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碳纳米管增强沥青混合料的力学性能研究

杨骞  
【摘要】:碳纳米管由于其独特的结构和优异的力学、电学、化学等各方面性能,是一种理想的改性填充材料。将碳纳米管作为热塑性材料的增强材料,可以提高基体材料的抗拉、抗压强度、耐磨损性和热稳定性,目前已有诸多以碳纳米管为增强体的热塑性化合物研究,但将碳纳米管引入道路工程领域、将碳纳米管作为增强材料对沥青和沥青混合料进行改性的研究尚少。本文将多壁碳纳米管作为增强材料添加到70#道路沥青当中,对沥青进行改性,开展相关性能研究,探究碳纳米管增强沥青及沥青混合料的力学性能,并引入一种基于细观力学的有效弹性性质预测模型,对沥青胶浆及沥青混合料的宏观有效弹性性质进行预测。首先,本文研究了碳纳米管改性沥青的制作加工方式,制作出多壁碳纳米管改性沥青,并依照相关规范对多壁碳纳米管改性沥青进行了针入度和环球法软化点实验,并计算针入度指数、当量软化点、当量脆点和塑性温度范围,结果显示多壁碳纳米管对基质沥青的高、低温性能有较好的改善。 进而,利用多壁碳纳米管改性沥青制作沥青胶浆,进行带预制裂缝的三点弯曲断裂实验,探究多壁碳纳米管改性沥青胶浆的断裂性能。本文制作了多壁碳纳米管沥青小梁试件并预制裂缝,使用万能实验机进行三点弯曲实验,并用夹片式位移计测量裂缝张开距离,并绘制相关位移-荷载曲线等。为了进一步了解多壁碳纳米管沥青断裂的微观机理,使用环境扫描电镜对多壁碳纳米管改性沥青胶浆小梁断口进行扫描。 最后,引入并改善一种具有弹簧型界面的多步骤多夹杂复合材料有效弹性性质预测模型,对多壁碳纳米管改性沥青胶浆及沥青混合料的宏观弹性性质进行预测,从细观角度探究多壁碳纳米管对沥青胶浆和沥青混合料的宏观弹性性质的影响,并在此基础上对之前相关实验的结果进行进一步的分析,同时验证该方法的适用性。 研究结果表明,多壁碳纳米管能够明显改善沥青的高、低温性能,能够增强沥青胶浆的韧性,提高沥青胶浆抗开裂的性能,延缓沥青胶浆在荷载作用下开裂过程,改善后的具模量预测模型在分析中能够避免过程对其的影响,明确的计算出增强材料对复合材料弹性性质的影响,且能够有效预测沥青胶浆及沥青混合料的宏观弹性性质。


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