相变控温微表处混合料的制备与性能范文研究

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:vicky 点击次数:150
论文字数:35655 论文编号:sb2021041115012035141 日期:2021-04-23 来源:硕博论文网
本文所得主要结论如下:(1)优选升温相变材料十四烷,作为相变主体材料,为使相变储能材料十四烷能够在微表处混合料长期稳定的使用,对十四烷进行了封装,结合所选封装材料及相变主体材料性质,确定适合于微表处混合料中使用的微胶囊定型相变材料最佳制备工艺,材料中白炭黑与十四烷质量比为 1:1,囊心材料与囊壁溶液质量比为 1:0.45。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及研究意义
各级交通运输部门坚持新发展理念,正大力开展交通基础设施建设工作,随时间的推移,修建的道路数量也越来越多。据统计,截至 2019 年年底,全国公路总里程超 501.25 万公里,公路养护里程达 492.70 万公里,占公路总里程的 98.2%[1]。我国在逐渐步入道路预防性养护时代。
在行车车载及环境温度等众多影响因素的反复作用下,路面被破坏,直接降低道路的服务水平。为使各等级公路充分发挥其经济、社会效益,公路养护部门想要寻求有效措施来进行路面养护。经研究表明,有计划的对道路进行预防养护会降低道路修建经费,路面用于重建的费用会高出养护路面 50%。微表处是一种典型的预防性养护技术,具有通车速度快、环保低能、可用于修复车辙等特点,目前已在很多欧美等发达国家广泛应用,随着我国对路面养护工作日益重视,微表处在我国也受到越来越多的关注。
公路养护技术极为重要,这就需要我们加深研究养护新工艺、新材料、新技术。传统微表处路面在服役后还会面临高温车辙、低温开裂等与温度密切相关的病害,这些病害产生的原因有路面材料性能不足、路面温度情况多变等内部因素以及天气变化频繁、交通荷载激增等外部因素[2]。而目前应对的方法有两种:一种是被动的应对多端变化的环境,从提高沥青混合料本身的温度稳定性方面考虑;另一种是主动调节多变气温下路面的温度,延缓路面降温速率,使路面结构层慢慢释放温度应力,从而减少路面低温开裂。很多研究学者试图通过在混合料中添加相变材料来解决这一问题。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 微表处养护路面
微表处具有延缓路面氧化、修复车辙、改善路面平整度的功能,由稀浆封层技术发展而来,但在混合料技术要求、摊铺机器、使用性能等方面和稀浆封层有很大差别。稀浆混合料一般是由(改性)乳化沥青、粗细集料、填料、水和添加剂等按配比拌和成的稀状混合物[5]。
微表处路面养护技术最早在 20 世纪 70 年代初在德国各个城市盛行,随后在欧洲的各个国家逐步推广使用。在 1980 年的美国开始推广,加拿大、日本、德国、西班牙、法国等均在 1990 年前后开始应用。到 1999 年美国的微表处用量就已经达到 32 万吨,占到全球比例的 1/2,而到了 2005 年应用量更是达到了 2 亿平方米,相当于整个欧洲国家的两倍。法国在近年平均用量在 2600 万平方米,德国摊铺面积超 700 万平方米,西班牙平均约为 2300 万平方米。
微表处在全球范围内受到越来越广泛的推广,不止在使用面积上得到提高,现在对微表处技术的研究也越来越全面、成熟。Christine Deneuvillers 等[6]认为应该多元化设计微表处混合料的配合比,增加室内试验来检测微表处的高温稳定性、构造深度、抗滑性能等的路用性能;Glynn Holleran 等认为微表处技术规范存在不足,原有配合比没有考虑交通荷载对其性能的影响,在规范中没有考虑到路面所处的实际环境状况[7]。Duane Campbell[8]等具体分析了微表处可能会对环境造成的影响,得出微表处中含有胺化合物、酸性物质,但因为本身含量较少,且研究结果表明对人体的伤害极小,并且对环境影响也很小,所以微表处可应用推广。
我国在 2000 年左右才开始研究微表处路面养护技术,后将此项工作加进“国家技术创新规划”,在 2000 年的 9 月份组织修建国内的第一条微表处试验路[9]。随后两年先后在四川内宜、山西太旧等地区修建,在 2001 年沪杭高速上海段和京沪高速天津段进行微表处养护。据统计,到 2003 年底我国一共摊铺了 650 万平方米。交通部公路科学研究所在 2005 年制定了《微表处和稀浆封层技术指南》[10],大量的实践证明微表处技术符合我国现阶段的沥青路面养护工作要求。微表处技术虽具有很多优点,但在实际工程中微表处还存在噪音大、性能不足等问题,为此我国学者为改善微表处混合料性能进行了如下研究。
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第 2 章 试验所用原材料及改性乳化沥青的制备

2.1 试验原材料及其性能
2.1.1 基质沥青
本试验中选用山东京博石油化工有限公司生产的 70#沥青,测试的基本性能结果如表 2-1 所示。
表 2-170#基质沥青的主要技术要求
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2.2 实验室改性乳化沥青制备工艺及过程
2.2.1 乳化沥青改性工艺
综合考虑现有试验设备及工艺,实验室制备改性乳化沥青时先将沥青乳化,使用时改性。具体生产工艺如图 2-1 所示。
图 2-1 实验室制备改性乳化沥青生产工艺图
2.2.2 改性乳化沥青制备按微表处要求
沥青含量不小于改性乳化沥青含量的 60%,本论文所取基质沥青质量分数占改性乳化沥青的 60%,具体制备过程如下:
(1)将基质沥青在恒温烘箱中加热至流动状态保温备用,要求温度设定为135℃,以便加入到皂液中。加热温度对沥青的乳化十分重要,若温度过低,沥青粘度很大,将难以乳化均匀;若温度过高,则容易在乳化时引起皂液沸腾,影响乳化性能。
(2)配置皂液,将水温控制在 65℃-70℃之间,称取计算好重量的水,加入称取计算重量的乳化剂,不断进行搅拌。待溶液均匀后加入用盐酸调节 PH 值校准至 1-2 之间,保持皂液温度在 65℃-70℃之间。
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第 3 章 微胶囊定型相变材料的制备及性能表征......................17
3.1 微表处路面用相变储热材料技术要求 .........................17
3.2 微表处用微胶囊相变调温剂 ...................18
第 4 章 相变材料对微表处混合料配比及性能影响分析....................29
4.1 微表处混合料级配要求 ..............................29
4.2 相变微表处混合料配合比设计 .............................29
第 5 章 相变微表处调温效果试验研究....................45
5.1 相变微表处温度调节试验设计 ........................45
5.1.1 试验材料及试验设计.......................45

第 5 章 相变微表处调温效果试验研究

5.1 相变微表处温度调节试验设计
5.1.1 试验材料及试验设计
①试验材料
调温试验相变微表处混合料所用改性乳化沥青的沥青含量为 60%,乳化剂用量 2%,改性剂用量 3%,技术性质见表 2-2;粗细集料均采用石灰岩,经过筛分,级配见表 4-2;确定微胶囊定型相变材料中各组分的比例,十四烷与白炭黑质量比为 1:1,囊心材料与囊壁溶液质量比为 1:0.45,微胶囊定型相变材料掺量为微表处混合料总质量的 3%;填料选用普通硅酸盐水泥;拌和用水为邯郸地区可饮用水,外加用水量为 10%。
②调温试验设计
按上述材料用量配制相变微表处试件,试验制备与湿轮磨耗试验的试件相同,调温性能测试试验所需的仪器如图 5-1、图 5-2 所示。
图 5-1 JK3008 高精度多路温度测试仪
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结论
本文选用能够在冰点发生相变释放热量的相变材料,将其进行封装,作为外加剂掺入到微表处混合料中,在公路养护时满足路面使用功效的同时实现其它附属功效,如延缓路面降温速率,改善微表处混合料性能,减少因路面结冰引发的交通事故,本文所得主要结论如下:
(1)优选升温相变材料十四烷,作为相变主体材料,为使相变储能材料十四烷能够在微表处混合料长期稳定的使用,对十四烷进行了封装,结合所选封装材料及相变主体材料性质,确定适合于微表处混合料中使用的微胶囊定型相变材料最佳制备工艺,材料中白炭黑与十四烷质量比为 1:1,囊心材料与囊壁溶液质量比为 1:0.45。
(2)对制备的不同微胶囊样品进行了差示扫描量热分析、热重分析以及扫描电镜分析。制备的该材料放热过程中相变峰值温度为-1.02℃,相变结束温度为-11.2℃,相变焓值为 101.4J/g 的相变样品用于微表处混合料,该微胶囊定型相变材料相变温度符合升温相变材料要求,相变焓值较高,热稳定性优良,密封效果较好。
(3)对相变微表处混合料进行了配比,其中根据要求乳化剂用量为 2%,改性剂用量占沥青含量的 3%。进行拌和试验、粘聚力试验,确定用水量为 10%、水泥掺量 1%、油石比用量 6.6%。通过 1h 湿轮磨耗试验、负荷轮粘沙试验优化相变材料掺量为 2%或 3%,最佳油石比 7.2%。
(4)分析了相变材料对微表处混合料性能的影响。研究结果表明相变材料的加入对微表处混合料的耐磨耗性能影响不大,相变微表处混合料的抗水损害能力、抗车辙能力得到了提高,3%相变材料掺量的相变微表处混合料各项性能更优,抗水损害能力提高了 23.9%,抗车辙能力提高了 9.3%。
(5)对相变掺量为 3%的相变微表处混合料试件进行了调温效果测试,确定相变材料的掺入降低了微表处降温速率,延缓了微表处达到低温极值的时间。相变微表处试件比普通微表处试件内部温度平均高出约 2℃。模拟融冰雪试验证明相变微表处有一定融冰效果。
参考文献(略)

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