文摘

纳米材料有很大的提高潜力基础沥青粘结剂的性能。本研究旨在促进nano-TiO的应用₂/ CaCO₃在沥青和礼物TiO的流变特性研究₂/ CaCO₃nanoparticle-bitumen。在这项研究中,一系列的实验已经进行了沥青与不同nano-TiO₂/ CaCO₃剂量。Nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青的最佳剂量是准备粘度、动态剪切流变仪(域)和弯曲梁流变仪(BBR)评估沥青的温度敏感性,并为TiO low-medium-high-temperature性能进行了分析₂/ CaCO₃nanoparticle-bitumen。结果表明,沥青力学性能受到TiO的增强₂/ CaCO₃,基于各种传统的整体吸引力分析测试,nano-TiO的合理用量₂/ CaCO₃被推荐为基础沥青的重量的5%。添加nano-TiO₂/ CaCO₃是有利于提高粘度和降低沥青的温度敏感性。沥青发情的抵抗的能力以及耐介质温度疲劳被添加nano-TiO增强₂/ CaCO₃。然而,BBR试验表明,沥青混凝土开裂略有减少。在此基础上,澄清的汉堡模型选择减少开裂性能;也就是说,nano-TiO₂/ CaCO₃增加了刚度模量而增加沥青的粘度。

1。介绍

沥青路面以其优越的性能已经成为中国最重要的路面类型(1- - - - - -4]。随着社会的发展,沥青pavement-related技术和测量方法也不断发展,和服务性能和水平已经显著提高(5- - - - - -10]。然而,值得注意的是,还有许多问题领域的柔性路面,迫切需要解决。沥青材料有一个重要的功能,其属性深受其服务温度(11- - - - - -13]。由此产生的损失将减少沥青灵活的服务性能的材料,如车辙、裂缝等破坏现象(2,14- - - - - -18]。

一般来说,有许多因素影响沥青性能下降的柔性材料,包括材料内部因素和服务条件因素(19]。很多相关研究工作已经完成,包括改性沥青材料(20.,21和优化沥青柔性路面结构22]。然而,随着纳米技术的迅速发展,越来越多的研究人员正在致力于引入纳米材料修改沥青(23]。纳米材料是指材料在1∼100纳米的范围至少在一个维度。它曾被观察到的物理,化学和其他纳米材料的性质有很大的不同从最初的原材料24]。值得注意的是,纳米材料通常具有明显的温度敏感性的优点,更好的可扩展性,较大的比表面积(SSA),等等。因此,在上述基础上,研究纳米材料引入道路和建筑领域。Jahromi等人采用两种纳米黏土来改善沥青材料的性能。根据x射线衍射和动态剪切流变仪(域)的测试中,纳米黏土改性沥青增加刚度和减少相位角(25]。Abdelrahma等人通过添加改性沥青的物理性能评估纳米黏土使用动态力学分析表明,改性纳米黏土材料的掺入沥青材料增强他们的物理属性。此外,他们研究了纳米黏土的改性机理,这被认为是修改的交互性nanosilica四面体在沥青使用红外光谱测试26]。你等人用纳米黏土修改沥青和比较两种纳米黏土。结果表明,纳米黏土能有效地提高沥青材料的综合性能。此外,混合过程被认为是实现均匀纳米黏土改性沥青的关键(27]。Khattak等人采用不同剂量的纳米碳纤维修改三种类型的沥青水泥基于两个沥青混合过程,即。干燥和潮湿的过程。由于大SSA和更好的界面结合效果以及更高的碳纳米纤维模量的值,测试结果表明,碳nanofiber-modified沥青表现出良好的粘弹性响应和疲劳性能28]。陈等人利用nano-TiO₂修改沥青通过渗透技术和评估使用扫描电子显微镜渗透效果。因为大的表面积和nano-TiO先进氧化技术₂,nano-TiO₂改性沥青生产沥青的好表现,也有一个良好的环境净化功能29日]。因为SSA和色散以及nanosilica稳定性好,应用于医学,工程,等等。发现沥青材料的性能是通过将极大地增强了nanosilica [30.]。Yusoff等人认为,对水分的敏感性伤害的聚合物改性沥青材料是他们antirutting和疲劳性能降低而增加通过合并nanosilica [31日]。提到使用纳米材料可以显著提高沥青柔性路面的能力回复服务条件,例如,其antirutting和开裂32,33]。

另一方面,考虑到典型viscoelastic-plastic沥青柔性路面的特点在其服务的情况下,仍有不可避免的变形(34- - - - - -37]。尽管各种技术措施,但仍有许多问题沥青柔性路面的变形阻力包括车辙、裂缝,和其他变形破坏现象,这可以归因于变形阻力不足(38,39]。因此,它是非常重要的讨论和评价沥青材料的变形性能的角度粘弹性本构模型。刘等人提出的两种方法为沥青混凝土构造主曲线基于Kramers-Kronig关系40]。Lagos-Varas等人开发了一种新方法,基于衍生品的分数阶粘弹性力学行为,可以描述实际建设和适用于改性沥青(41]。王等人准备了聚合物和玄武岩fiber-modified Superpave沥青混合物的回转压实和评估粘弹性性质在化学(42]。马等人进行实验室测试和虚拟蠕变测试基于离散单元技术的沥青材料的粘弹性行为考虑多个成分(43]。Darabi等人研究了沥青混合料的粘弹性行为。然后应用实验验证机械响应(44]。

这项工作的目的是执行一项研究包含nano-TiO沥青的流变学性能₂/ CaCO₃。首先,进行了一系列的实验与不同剂量的nano-TiO沥青₂/ CaCO₃确认nano-TiO₂/ CaCO₃剂量。之后,改性沥青的最佳剂量是准备旋转粘度测试和安全域以及弯曲梁流变仪(BBR)评估温度敏感性。与此同时,low-medium-high-temperature nano-TiO的表演₂/ CaCO₃改性沥青进行了讨论。在此基础上,分析了沥青粘弹行为使用汉堡模型。

2。实验材料和方法

2.1。材料和测试标本

2.1.1。基础沥青

90 #基础沥青ah - 90从盘锦,获得的是中国,主要技术指标表1。

2.1.2。Nano-TiO₂/ CaCO₃

的nano-TiO₂/ CaCO₃开发和提供的化学学院,吉林大学。表2是详细的技术特点。图1显示了nano-TiO的扫描电镜图像₂/ CaCO₃。

2.1.3。TiO₂/ CaCO₃Nanoparticle-Bitumen

Nano-TiO₂/ CaCO₃被添加到基础沥青准备nano-TiO吗₂/ CaCO₃改性沥青的用量比例为3%,4%,5%,6%,7%,8%,和9%的总碱沥青重量(45,46]。如图2,样品制备过程如下45,47]:基地原沥青材料预热到160°C下与修改nano-TiO混合₂/ CaCO₃与手动搅拌5分钟。相应的温度在短时间内增加到170°C。最后,进行了高速剪切的革命在170°C 6000 r / min 40分钟。再次使用前,热沥青样本170°C,控制450∼600 r / min,剪切速度和连续搅拌20分钟。

2.2。实验室测试沥青的

2.2.1。传统的沥青测试

渗透测试执行评估的一致性沥青,在25°C以下JTG e20 - 2011 T0604。软化点(SP)测试采用沥青材料。然后使用测量值,针入度指数(PI)可以计算,通常描述和定量评价沥青的温度敏感性。和π方程表达式48]

延展性延性性能测量的测试。沥青样品与标准尺寸拉伸,直到破碎与拉伸速度10°C。延性值被定义为距离拉伸破坏。

鉴于上述不同趋势的常规物理性能与各种nano-TiO改性沥青₂/ CaCO₃剂量,整体分析是必需的,和整体愿望(OD)选择归一化和分析。传统的物理性质改性沥青规范化是基于不同的愿望,这定义如下(48]: 在这和是kth原始和归一化值我分别th物理性质。米是传统的物理属性的数量。

2.2.2。旋转粘度测试

沥青可能表现出非牛顿行为操作温度范围内,它的粘度系数不是常数。布鲁克菲尔德采用旋转粘度计,这是维护室。所述JTG e20 - 2011 T0625,转矩和转速计算采用沥青的表观粘度。测试温度从低到高排列。

定量表达沥青对温度的敏感性,粘温磁化率(VTS)采用评估温度敏感性在这项研究中,和它的计算公式如下所示: 在哪里η₁和η₂相应的粘度在温度吗T₁和T₂(在此,T₁= 60°C和T₂= 135°C)。

2.2.3。动态剪切流变仪测试

域开发的采用SHRP为了动态特性分析和评价沥青材料的粘弹性行为48- - - - - -50]。相比静态实验(渗透,软化点,等等),DSR试验有更直观和真实优势评估沥青材料的属性。规范ASTM D7175后,沥青材料的流变参数取决于莫尔文波林双子座150。

在DSR测试中,沥青的动态粘弹行为可以分为两个部分,包括G^∗和δ(4,51,52]。G^∗通过动态剪切应力(计算τ_马克斯)沥青样本,γ_马克斯,定义为

相位角(δ)反映了沥青的粘弹性的比例。高温或低频条件下的加载、沥青更倾向于粘性流,所以相角较大,而在低温的条件下或高频加载、沥青表现出更多的弹性和相位角是较小的。

2.2.4。弯曲梁流变仪测试

BBR测试方法测量沥青的硬度梁尺寸为6.25×12.5×127毫米蠕变载荷作用下基于工程梁理论(48]。两个参数可以得到的挠度曲线和时间,也就是说,年代(t),米价值。在方程(方程表达5)- (7):

本研究的实验设计流程图如图3。三个复制每个样品测试和测量。

3所示。结果与讨论

3.1。最佳Nano-TiO内容₂/ CaCO₃

3.1.1。传统的测试Nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青

传统的物理性能的实验结果nano-TiO改性沥青与不同的百分比₂/ CaCO₃绘制在图4。观察到的是渗透在25°C减少和SP值变大nano-TiO的增加₂/ CaCO₃,但是他们的变化斜率逐渐变得越来越小,nano-TiO的百分比₂/ CaCO₃是5%以上。10°C的延性降低快速首先慢慢减少但最终显著减少。上述变化趋势表明nano-TiO₂/ CaCO₃可以降低沥青对温度的敏感性,分析结果一致的程et al。53]。

渗透率显著降低,然后与nano-TiO趋于稳定₂/ CaCO₃增加在图4(一),这表明添加nano-TiO₂/ CaCO₃降低沥青对温度的敏感性。从图4 (b),然后略有变化当nano-TiO SP会显著上升₂/ CaCO₃增加的内容。如图4 (c)π显示,增加,减少的变化趋势。此外,在图4 (d)改性沥青在10°C的延性也显示了递减的变化趋势。延性10°C nano-TiO是最大的价值₂/ CaCO₃内容的3%。接下来,在10°C再次降低,延性变化斜率增加。延性结果表明nano-TiO₂/ CaCO₃将在一定程度上提高改性沥青的低温可扩展性,但改性沥青的低温性能时可能会损坏nano-TiO的用量吗₂/ CaCO₃太高了。修饰符nano-TiO₂/ CaCO₃在沥青能吸收光组件,但当修改内容过高,其已经达到最好的吸收效果,但效果并不显著,这也符合程等的分析结果。53]。

表3介绍了OD分析。对不同的物理性质有不同的愿望。对OD nano-TiO的分析结果₂/ CaCO₃改性沥青、OD值(γ(k)增加,但当nano-TiO OD值变得越来越小₂/ CaCO₃含量大于5%。因此,TiO的合理比例₂/ CaCO₃是5%基础沥青的质量48]。

3.1.2。TiO的技术指标₂/ CaCO₃Nanoparticle-Bitumen

表4介绍了主要技术nano-TiO的属性₂/ CaCO₃沥青。添加nano-TiO₂/ CaCO₃降低了改性沥青的渗透。90 #基础与nano-TiO沥青₂/ CaCO₃相当于70 #沥青,这表明沥青的一致性已显著提高。与此同时,nano-TiO的软化点₂/ CaCO₃改性沥青增加了大约3°C,和动态粘度60°C增加了约6%。沥青的高温电阻是由nano-TiO显著增强₂/ CaCO₃。延性降低,表明改性沥青仍具有良好的低温性能。

3.2。旋转粘度测试

沥青的粘度测试,呈现在图5。斜率代表沥青敏感性。可以看到从图590 #基础沥青的温度敏感性较高,而nano-TiO₂/ CaCO₃降低改性沥青的温度敏感性。

根据方程(3),变形结果如下:基础沥青的VTS nano-TiO−3.471和变形₂/ CaCO₃改性沥青是−3.207。相比之下,绝对VTS TiO的价值₂/ CaCO₃nanoparticle-bitumen是小相比之下,大约降低了7.6%。这表明nano-TiO₂/ CaCO₃会降低沥青的温度敏感性。这可能是由于沥青中轻组分被纳米粒子吸收,使树脂和沥青质沥青增加附着力增加(54]。粘度在135°C (0.415 Pa∙年代nano-TiO)₂/ CaCO₃改性沥青不超过3 Pa∙年代。nano-TiO准备条件₂/ CaCO₃改性沥青是大约5°C高于基础沥青,但远低于其他类型的常用的聚合物改性沥青,这可能在一定程度上提高沥青路面建设廉价。

3.3。动态剪切流变仪测试

3.3.1。复杂的剪切模量(G^∗)和相位角(δ)

沥青具有显著的温度敏感性和不同温度下有不同的力学性能。探讨沥青粘结剂的流变特性在中期和高温范围、DSR试验进行了rad / s, 10点10∼80°C,压力控制12%。测量G^∗和δ与温度是绘制在图6。

值G^∗减少与测试温度增加。因为沥青流动性随温度上升,容易显示变形在同一应力水平更重要。显然,高复杂的剪切模量通常是需要确保沥青路面仍具有良好的抗高温变形。此外,复杂的nano-TiO剪切模量₂/ CaCO₃改性沥青在10°C低4.8%,而相比之下,nano-TiO的复杂的剪切模量₂/ CaCO₃改性沥青在80°C高出12.8%。这表明nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青的温度稳定性高于基础原沥青由于复杂的高温剪切模量就越高。

特征(δ)是可恢复和不可恢复的变形之间的相对指标,在其中δ对弹性固体和= 0°δ= 90°的粘性液体。值δ的基础以及nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青随着试验温度的增加而增加,这充分反映了沥青的粘性流体的特征作为一种典型的粘弹性材料。基础沥青的相位角变化28.3°,和δ值变化为26.2°改性沥青。这表明nano-TiO₂/ CaCO₃沥青具有小敏感性与基础。此外,由于流nano-TiO变形₂/ CaCO₃改性沥青在高温下更小,nano-TiO₂/ CaCO₃有利于沥青路面抵抗高温变形。

以60°C为参考温度,复杂的基础沥青和nano-TiO剪切模量₂/ CaCO₃改性沥青是绘制在图7。如图所示,复杂的基础沥青和nano-TiO模量₂/ CaCO₃改性沥青是频率相关,他们复杂的模量增加而降低频率。在同一频率,减少复杂的nano-TiO模量₂/ CaCO₃改性沥青较高。此外,频率越高,更重要的他们的区别。由于频率与温度有关,它也表明nano-TiO₂/ CaCO₃可以促进稳定能力在较高温度(52]。

3.3.2。车辙因子(G^∗/罪δ)和疲劳因子(G^∗罪δ)

这只是片面的评价沥青的性质的角度G^∗或δ。如果G^∗是相同的,其相角值可能不是相同的,反之亦然。因此,它需要使用不同的指标来评价沥青的性能表现为各种不同测试温度。

大多数研究表明,损耗模量(G”=G^∗罪δ)有一个重要的关系沥青和沥青混合料的疲劳特性。更大的价值G^∗罪δ重复荷载作用下,能量损失越快,越低抗疲劳损伤沥青和沥青混合物。因此,G^∗罪δ被称为疲劳因素。另一方面,G^∗/罪δ代表了发情的因素。因此,相对于静态测试(渗透和软化点等),动态测试有更直观和真实的优势评价沥青粘结剂的性能。

沥青路面通常是作为40°C∼80°C,和车辙因子基础沥青和nano-TiO的结果₂/ CaCO₃改性沥青是绘制在图8(一个)。看到,nano-TiO的车辙因子₂/ CaCO₃改性沥青相比,在相同的测试温度大,这意味着nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青高温antirutting能力比基础沥青。此外,与基础沥青相比,增长率nano-TiO发情的因素₂/ CaCO₃改性沥青的变化从5%增加到13%时,测试温度升高从40°C到80°C (55]。

沥青路面通常在介质温度水平服务。因此,沥青材料需要有良好的抗疲劳特性为长期保持良好的工作性能。在文献综述中提到,疲劳因子越小,越好沥青的抗疲劳强度。基础沥青和nano-TiO的疲劳因素的结果₂/ CaCO₃改性沥青是绘制在图8 (b)。nano-TiO的疲劳因素₂/ CaCO₃改性沥青在不同程度降低10°C∼30°C。这表明nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青在介质温度也具有良好的抗疲劳性能。nano-TiO的能量损失₂/ CaCO₃改性沥青是慢的在重复加载,它可以继续工作很长时间。

3.4。弯曲梁流变仪测试

3.4.1。BBR测试分析

(1)蠕变特征。蠕变变形与加载时间在基础沥青和nano-TiO−18°C₂/ CaCO₃改性沥青进行了测量。deflection-time曲线反映了典型的沥青的粘弹性行为图9。Nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青和沥青基础也有类似的蠕变曲线。我阶段:在初始加载,这两种沥青有明显的弹性变形,体现了沥青的低温弹性性能。第二阶段:在50年代装货,沥青逐渐增加,变形和变形的增长率逐渐下降。这是由于合并后的沥青的粘性和弹性性能的影响。第三阶段:从50年代的加载、沥青的变形持续增加,变形的增长速度往往是常数,表示沥青的粘性性质。第四阶段:卸货后,沥青显示了瞬时弹性恢复和延迟弹性恢复。

尽管基础沥青和nano-TiO的蠕变特性₂/ CaCO₃改性沥青在本质上并没有什么不同,他们的比例的粘弹性组件已经改变了。在相同的恒定负载下,nano-TiO的变形₂/ CaCO₃改性沥青是由比较小。

(2)刚度模量和m值。在SHRP规范,模量以及它米推荐值为基础PG性能分类。相应的蠕变劲度模量越大,也就是说,蠕变变形越小,应力需要产生单位应变越大,表明沥青材料是困难。图10蠕变劲度模量和阴谋米为基础沥青和nano-TiO值随时间变化₂/ CaCO₃改性沥青。蠕变劲度模量为基础沥青和nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青随时间而减小。然而,nano-TiO的蠕变劲度模量₂/ CaCO₃改性沥青相比之下更大,并且不超过300 MPa,符合规范要求。在图10 (b),米价值的基础沥青和nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青变得更大的随着时间的推移。的米nano-TiO值在60年代₂/ CaCO₃改性沥青是较小的,米值大于或等于0.3,满足规范要求。这主要是因为光被纳米粒子吸收沥青中的组件,这就增加了沉重的组件的相对比例,使沥青更硬和脆53]。与基础沥青相比,nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青具有更大的弹性模量较小米值,表示对改性沥青的抗裂性略有降低,但它也可以满足规范要求。

3.4.2。沥青的流变模型

模量与加载时间可以安装通过刚度模量的对数和时间根据方程(6),基础沥青和nano-TiO SHRP模型₂/ CaCO₃改性沥青在数据绘制(11日)和11 (b),分别。虽然配件SHRP模型的准确性高,这些拟合参数没有明确的物理意义,它不能反映沥青材料的粘弹性性质。

之前的研究已经指出沥青(汉堡的有效性模型42]。的汉堡模型刚度模量小的沥青粘结剂梁的定义:

汉堡模型已经获得的拟合下列方程(8),如图11。E₁的nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青相比更大,这表明,改性沥青的瞬时弹性变形较小而基础沥青。η₁是永久变形的粘度系数,和一个更大的价值η₁代表永久变形越小。η₁TiO的₂/ CaCO₃nanoparticle-bitumen略大的相比之下,这意味着nano-TiO整合₂/ CaCO₃增加沥青的粘度,降低蠕变速率。此外,E₂为防止粘性的发展元素很重要吗η₂这两个参数,主要是反映在加载和卸载的初始阶段。一般来说,通过比较数据(11日)和11 (b),劲度模量和几乎没有区别米价值基础沥青和nano-TiO之间₂/ CaCO₃改性沥青。Nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青有很轻微的增加刚度模量和减少变形的变化。因此,nano-TiO的合并₂/ CaCO₃几乎没有影响改善沥青在低温下的优良特性。

此外,SHRP双对数多项式拟合模型和汉堡模型精度高,测量刚度模量非常接近。然而,与SHRP相比,拟合汉堡能反映沥青粘弹性nano-TiO之前和之后的变化₂/ CaCO₃修改,显示更清晰的物理意义。因此,建议使用汉堡模型来适应和分析BBR测试。

4所示。结论

TiO的影响₂/ CaCO₃纳米粒子在沥青常规性能进行了分析。此外,旋转粘度测试被用于讨论nano-TiO的影响₂/ CaCO₃在沥青的温度敏感性。与此同时,DSR和BBR测试也被用来分析low-medium-high-temperature TiO的表演₂/ CaCO₃nanoparticle-bitumen。得出如下结论:(1)Nano-TiO₂/ CaCO₃将增强沥青力学性能。作为nano-TiO₂/ CaCO₃nano-TiO用量增加,渗透和延性₂/ CaCO₃改性沥青的减少,而软化点提高。当nano-TiO₂/ CaCO₃剂量超过5%,传统的测试结果的增长率已经放缓。基于OD分析,nano-TiO的合理用量₂/ CaCO₃被推荐为基础沥青的重量的5%。(2)根据分析旋转粘度测试,添加nano-TiO₂/ CaCO₃是有利于提高粘度和降低沥青的敏感度。与此同时,粘度变化表现出显著的增加趋势。(3)Nano-TiO₂/ CaCO₃会影响G^∗以及δ但不会改变与温度的变化规律。添加nano-TiO₂/ CaCO₃是有利于提高antirutting增加车辙因子的能力。表明TiO的疲劳因素₂/ CaCO₃增强沥青介质温度疲劳阻力。(4)沥青的粘弹性组件的比例被TiO改变₂/ CaCO₃,改变了粘度弹性组件和组件。此外,nano-TiO₂/ CaCO₃改性沥青有较大的蠕变劲度模量和一个更小的米值与基础沥青。它表明,混凝土开裂财产沥青略有减少,但也符合规范。(5)分析结果表明,nano-TiO₂/ CaCO₃可以增加刚度模量,同时增加改性沥青的粘度。因此,结合nano-TiO₂/ CaCO₃可能削弱沥青的低温开裂性能。

本研究只评估nano-TiO的宏观性质₂/ CaCO₃改性沥青,没有从微观机理的角度进行深入分析,这也是未来发展方向的研究工作。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究由南宁优秀青年科学家计划(批准号RC20180108),南宁优秀的年轻科学家项目和广西北部湾经济区主要人才项目(批准号RC20190206)、科技基地和广西人才专项项目(批准号AD19245152),“邕江计划”南宁领先的人才创新与企业家精神(批准号科技项目2018-01-04),吉林省科学技术厅(批准号20190303052旧金山),中山科技创新专项项目局(批准号2019 ag001)。