自修复型导电沥青混凝土设计与评价

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沥青材料的自愈研究主要集中于自愈机理、自愈模型、自愈表征方法和自愈增强技术四个方面。由于常温下沥青混合料的自愈能力较弱,沥青自愈增强技术的研究显得尤为重要。通过提高沥青材料的温度以促进自愈,延缓裂纹发展,是延长路面服务寿命的有效措施。本文旨在设计出可用于微波加热愈合的导电沥青混凝土,并对其电学、路用及愈合性能进行评价。主要研究内容包括材料组成设计及制备、导电沥青混合料电学及路用性能评价、以及混合料微波加热愈合特性研究。首先,比较各类型沥青混合料结构的特点,并结合导电沥青混凝土的设计要求,采用改进的连续密级配沥青混合料结构类型(AC-13C)制备导电沥青混合料。选择钢纤维和石墨作为导电相材料,并对石墨改性沥青的流变性能和钢纤维在沥青混合料中的分散性进行了研究。结果表明石墨可以使沥青变硬,进而提高沥青的高温性能和粘稠度,但削弱了沥青的低温变形能力,降低了其低温抗裂能力。根据电阻率法和CT扫描图像分析法定义的分散系数,延长总拌合时间至270s可以有效提高钢纤维的分散性。其次,通过室内试验对导电沥青混合料的电学性能及路用性能与普通沥青混合料进行了对比评价。掺加导电材料可以实现沥青混凝土由绝缘体到导体的转变,钢纤维较石墨有更高的导电效率。通过钢纤维和石墨的二相复合,可以实现导电沥青混合料电阻率的平缓下降并获得良好的力学性能。石墨由于吸油性和润滑性,减小了沥青与集料的有效粘结力,使混合料稳定度、间接拉伸强度下降。分散均匀的钢纤维能在混合料中形成网状结构,起到加筋和增韧作用,使混合料的稳定度、抗疲劳性能提升。石墨与钢纤维均能有效提高沥青混合料的高温抗车辙能力,但均使沥青混合料的水稳定性能下降。普通沥青混合料和石墨改性沥青混合料在低温间接拉伸试验中呈现脆性破坏的特点,而钢纤维沥青混合料的断裂能提高,呈现出组合破坏的特点。所建立导电沥青混合料动态模量主曲线,可作为路面材料性能参数,应用于进一步的路面材料及结构设计中。最后,探究导电沥青混合料的微波加热特性和机理,提出合理的愈合试验方案和指标,确定优化的加热愈合方案。采用热流法导热分析仪测试得到普通沥青混合料和导电沥青混合料的导热系数分别为1.13 W/(m·K)和1.46 W/(m·K)。导电相材料的掺加可以大幅提高沥青混合料的微波加热速率。通过“疲劳-愈合-再疲劳”的试验程序,并定义愈合指数表征沥青混合料的愈合程度,结果表明:相同微波加热时间下,由于导电沥青混合料吸收了更多热量,以促进自愈,其愈合效率高于普通沥青混合料。普通沥青混合料和导电沥青混合料发生流动愈合的临界温度分别为38℃和50℃;最佳加热时间分别为150s和120s,对应最佳加热温度分别为76℃和90℃。在加热总时间一定的情况下,间断加热比连续加热更能有效地提高沥青混合料试件的愈合效率。综上,本文设计的导电沥青混凝土,可以实现微波加热促进愈合的效果,进一步的深入研究可以为微波加热修复路面技术应用于实践奠定基础。
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