文摘
沥青路面拥挤的交通荷载和恶劣的环境条件可以很容易地建立损伤,缩短使用寿命。本文不同剂量的玄武岩纤维(BF)引入面包屑橡胶(CR)改性沥青粘结剂,以及一系列的实验室检测进行评估的属性和表演。动态剪切流变仪(域)是用来评估粘度和流变特性。弯曲梁流变仪(BBR)试验、直接拉伸试验(德勤)进行测试的低温性质。针入度是为了测试剪切强度。结果表明,高炉的最佳含量为0.3%的沥青粘结剂的重量根据总体性能评估。粘度、复杂的模量、疲劳性能,发情的阻力和剪切强度提高了高炉引入沥青粘结剂。刚度和弹性也增加。BBR表明低温延性降低一点的男朋友,但德勤表明,抗拉强度和伸长率提高了男朋友。考虑到德勤性能相关,德勤是优于BBR评价开裂势在低温下沥青粘结剂改性CR和男朋友。 Finally, it is revealed through microscale scanning that three mechanisms, absorption of asphalt binder, 3-dimensional fiber network, and bridging effects, contribute to the performance improvement of asphalt binder modified with CR and BF.
1。介绍
与人类社会的快速发展以及由此而产生的各种废弃物的快速发展,基础设施工程废料的应用已经引起了人们的注意在学术和工程方面1,2]。使用面包屑橡胶沥青修改历史悠久,继续得到高度重视。至少有两个好处的动机发展的面包屑橡胶(CR)改性沥青。首先,铬能提高沥青性能,提高路面性能,如发情的阻力、舒适的驾驶,和降噪;其次,它回收废橡胶和缓解环境压力,例如,废轮胎的消耗3- - - - - -11]。玄武岩纤维(BF)是另一种常见的添加剂来提高性能的铺路材料。男朋友是由玄武岩岩石融化大约在1500°C。它有很好的性能的模量、强度、稳定性和耐久性(12,13]。近几十年来,男朋友已经成功地用于沥青混合料帮助提高车辙和裂缝祸患14- - - - - -23]。尽管大量的研究一直致力于增强沥青材料属性分别通过添加CR或男朋友,很少有研究绩效评价沥青材料的改性与CR和男朋友。在这项研究中,男朋友被CR添加到沥青粘结剂改性,紧随其后的是一个全面的实验室评估的鸡眼改性沥青粘结剂。
研究基于高速公路项目计划在中国北方的内蒙古,那里的冬天是超过6个月的平均温度−20°C。夏天很短,但昼夜温差巨大;白天温度可以达到43°C,而午夜温度低于10°C。另一个问题是内蒙古的现实是最重要的一个在中国矿产资源领域。牵引卡车和重型负载,尤其是煤炭运输,占很大一部分交通(70%)。轴向载荷可以高达140 kN,调节负载(100 kN)高出40%。1.0和1.4 MPa之间接触压力通常远高于标准的0.7 MPa的压力。本公路项目原计划是建立一个CR改性沥青路面由于上述优点的面包屑橡胶。但这种极端的情况下过度的交通负载和恶劣的环境条件相结合,有担忧的健壮性沥青路面。进一步提高CR改性沥青路面的性能,本研究进行了寻求增加高炉CR改性沥青粘结剂的可能性。 A series of laboratory tests were conducted to evaluate the properties of CR modified asphalt binder reinforced with BF. Properties related to pavement performance including viscosity, rheological property, rutting resistance at high temperature, thermal cracking resistance at low temperature, fatigue, and shear strength were tested. The mechanism of performance improvement of BF in CR modified asphalt binder is discussed after microscale electronic scanning. The following sections present the material properties and test equipment, followed by test process, and results and discussions.
2。材料和方法
所选基础沥青是一个- 70(70年沥青与渗透)。表中列出的物理属性1。粒子填充(低于0.075毫米)是由石灰岩组成的密度2.638克/厘米3。玄武岩短纤维和40-mesh面包屑橡胶沥青选择修改。表2列出了玄武岩纤维的物理和机械性能,和表3显示了面包屑橡胶的主要成分。
2.1。RTFOT:旋转薄膜烘箱试验
样品制备包含两个步骤。首先,介绍了面包屑橡胶和填料对沥青准备CR改性沥青粘结剂(32]。然后,添加不同剂量的男朋友和手动融入CR改性沥青粘结剂。制备过程见图1。最后的沥青粘结剂包含CR和男朋友称为CR-BF沥青粘结剂。
本节的其余部分主要介绍了信息实验室检测试验设备和方法。测试程序相关的具体信息,每个测试的样本大小,计算过程与结果在下一节中描述。为每个测试四个复制测试,使用平均值进行分析。
动态剪切流变仪(安全域,图2(一个)301年),自然史MCR用来描述沥青材料的粘度和流变属性包括复杂的剪切模量G∗和相角δ(33,34]。粘度是一个主要的测量评价沥青结合料的整体性能。G∗代表材料的总变形阻力,δ代表了elasticity-viscosity比例的材料。DSR试验使用薄沥青样本(图2 (b))夹在两个圆形盘子。下模板是固定的,而上盘震荡或旋转。样本的大小取决于测试温度和材料的财产。的流变性质G∗和δ,车辙因子G∗/罪δ和疲劳的因素G∗罪δ可以获得调查发情的抵抗高温和沥青结合料的疲劳性能。
(一)
(b)
弯曲梁流变仪(BBR,图3(一个))试验对沥青的三点弯曲梁(图3 (b))温度零下低温评价沥青材料的延性。它提供了一个蠕变刚度的测量年代和放松米值的样本(35]。这些参数给的低温开裂的潜力。直接拉伸试验(德勤,图4(一))是一个互补测试评估抗低温开裂年代在BBR测试并不能令人满意,特别是对改性沥青材料(36,37]。它把一只狗骨形状标本以恒定伸长速率(图4 (b))。最后的伸长(破坏应变)和强度(破坏应力)记录评估低温性能。
(一)
(b)
(一)
(b)
直接评价沥青结合料的剪切行为,针入度试验的目的是基于传统的沥青粘结剂渗透试验代替钢与钢锥头针,加上额外的重量(图5)。的穿透深度记录计算的抗剪强度。
(一)
(b)
最后,德勤的样品没有被环境扫描电子显微镜(SEM、扫描图6)检测的男朋友CR-BF沥青粘结剂在微尺度。微尺度的图像将有助于解释高炉的强化机制CR-BF沥青粘结剂。
3所示。结果和讨论
3.1。粘度
粘度是反映沥青结合料的整体性能的关键因素包括刚度、温度敏感性和粘附与聚集。一般来说,较高的沥青粘结剂粘度具有更好的剪切变形阻力和更好的债券总量。安全域的粘度测试旋转模式在10 rad / s的速度,从50°C到175°C的增量2°C /分钟(33]。样品是25毫米直径1毫米厚。粘度的样本高炉不同内容在semilogarithm策划规模图表(图7)。这表明随着温度上升,粘度降低所有的样品。但是男朋友内容展示高粘度样品。60°C和135°C通常选择评价粘度沥青材料,因为它们对应于典型的表面温度在夏季施工期间和温度,分别。粘度在60°C和135°C是列在表中4。随着高炉的增加,沥青粘结剂粘度的增加减少。当男朋友从0%增加到0.2%,粘度60°C和135°C是增加了23.9%和33.3%,分别。同时,增量的男朋友只会增加0.3%到0.4%粘度在60°C和135°C的7.7%和5.7%,分别。
3.2。流变性质
在服务时,路面受到不同的加载和周围的环境条件。沥青结合料的流变属性占电阻负载和温度变化。通过温度全面测试样本,流变特性之间的关系(和 )与温度进行了研究。测试是由安全域在频率的振荡模式下10 rad / s,角振幅12%,加热速度2°C /分钟从50°C到80°C (34]。样品是25毫米直径1毫米厚。结果绘制在图8,包括复杂的剪切模量 ,相角 ,存储剪切模量 ,和损失剪切模量 。具体地说,和分别代表弹性特性和粘滞性质。之间的关系 , , ,和方程所示(1)∼(2)。
(一)
(b)
(c)
(d)
这显然表明死亡,而增加温度。与男朋友内容增加,增加和减少,表明高炉的加入使得沥青结合料硬,更有弹性。在图8 (b),当男朋友从0.2%增加到0.3%,这是一个突然的下降 ;合营公司,在图8 (c)突然看到一个类似的跳跃,同时图8 (d)为显示了一个小而稳定的增长与男朋友的内容。基于方程所示的关系(1)∼(2),它可以得出的结论是,男朋友会增加和 ,导致增加 ,如图8(一个)。但增加的(图8 (c))是更重要的比(图8 (d)),导致下降与男朋友的内容。换句话说,弹性性质( )对男朋友的存在更敏感。
从rheologic参数和 ,我们可以评估发情CR-BF沥青粘结剂的阻力和抗疲劳强度。在高温下和重型负载,发情的可以很容易地开发。发情的可能性和发展速度密切相关,沥青结合料的抗永久变形。当工作完成沥青路面沥青(或材料),工作的一部分耗散导致永久变形不可恢复的变形和开裂,伴随着热量。可以通过计算
对于一个给定的应力水平 ,
取代在方程(3)和方程(4), 在哪里是能量消散,是压力,是应变,相角。
如图所示是方程(5),车辙因子 是相对地成比例Wc,因此,可以用来评价沥青粘结剂的抗永久变形。当沥青结合料硬(更高 )和更有弹性(小 ),抗车辙是更好。车辙因素测试58°C以上的增量6°C使用安全域。样品是25毫米直径1毫米厚[34]。结果在表5表明,随着高炉的内容增加,车辙因子增加,表明添加高炉提高抗永久变形。这一改进是在更高的温度下更加突出。沥青材料性能等级(PG)的规范要求 高于1 kPa [38]。显然,添加0.2%和0.4%的高炉提高沥青结合料的PG - 82 PG 88和PG 94,分别。
在柔性路面疲劳开裂是另一种常见的困扰。如前所述,完成工作的一部分,交通是消散和阴谋疲劳开裂。一般来说,有两种模式的疲劳;一个是应力控制,另一个是压力控制。条件的应变控制模式模拟薄沥青层,在疲劳裂纹的痛苦更普遍。
对于一个给定的应变水平
在方程(7),能量耗散是正相关的疲劳因素 。作为一个结果, 作为一个索引对沥青结合料的疲劳性能进行评估。更大的 意味着更多的能量消散造成损害。安全域的结果绘制在图9。一般来说, 沥青材料需要不到5000 kPa规范,标记为灰色水平虚线图9(38]。测试从较高温度较低温度的衰减3°C。疲劳评估的样本是8毫米直径2毫米厚。
随着越来越多的男朋友被添加,疲劳因子G∗罪δ增加,表明添加高炉增加疲劳的因素 ;然而,变化并不重要。特定的要求 ,所有样品的设计温度与不同的男朋友内容仍处于同一水平(22°C)。然而,重要的是要记住的评价 疲劳不是性能的基础。更大的 只是表明更高的疲劳开裂的潜力,但不一定会增加疲劳开裂的情况。事实上,疲劳开裂的原因有更加全面和复杂不仅仅是沥青材料属性。
3.3。耐低温开裂
随着环境温度下降,路面的身体将合同和内部压力积聚。如果这发生收缩速度不够快,在沥青混凝土拉应力积累和可能导致开裂。为了避免低温裂缝,沥青结合料需要快速释放压力放松或足以抵抗压力。BBR测试方法探讨低温蠕变刚度。试样是沥青梁尺寸为6.25×12.5×127毫米(厚度××宽度长度),和980 mN±50 mN的三点加载应用于240年代的标本(34]。测试结果包括两部分:蠕变刚度年代和的反应m -价值。年代和m -值加载后60年代被用来确定低温PG。规范要求年代不超过300 MPa,米价值不低于0.3 (35]。测试温度开始6°C,减量6°C。结果列在表中6表明,随着高炉的内容增加,年代增加和m -值降低。这是一个迹象表明,高炉使沥青结合料硬。检查低温性能的另一种方法是直接拉伸试验(德勤),这决定了在低温下的抗拉强度。德勤在1.0毫米/分钟的速度,直到样品失败(36]。伸长(破坏应变)和强度(破坏应力)记录。规范要求伸长不少于1%37]。德勤的一件事要注意的是,失败标准被定义为加载时应力达到最大值,而不是当标本断裂。从表可以看出6所有标本在BBR测试失败(年代≥300 MPa或米≤0.3)在-18°C。检查强度和伸长−18°C,德勤在−18°C和结果列在表7。如图所示,添加高炉提高伸长和力量。的最大失败强度和应变0.3%高炉实现。
BBR测试表明,增加高炉降低低温延性沥青梁。这并不奇怪,因为上面的流变性质高炉增加的结果和 :当男朋友增加G∗,特别是 ,沥青粘结剂变得更强硬,导致更大的年代值。另一个原因是,男朋友的存在就像一个加固的梁(相对于钢筋混凝土梁)和减少沥青梁的挠度BBR对于一个给定的加载,显示更少的延性。然而,热裂解的发展不仅与延性材料的抗拉强度。虽然男朋友可能会降低延性的存在一方面,它也可能提高抗拉强度,增加热裂解的阻力。德勤的结果证实了这一点,表明沥青结合料与男朋友不仅更高的抗拉强度也更大的伸长。需要注意的一件事是,在德勤,样品测试,直到最大应力或失败,而负载在BBR相当有限。出于这个原因,德勤的结果更令人信服的沥青粘结剂改良与男朋友德勤性能相关。
3.4。抗剪强度
很多困苦的沥青路面沥青混合料的剪切破坏有关。直接测试的剪切行为CR-BF沥青结合料,针入度试验的设计和实施。锥重50g一个角α= 30°,额外的重量100克补充道。测试样本注入容器,保持在40°C水浴2小时。之后,锥头被释放并渗透到样品表面。锥头的穿透深度稳定住了至少10年代记录计算抗剪强度,方程(8)所示。 在哪里抗剪强度,G总重量是锥和额外的重量(N),α锥角(°),h是穿透深度(0.1毫米)。
列在表8,抗剪强度看到从18.8 kPa稳步上升到40.2 kPa当男朋友从0增加到0.4%。特别是当男朋友从0.2%增加到0.3%,剪切强度的增加近30%。针入度试验给出了剪切强度的直接测量。很明显,CR-BF沥青粘结剂BF具有较高的抗剪强度。
3.5。微尺度由SEM扫描
德勤是不合格样品收集和扫描的扫描电镜检测状态下男朋友在微尺度观察沥青粘结剂。图10 ()表明沥青粘结剂是被男朋友和根吸收结构形式脚下的男朋友。图10 (b)演示了男朋友的分布在沥青粘结剂:纤维分散在随机方向,形成一个三维互动网络,它可以作为强化。在图10 (c),男朋友桥梁在空白区域(例如,破坏表面)通过根结构和互连分离零件。
(一)
(b)
(c)
扫描微尺度图像有助于解释高炉的强化机制CR-BF沥青粘结剂。首先,男朋友吸收沥青粘结剂。随着沥青分子使高炉内部和外部表面附近的灯丝,他们增加沥青膜的厚度和有效提高沥青粘结剂之间的附着力和男朋友12]。因此,凝聚力BF-asphalt界面附近的沥青粘结剂增加,导致更高的粘度、剪切模量、弹性,进而降低温度敏感性,改善高温变形阻力,增加抗剪强度。同时,根结构形式脚下的男朋友,会进一步加强高炉和沥青粘结剂之间的附着力。其次,男朋友形式随机三维互动网络的沥青结合料。男朋友有很高的模量和强度,纤维网络将有助于转移压力,增加刚度(变形阻力)和沥青结合料的抗拉强度,如钢筋混凝土。第三,这种强化的男朋友更加明显损害已经在沥青粘结剂诱导。男朋友会桥跨损伤表面和连接分离零件。这表明BF可以有效地延缓裂纹传播,增加沥青粘结剂的使用寿命。当然上述影响是依赖男朋友的数量。男朋友太少不足以形成一个足够的网络,而过度的男朋友很难分散在沥青粘结剂,降低高炉和沥青粘结剂之间的相互作用。 As such, the performance or changing rate of performance varies with BF content. Overall, the optimal BF content is 0.3% by the weight of asphalt binder in this study, at which the和抗剪强度经验增长最快和德勤的抗拉强度是最高的。
4所示。结论
不同剂量的男朋友介绍了CR改性沥青粘结剂混合CR-BF改性沥青粘结剂。样本测试以多种方式来评估其财产SHRP下和性能评价体系。总的来说,增加高炉提高沥青粘结剂的性能。可以得出主要结论:(1)高炉提高CR改性沥青粘结剂的粘度下降率。添加0.2%高炉增加23.9%和33.3%的粘度60°C和135°C,分别。它也会增加动态复杂的剪切模量并减少相位角。男朋友在弹性性质的影响更显著。虽然与男朋友不断增加,增长速度放缓后高炉大跳0.3%。(2)高炉增加车辙因子的存在 值得注意的是,表明更好的高温车辙阻力。添加0.2%和0.4%的高炉提高沥青粘结剂从82 PG PG 88和PG 94,分别。针入度试验还表明,增加高炉在沥青粘结剂有助于获得较高的剪切强度。男朋友对疲劳的影响因素 沥青粘结剂是有限的。(3)结果(年代和米值)从BBR表明CR-BF较高的沥青粘结剂BF少低温延性。另一方面,德勤表明,高炉增加抗拉强度和伸长率CR-BF沥青粘结剂。恰当地评估的绩效德勤优先CR-BF沥青粘结剂的抗低温开裂。(4)SEM结果揭示的男朋友CR-BF沥青粘结剂。从这些微尺度图像,很容易发现,沥青结合料的吸收和强化纤维网络,特别是“桥接”效应,导致房地产改善沥青粘结剂。最佳男朋友内容由重量的0.3%沥青粘结剂在这项研究中,由性能改进的综合评价。
数据可用性
作者的访问所有数据,可根据要求提供。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由中国国家重点研发项目项目(2018 yfb1600200);中国国家自然科学基金(51678078);开放基金的公路养护技术国家工程实验室(长沙科技大学)(kfj180101);中国学术委员会(201608430123);和湖南省自然科学基金(2020 jj5578)。