納米碳纖維改性瀝青混凝土試驗研究*

張　璇

(滄州市高速公路建設管理局　滄州　061001)

?

納米碳纖維改性瀝青混凝土試驗研究*

張璇

(滄州市高速公路建設管理局滄州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，通過室內試驗，結果表明納米改性瀝青混合料的粘彈性、強度、抗永久變形以及抗疲勞特性都得到增強.為了深入分析碳纖維改性瀝青混合料微觀力學性能，還采用SEM對碳纖維改性瀝青混合料斷面的微觀形貌進行了分析.結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.

關鍵詞：納米碳纖維；熱拌瀝青混凝土；勁度模量；微觀結構；掃描電鏡

0引言

近年來，通過納米材料改性可以使傳統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獲得了前所未有的關注.納米材料改性技術所具有的優勢也為修建長壽命耐久性路面提供了重要的技術手段[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鍵性因素.納米材料改性復合材料的性能主要跟納米材料與基體材料界面的粘結狀況以及納米材料在基體材料中分散均勻性有關.Khattab等[6]等提出了超聲與高速剪切復合納米材料分散法，可以顯著納米聚合物材料力學性能.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性能.碳纖維可在瀝青混凝土中形成立體網絡結構，從而提高混合料的強度和勁度.納米碳纖維具有極高的長寬比，所形成的網絡可在微米級裂縫中形成橋接結構.而橋接作用是限制約束裂縫產生生長的重要原因，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原材料與試驗方法

1.1原材料

瀝青結合料為SK A-90瀝青；粗細集料均為破碎石灰巖，填料為磨細石灰石粉，各項指標滿足有關規范規定，合成級配具體見表1.試驗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，拉伸強度為7 GPa.

表1　試驗用瀝青混凝土級配

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，采用超聲技術與高速剪切技術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，整個加熱攪拌過程可基本將煤油蒸出.該過程可制成性質非常均勻的碳纖維改性瀝青.

每組試驗至少準備3個混合料試件，試件采用Superpave中的SGC成型方法，試件厚度為35 mm；采用間接拉伸試驗方法測定動態模量、拉伸強度、勁度模量、韌性以及永久變形等特性.

2.3試驗方法

采用馬歇爾方法進行瀝青混凝土配合比設計；動態模量試驗采用間接拉伸受力模式，采用MTS材料試驗系統，試驗溫度20 ℃；間接拉伸強度，試驗方法與條件與動態模量類似；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試驗結果

3.1動態模量

圖1～2對比了普通瀝青混凝土與碳纖維改性瀝青混凝土的動態模量.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，動態模量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態模量試驗結果的變異系數基本接近，均接近9%.顯著性雙尾t檢驗(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項指標上存在顯著性區別.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　動態模量試驗(動態模量)結果

圖2　動態模量試驗(相位角)結果

3.2間接拉伸強度、勁度模量及韌性指數

圖3表明普通瀝青混凝土和碳纖維改性瀝青混凝土應力-應變曲線(間接拉伸受力模式).由圖3可見，兩種瀝青混凝土的破壞應力峰值并沒有顯著的區別.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變值.由于該應變包含著彈性應變、彈塑性應變以及塑性應變，可以認為普通瀝青混凝土會產生更多的塑性應變.

圖3　間接拉伸試驗應力應變曲線

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結果.表中的數據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度與韌性指數上沒有太大區別.雖然斷裂能有所減少，但是這些區別不具有統計學意義.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　間接拉伸試驗結果

通常，納米級和微米級裂縫均在應力-應變曲線的直線部分產生.可以認為碳纖維對于抵抗納米級或者微米級裂縫的產生與擴展發揮關鍵作用.另外碳纖維對于宏觀裂縫的形成不能夠發揮作用，如在應力應變曲線非線性或者拉伸強度區間.因此，在保持強度、韌性等指標基本相同的情況下，碳纖維改性瀝青混凝土的勁度模量指標可以獲得顯著提升.

3.4抗永久變形性能

累計壓縮塑性應變-荷載累計作用次數關系曲線見圖4，永久變形試驗結果見表3.

由圖4和表3可見，達到相同的累計塑性變形(0.254 mm)，碳纖維改性瀝青混合料的累計作用次數遠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　累計壓縮塑性應變-荷載作用次數曲線

項目普通瀝青混凝土加載次數變異系數/%碳纖維改性瀝青混凝土加載次數變異系數/%產生0.35mm累計變形所需要加載次數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、動態模量的增加以及相位角的降低.相對于基質瀝青混凝土來說，碳纖維改性瀝青混凝土變得更加堅硬、更加彈性.這可以視為碳纖維橋接作用限制和約束納米級或者微米級裂縫形成與擴展的結果.

3.5瀝青混凝土微觀結構與斷裂形貌

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，因此形成一個發育良好的纖維網絡.這樣的纖維網絡能夠抵抗微米級裂縫擴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構.

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度大于或者等于瀝青的內聚力.因此當碳纖維從瀝青混凝土中拔出時，纖維表面會裹附瀝青，從而在纖維的根部形成圓錐形結構.有趣的是，納米級的裂縫也在圓錐形結構附近處觀察到.而且更加細致的觀察發現碳纖維表面裹附著瀝青結合料，這又可以作為碳纖維與瀝青具有良好粘附性的證據.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絡結構，圖中顯示大量碳纖維橋接納米級或者微米級裂縫.裂縫的橋接連接在限制或者約束微米級或者納米級裂縫擴展發揮了重要的作用，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結論

1) 力學試驗結果和SEM微觀分析結果表明納米碳纖維可以提供跨納米或者微米級裂縫橋接力，提高粘聚力，這可以約束/限制微米裂縫發展；

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態模量；

4) 從統計學角度分析，納米碳纖維改性工藝與未經過處理相比，在間接拉伸強度和勁度模量兩項指標不存在顯著的區別.

參 考 文 獻

[1]LEE W J. The mechanical properties of MWNT/PMMA nanocomposites fabricated by modified injection molding[J]. Compos Struct，2006，76:406-410.

[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

中圖法分類號：U414

收稿日期：2016-01-20

張璇(1987- )：女，助理工程師，主要研究領域為路基路面工程

*天津市應用基礎與前沿技術研究計劃(15JCYBJC23100)、天津市高等學校科技發展基金計劃項目(20140918)資助