碳纳米纤维改性热拌沥青混合料的特性研究

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1、碳纳米纤维改性热拌沥青混合料的特性研究摘要：多功能纳米材料具有经济有效地增强道路材料功效和长期性能的潜力。本研究通过添加不同比例的CNF对HMA混合料分别进行改性，致力于探索导电碳纳米纤维改性热拌沥青混合料的力学性能。采用间接拉伸加载模式对素混合料和改性混合料的粘弹性、强度、抗永久变形能力和疲劳特性加以评估。为了了解CNF在HMA混合料中的微观力学行为，采用扫描电子显微镜（SEM）对HMA样品断裂面的微观结构和形貌进行研究。试验结果发现，添加的CNF以一种独特方式提高了HMA混合料的宏观性能。本文阐述了对CNF改性机理的基本认识以及其对HMA整体力学性能和试验室指标的影响

2、效果。关键词：碳纳米管、改性沥青、力学特性在沥青结合料，CNF在热拌沥青（HMA）混合料中尚未得到充分的调查。在本研究中，1.引言近年来，经纳米材料强化的传统材料已CNF被用于改性HMA混合料。分别对素沥取得了研究者的关注，这归因于它们的高效、青混合料和CNF改性沥青混合料进行间接多功能性和长期性能[1-5]。纳米材料的独特拉伸强度试验，动态模量和间接疲劳试验。力学性能和流变特性有利于持久耐用路面为了分析CNF改性剂对HMA性能的影响，材料的设计和施工。然而纳米颗粒的分散和将使用扫描电子显微镜（SEM）对CNF改与基质材料的相容性是发展纳米复合材料性热拌混合料的微观结构和

3、断面形貌进行的主要挑战[1]。纳米复合材料的研发主要依研究。靠纳米颗粒/基体界面的粘合以及纳米颗粒在基质中的分散性实现[1]。分散不当的纳米2.研究目的颗粒可能因为出现损伤而降低材料的性能。本研究目的在于探讨CNF改性HMA由哈塔卜[6]等人开发的超声和高速剪切混混合料的力学特性及实验室性能。已有研合分散方法的结合，使得获得高度分散并具究认为，CNF改性剂将在沥青中产生优良的有改进力学性能的聚合物纳米复合材料成网络纤维结构，这将提高混合料的强度和刚为了可能。度特性。CNF有较高的比表面积，因而其纤Khattaketal.[7,8]开发了一个使得CNF维网络结构可连接因负载

4、而导致的微观裂能在沥青结合料中均匀混合的高效混合方纹。这种连接可能阻碍裂纹扩展，从而提高法。他们发现，改性CNF显著改进了沥青HMA混合料的疲劳寿命和抗永久变形能力。结合料的复数剪切模量和抗疲劳性能。其他纳米材料，如纳米粘土已被证实可以提高沥3.材料试验和拌合青的抗车辙性能，但未减轻疲劳问题[9]。纳3.1材料米碳酸盐改性沥青表现出增强的抗车辙性粘度分级沥青混凝土AC5（PG52-22）能和改进的低温韧性[10,11]。Yuetal.[12]研从佐治亚州亚特兰大供应商处获得。粉碎石究了蒙脱石对SBS共聚物改性沥青性能的灰石由路易斯安纳州拉法耶特当地HMA承影响。在他们的研

5、究中，钠蒙脱石和有机蒙包商提供。表1列出了在研究中使用的骨料脱土（纳米粘土）对SBS改性沥青的复数级配。由应用科学生产的气相CNF（Polygraf剪切模量和相位角有所改善。Ⅲ）将作为沥青和HMA的改性剂。这种功CNF较高的模量、拉伸强度和较高的比能化的CNF直径为60-150纳米，长度表面积显著提高了高分子复合材料的力学30-100μm，拉伸模量600GPa，拉伸强度7特性[13-16]。然而，上述大多数研究仅限定GPa。该纤维具有优良的性价比和良好的与材料界面结合能力。CNF用市售的煤油和丙/或骨料以构建HMA混合料。酮作为溶剂加以分散，最终用以拌合沥青和1表1试验中

6、采用的骨料级配3.2.CNF-溶剂混合料市售的CNF呈团块，难以均匀混合。在与HMA的任何成分混合之前，必须先利用功率300瓦、频率20kHz的全方位声波Ruptor和功率600瓦、最高转速18000rpm的全方位均质搅拌机将CNF在溶剂中分散。控制参数包括CNF的重量、超声处理时间和剪切混合时间。利用最先进的激光衍射仪（LDA）以纳米粒度分析CNF尺寸分布状态。该粒度分布可定性评价CNF的聚集状况和被击穿的粒子尺寸[7,8]。由超声和高速剪切混合方法制备的几份CNF-煤油和CNF-丙酮混合料都将用于研究。所有情况的定性和定量研究表明，采用以下方法可获得CNF的最佳均匀分

7、散效果：将大约290克煤油（400毫升）放置在一个不锈钢罐中；混合适量的CNF并进行超声处理；在超声处理过程中，超声角质处于瓶子的中央，并有40毫米浸入到混合料中。分散过程包含3个周期，使用90%脉冲与240瓦特电源，每周期超声处理计时8min,中间间隔25min用以冷却。每周期开始时进行2min的3000rpm的高速剪切拌合[7,8]。3.3．混合和HMA样品制备采用高性能沥青路面混合料设计方法，最佳沥青用量为4%，目标空隙率为4%。HMA的圆柱试样高约115mn，直径150mm，采用高性能路面旋转压实仪压实而成，并用水冷金