量 为研 究 影 响因素,选取单轴贯入试验、试验、半圆弯曲试验、裂缝扩展性能试验(半圆弯曲法)、冻融劈裂强度试验进行 沥青混合料的路用性能综合评价,采用方差分析和极差分析的方法,得出较优的混合料性能优化方案。原材料及试验方案 原材料 为成品改性沥青,其基本性能指标见表。试验用种矿粉掺量对应的 型沥青混合料的级配见表。正交试验方案选择纤维类型、纤维掺量、油石比、矿粉掺量作为 混合料配合比设计的影响因素。纤维类型选择的种纤维代号分别为、,其中为表
5、 性能检测结果测试项目测试结果 针入度 针入度指数 黏度()延度 软化点 弹性恢复 储存稳定性,离析 质量变化 残留针入度比 残留延度 组合纤维,是一种新型的高强度无机超细纤维复合材料,属于矿物纤维,技术指标见表,为絮状木质素纤维,技术指标见表,为德国 的粒状木质纤维,技术指标见表。纤维掺量查阅文献并结合当地 沥青混合料的配合比设计经验,常规 纤维掺量为 ,。由于 本身黏度较 改性沥青大,对于纤维的掺量相对较低,因此,选择个水平的纤维掺量分别为、。表种矿粉掺量对应 沥青混合料级配筛孔尺寸 通过百分率 表 组合纤维性能指标测试指标平均长度吸油率 值含水率堆积体积()海泡石含量技术要求 测试结果
6、表絮状木质素纤维性能指标测试指标平均长度吸油率 值灰分含水率堆积体积()技术要求 测试结果 表颗粒状木质素纤维性能指标测试指标纤维素含量沥青含量平均长度平均直径堆积体积()技术要求 左右 左右 测试结果 油石比调研不同省份 改性沥青混合料的油石比,其在 之间。因此,选择 混合料的油石比变化水平为 、。矿粉掺量通过调研不同省份 改性沥青混合料的矿粉掺量,其在 之间。结合室内试验发现,混合料所用矿粉小于 改性沥青。因此,研究选择 混合料的矿粉变化水平为、。采用()正交试验,以纤维类型、纤维掺量、油石比、矿粉掺量为研究影响因素,因素水平表见表。共设计组试验,每组试验分别进行单轴贯入试验、试验、低温半
7、圆弯曲试验()、裂缝扩展性能试验(半圆弯曲法)及冻融劈裂试验。表正交试验因素水平水平因素:纤维类型:纤维掺量:油石比:矿粉掺量 结果与讨论根据表设置的()正交试验,进行单轴贯入试验、试 验、低 温 半 圆 弯 曲 试 验 公路 年第期 年第期曹青霞王云:石墨烯复合橡胶沥青混合料性能优化研究()、裂缝扩展性能试验(半圆弯曲法)及冻融劈裂试验。评价 沥青混合料的高温性能、低温性能、常温抗疲劳开裂性能和抗水损害性能,试验结果见表。表正交试验表结果试验次数试验因素正交试验结果 抗剪强度 流变次数次 断裂能 断裂能 冻融劈裂强度比 极差分析法采用极差分析法对试验结果进行分析,极差反映因素水平变化对指标影
8、响范围的大小,极差越大,说明在该因素下所选的水平数对指标的影响越大。因此,极差最大的一列的因素,就是对指标影响最大的因素,也就是最主要因素。单轴贯入强度根据 公路沥青路面设计规范()进行单轴贯入试验,采用旋转压实法成型 圆柱体试件,压头为 圆 柱 体,贯 入 系 数 取 ,加 载 频 率 为 ,试验温度。该方法评价 沥青混合料的高温下的抗剪性能。单轴贯入强度主要影响因素分析见图。图单轴贯入强度的主要影响因素分析由图可知,在考虑的温度范围内,各因素对单轴贯入强度的影响程度为:油石比纤维掺量纤维类型矿粉掺量。纤维类型对 混合料单轴贯入强度的影响为:;纤维掺量对单轴贯入强度影响随掺量增加而增加;在给
9、定范围油石比中,油石比增大,单轴贯入强度先增大后减小;矿粉掺量对其作用并不显著,掺量最优。因此,对于单轴贯入强度的最优水平为:,即因素(纤维类型)选择水平和水平,因素(纤维掺量)选择水平和水平,因素选择水平,因素选择水平和水平。试验 试验,是指定温度下,每加载 脉宽的半正弦轴向荷载,测量由此而导致的永久轴向应变,它是时间的函数,经数值微分后计算出流变次数。试验设置温度,加载方式为半正弦波,荷载频率,加载时间 ,荷载间歇时间 ,无围压,加载应力 。该方法用于评价沥青混合料的高温抗变形能力,流变次数的极差分析见图。图流变次数的主要影响因素分析由图可知,在考虑温度范围内,各因素对流变次数的影响程度为
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