纳米碳纤维改性沥青混凝土试验研究*

张　璇

(沧州市高速公路建设管理局　沧州　061001)



纳米碳纤维改性沥青混凝土试验研究*

张璇

(沧州市高速公路建设管理局沧州061001)

摘要：纳米材料可显著提高路面材料性能和耐久性.分析研究纳米碳纤维改性沥青性能，通过室内试验，结果表明纳米改性沥青混合料的粘弹性、强度、抗永久变形以及抗疲劳特性都得到增强.为了深入分析碳纤维改性沥青混合料微观力学性能，还采用SEM对碳纤维改性沥青混合料断面的微观形貌进行了分析.结果表明碳纤维的掺入以一种特殊的方式改善了沥青混凝土性能.

关键词：纳米碳纤维；热拌沥青混凝土；劲度模量；微观结构；扫描电镜

0引言

近年来，通过纳米材料改性可以使传统材料的性能得到显著提高或者赋予材料多功能特性，因此纳米改性材料技术获得了前所未有的关注.纳米材料改性技术所具有的优势也为修建长寿命耐久性路面提供了重要的技术手段[1-5].影响纳米材料在改性基体材料中的分散效果,以及配伍性是影响改性效果的关键性因素.纳米材料改性复合材料的性能主要跟纳米材料与基体材料界面的粘结状况以及纳米材料在基体材料中分散均匀性有关.Khattab等[6]等提出了超声与高速剪切复合纳米材料分散法，可以显著纳米聚合物材料力学性能.研究的目的是为了探讨纳米碳纤维材料改性沥青混凝土的力学性能.碳纤维可在沥青混凝土中形成立体网络结构，从而提高混合料的强度和劲度.纳米碳纤维具有极高的长宽比，所形成的网络可在微米级裂缝中形成桥接结构.而桥接作用是限制约束裂缝产生生长的重要原因，因此可以显著提高沥青混凝土的疲劳寿命与抗永久变形能力.

1原材料与试验方法

1.1原材料

沥青结合料为SK A-90沥青；粗细集料均为破碎石灰岩，填料为磨细石灰石粉，各项指标满足有关规范规定，合成级配具体见表1.试验所采用纳米碳纤维为气相沉积法制备碳纤维，其直径为60～150 nm，长度为30～100 μm，拉伸模量为600 GPa，拉伸强度为7 GPa.

表1　试验用沥青混凝土级配

2.2拌和改性工艺

纳米碳纤维一般是块状固体，很难直接分散，因此需要特殊的工艺进行分散.碳纤维-煤油混合物[6]：将纳米碳纤维与煤油混合，采用超声技术与高速剪切技术使碳纤维分散到煤油中，再将碳纤维与煤油混合物加入到60 ℃沥青中，然后缓慢加热到150 ℃，高速剪切170～175 min，整个加热搅拌过程可基本将煤油蒸出.该过程可制成性质非常均匀的碳纤维改性沥青.

每组试验至少准备3个混合料试件，试件采用Superpave中的SGC成型方法，试件厚度为35 mm；采用间接拉伸试验方法测定动态模量、拉伸强度、劲度模量、韧性以及永久变形等特性.

2.3试验方法

采用马歇尔方法进行沥青混凝土配合比设计；动态模量试验采用间接拉伸受力模式，采用MTS材料试验系统，试验温度20 ℃；间接拉伸强度，试验方法与条件与动态模量类似；扫描电镜分析采用高解析度扫描电镜，研究沥青混凝土断面形貌，断裂面采用直接拉伸方法获得.

3试验结果

3.1动态模量

图1～2对比了普通沥青混凝土与碳纤维改性沥青混凝土的动态模量.碳纤维改性沥青混凝土中碳纤维含量为5%，空隙率为4%.可以看出，动态模量E*较普通沥青混凝土提高20%～40%，相位角δ降低4%～20%.普通沥青混凝土与碳纤维改性沥青混凝土动态模量试验结果的变异系数基本接近，均接近9%.显著性双尾t检验(α=0.05)分析表明，普通沥青混凝土与碳纤维改性沥青混凝土在E*和δ 2项指标上存在显著性区别.碳纤维改性沥青混凝土具有较高的E*和较低δ，表明其具有良好的抗车辙永久变形能力.

图1　动态模量试验(动态模量)结果

图2　动态模量试验(相位角)结果

3.2间接拉伸强度、劲度模量及韧性指数

图3表明普通沥青混凝土和碳纤维改性沥青混凝土应力-应变曲线(间接拉伸受力模式).由图3可见，两种沥青混凝土的破坏应力峰值并没有显著的区别.可是曲线的斜率显示碳纤维改性沥青混凝土具有更高的劲度模量.因此在相同的应力水平下，碳纤维改性沥青混凝土与普通沥青混凝土相比具有更低应变值.由于该应变包含着弹性应变、弹塑性应变以及塑性应变，可以认为普通沥青混凝土会产生更多的塑性应变.

图3　间接拉伸试验应力应变曲线

表2汇总了碳纤维改性沥青混凝土与普通热拌沥青混凝土间接拉伸试验结果.表中的数据说明碳纤维改性沥青混凝土与普通沥青混凝土在间接拉伸强度与韧性指数上没有太大区别.虽然断裂能有所减少，但是这些区别不具有统计学意义.另外一方面，碳纤维改性沥青混凝土的劲度模量较普通沥青混凝土提高约120%.

表2　间接拉伸试验结果

通常，纳米级和微米级裂缝均在应力-应变曲线的直线部分产生.可以认为碳纤维对于抵抗纳米级或者微米级裂缝的产生与扩展发挥关键作用.另外碳纤维对于宏观裂缝的形成不能够发挥作用，如在应力应变曲线非线性或者拉伸强度区间.因此，在保持强度、韧性等指标基本相同的情况下，碳纤维改性沥青混凝土的劲度模量指标可以获得显著提升.

3.4抗永久变形性能

累计压缩塑性应变-荷载累计作用次数关系曲线见图4，永久变形试验结果见表3.

由图4和表3可见，达到相同的累计塑性变形(0.254 mm)，碳纤维改性沥青混合料的累计作用次数远大于普通沥青混合料，大约为后者的5.5倍.这说明碳纤维改性沥青混合料具有良好的抗车辙永久变形的能力.

图4　累计压缩塑性应变-荷载作用次数曲线

项目普通沥青混凝土加载次数变异系数/%碳纤维改性沥青混凝土加载次数变异系数/%产生0.35mm累计变形所需要加载次数2098729.213466637.5

抵抗永久变形能力的提高主要是由于碳纤维改性沥青混凝土在间接拉伸劲度模量、动态模量的增加以及相位角的降低.相对于基质沥青混凝土来说，碳纤维改性沥青混凝土变得更加坚硬、更加弹性.这可以视为碳纤维桥接作用限制和约束纳米级或者微米级裂缝形成与扩展的结果.

3.5沥青混凝土微观结构与断裂形貌

图5显示5.5%碳纤维改性沥青混凝土放大2 000倍后断裂面形貌.可以看出碳纤维的密度非常高，而且碳纤维的朝向拉伸荷载方向.这些碳纤维互相交联，因此形成一个发育良好的纤维网络.这样的纤维网络能够抵抗微米级裂缝扩展并限制约束裂缝的生长.

图5　碳纤维改性沥青混凝土断面形貌　2 000×

图6显示局部放大后的形貌，还显示出由于拉应力碳纤维被拔出后的形貌，并可在碳纤维的根部观测到圆锥形沥青结构.

图6　裂缝处碳纤维桥接作用形貌　6 000×

由图6可见，碳纤维与沥青的粘附强度大于或者等于沥青的内聚力.因此当碳纤维从沥青混凝土中拔出时，纤维表面会裹附沥青，从而在纤维的根部形成圆锥形结构.有趣的是，纳米级的裂缝也在圆锥形结构附近处观察到.而且更加细致的观察发现碳纤维表面裹附着沥青结合料，这又可以作为碳纤维与沥青具有良好粘附性的证据.图中清晰显示了沥青混凝土中碳纤维的高分布密度，更好的连接形成更加完善的网络结构，图中显示大量碳纤维桥接纳米级或者微米级裂缝.裂缝的桥接连接在限制或者约束微米级或者纳米级裂缝扩展发挥了重要的作用，因而沥青混凝土的抗疲劳能力以及抗永久变形能力得到提高.

6结论

1) 力学试验结果和SEM微观分析结果表明纳米碳纤维可以提供跨纳米或者微米级裂缝桥接力，提高粘聚力，这可以约束/限制微米裂缝发展；

2) 由于纳米碳纤维的改性作用，沥青混凝土的疲劳寿命和抵抗永久变形的能力获得显著提升；

3) 与基质沥青混凝土相比，纳米碳纤维改性沥青混凝土具有较高的劲度和动态模量；

4) 从统计学角度分析，纳米碳纤维改性工艺与未经过处理相比，在间接拉伸强度和劲度模量两项指标不存在显著的区别.

参 考 文 献

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[2]HUSSAIN F. Review article: polymer-matrix nanocomposites, processing, manufacturing, and application: an overview[J].J Compos Mater，2006，40(17):1511-1525.

[3]KUMAR S. Processing and characterization of carbon nanofiber/syndiotactic polystyrene composites in the absence and presence of liquid crystalline polymer[J].Composites: Part A，2007，38:1304-1317.

[4]FIEDLER B. Fundamental aspects of nano-reinforced composites[J].Compos Sci Technol，2006，66:3115-3125.

[5]LIN J C. Mechanical behavior of various nanoparticle filled composites at lowvelocity impact[J].Compos Struct，2006，76:30-36.

[6]KHATTAB A.Preliminary process investigation of manufacturing high temperature polymer nanocomposites[C].SAMPE Technical Conference Proceedings，New Materials and Processes for a New Economy, Seattle (WA): Society for the Advancement of Material and Process Engineering，2010.

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

中图法分类号：U414

收稿日期：2016-01-20

张璇(1987- )：女，助理工程师，主要研究领域为路基路面工程

*天津市应用基础与前沿技术研究计划(15JCYBJC23100)、天津市高等学校科技发展基金计划项目(20140918)资助