玻璃纤维-PEG4000相变沥青混合料性能范文研究

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论文字数:38145 论文编号:sb2021042410064935273 日期:2021-05-07 来源:硕博论文网
本文以聚乙二醇 4000(PEG4000)为相变材料,制备相变改性沥青,并对三大指标进行测试,研究 PEG4000 对沥青基本性能的影响。探究 PEG4000 对沥青的调温效果,确定 PEG4000 的掺量,并通过马歇尔试验对相变沥青混合料的高温性能进行研究,分析 PEG4000 对高温稳定性的影响程度。之后以 PEG4000 为基础控温材料,利用玻璃纤维对沥青混合料进行改性,研究不同掺量的玻璃纤维对相变沥青混合料性能的影响,确定最佳掺量,并探究玻璃纤维对相变沥青混合料调温效果的影响。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
随着汽车行业的发展,公路对我国社会经济发展至关重要,成为人类生活不可缺少的一部分。自新中国成立,公路工程迅速发展。1978 年以来,以经济建设为中心政策开始执行,我国的公路里程达 469.63 万公里;1988 年我国首条高速开始通车,之后我国开始大范围铺筑高速公路,到 2019 年年底高速公路总里程达 14.3万公里[1]。随着人类生活水平的提高,人们需求开始向安全、舒适、美观等方向转变,对路面行驶要求也逐渐提高,沥青混凝土路面因其“表面平坦、施工时间短、维修快捷方便、行车噪音低”等特点普遍应用于道路建设。数据表明:在我国所有建成公路总里程中,沥青路面约占 28%;而沥青路面约占所有高速公路的 90%[2]。
沥青混凝土是一种温度敏感性材料,我国大部分地区夏季温度高达 35℃~40℃,而沥青路面颜色较深,易吸热,表面温度有时高达 60℃,加剧城市热岛效应,且在长期不断的动荷载作用下易使路面产生车辙、泛油等破坏;在高温条件下,沥青受热释放有机挥发物,污染环境,不利于人体健康。相变材料具有调节温度和储存热量的功能,在沥青路面中掺入相变材料,可明显缩短高温持续时间,降低有害气体的挥发量,减缓城市热岛效应。为此,有研究者提出在沥青或沥青混合料中添加相变材料来降低温度。其中适用于沥青路面的相变材料相变过程多是由稳定固态向流动液态的转变,虽能达到降温的效果,但在高温环境下转变成液态,增强混合料的流动性,降低路面稳定性。很多学者试图通过制备复合定形相变材料或微胶囊解决这一问题,但载体材料或胶囊壁制作技术复杂、价格较高,提高了经济成本,且在荷载作用下容易出现渗漏现象。因此本文采用外掺改性材料的方法来探究其对相变材料沥青路面性能的影响效果。
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1.2 概述
1.2.1 相变材料概述
相变材料是一种利用材料本身物理形态的改变,向外界环境吸、放热量,来达到调节温度和储存能量的材料[3]。
20 世纪 40 年代以来,环境污染对人类生活的影响也越来越大,尤其 70 年代能源危机的影响,人们逐渐对环境保护和资源节约重视起来。相变储能技术可对多余热量进行回收和再利用,成为节约能源的环境友好型技术,在工业技术和环境能源利用等方面得到重视。现已有很多国家召开了相变储能技术的相关会议,一些发达国家,如美国、英国、法国对相变储能技术制定了很多长期发展规划[4]。相变材料已在建筑、航天、纺织、军事等领域普遍利用。
在建筑领域:(1)相变储能墙板,这种墙板具有调节温度的作用,可以作为围护结构,在北方冬季气候,可以显著提高室内温度,人处于室内更加舒适[5];(2)相变储能混凝土,将相变材料掺入建筑用外墙浇筑的混凝土中,使建筑中的墙体具有一定的调温效果,具有节能功能[6];(3)建筑保温材料,在保温材料中添加相变材料,强化保温性能;(4)相变砂浆材料与涂料,这种涂料具有明显储热功能、较低生产成本、较好隔热性能;(5)相变储热地板,使室内环境具有冬暖夏凉的效果,适用于没有暖气的南方地区。在航空航天领域:相变材料在航天中的应用主要集中在(1)控制电子元件的温度;(2)储存热量等方面。例如:将相变材料用于“嫦娥一号”卫星的组件中,CCD 器件的温升就由这种材料来抑制[7];另外,“阿波罗 15号”月球车、美国火星漫游车的系统或组件也采用了相变材料进行控温。在纺织领域[8]:相变材料可以用于纺织行业,做成具有调热功能的服装。其具体用于(1)涂层织物,将相变材料与涂层剂共同用于纺织品;(2)在纺丝原液加入中相变材料做成纤维;(3)将相变材料用途涂层泡沫。这些工艺制作的材料具有热调节功能,具有保温作用,多用于保暖手套、冬服、头盔等。在军事领域:加入相变材料,可以遮掩设备的温度,能够改变红外光谱,具有隐身作用。正是因为相变材料在较多行业得到了广泛应用,并具有可行性,因此考虑将相变材料添加进沥青路面,对沥青路面进行温度调控。
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第 2 章 原材料及试验方案

2.1 原材料
2.1.1 沥青
本文选用东明产 70#石油沥青为基质沥青,并对基质沥青各项技术指标进行测定,具体结果见表 2-1。
表 2-1 70#沥青基本性能指标
2.1.2 相变材料优选
相变材料具有较多种类,不是全部都适合用于沥青路面,因此将相变材料用于沥青路面必须具备以下条件:
(1)无毒、无污染、无腐蚀性。沥青路面是供人类使用的公共交通,与人们生活密切相关。因此路面用相变材料必须对人类安全无害。
(2)具有较大的相变潜热和较高的导热系数。相变材料具有较高的相变潜热意味着具有较大的单位质量储热密度,即具有较强的储热能力,调温效果更明显。若其导热系数较低,将不能及时将外界热量传递,会降低调温储热功能。
(3)不会产生化学反应,与沥青具有相容性。沥青在沥青路面中具有非常重要的作用,其具有一定的粘结性,能够将集料相互连接在一起,影响沥青路面的强度。
(4)良好的热稳定性和化学稳定性。我国沥青路面施工多采用热拌的工艺,需经过高温加热、搅拌、运输、压实等工序。要求相变材料具有较好的耐热性,在高温条件下不会发生热分解。
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2.2 沥青混合料配合比设计
2.2.1 级配设计
级配类型对沥青混合料性能起很大作用。本试验采用 AC-13 连续密级配来制备沥青混合料,级配设计严格按照规范[77]中级配范围确定。沥青混合料集料配比见表 2-6,级配曲线见图 2-3。
表 2-6 AC-13 沥青混合料集料配比

最佳油石比在配合比设计中是非常重要的指标,在沥青混合料中,对于沥青有一个最优掺量。当沥青过多时,集料表面存在的具有流动性的沥青较多,集料间流动性增强,其抵抗变形的能力变差,在高温下容易出现泛油等现象;当沥青用量较少时,集料表面的沥青较少,甚至不能将集料表面全部包覆,集料之间的粘结作用较差,在车辆反复作用下易产生裂缝、剥落等破坏。因此最佳油石比的选择对沥青混合料来说尤为重要。目前,通常推荐的沥青膜最小厚度为 6~8μm[60-62],本试验根据沥青膜厚度和集料比表面积初步估计最佳油石比。
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第 3 章 直掺相变沥青及其混合料性能研究.................................. 21
3.1 相变改性沥青的制备...................... 21
3.2 相变改性沥青基本性能................................ 21
第 4 章 玻璃纤维增强相变沥青混合料性能分析............................... 33
4.1 高温性能.................................. 33
4.1.1 车辙试验................................ 34
4.1.2 车辙试验结果分析............................... 35
第 5 章 掺加玻璃纤维的相变沥青混合料调温效果研究.................................. 51
5.1 调温试验方法................................... 51
5.1.1 相变材料调温原理............................. 51
5.1.2 调温试验......................... 52

第 5 章 掺加玻璃纤维的相变沥青混合料调温效果研究

5.1 调温试验方法
5.1.1 相变材料调温原理
沥青路面一直暴露在外界环境之中,不仅受到车辆或行人荷载的反复作用,还受到如太阳、雨水、风、气温等环境的影响。阳光是地球上万物能量之源,无休止的向大地传送着光和热量。而沥青路面颜色较深,经太阳照射后吸收较多热量,同时和大气间进行着热交换,将热量释放于路面表面。因此,太阳辐射温度越高,沥青吸收的热量越多,路表温度也就越高。特别在夏季,我国较多地区的温度普遍在35℃以上,有时达到 40℃-45℃之间,沥青路面源源不断吸收热量,可达 60℃以上,已经超过沥青的软化点,沥青变软,粘结性变差,流动性增强,在车辆的反复作用下容易发生车辙、推移等破坏,降低路面的使用性能。另一方面,在炎热大气层笼罩之下,沥青路面所吸收的热量不能及时释放,提高了路面温度,加剧热岛效应,且沥青在高温作用下,散发一些沥青挥发物,污染环境,影响人类生活健康。
而相变材料调节温度能力是由材料自身发生相态变化时所吸放的热能来调节外界温度。材料的相变遵循能量守恒的原则,是一个等温的过程,其在相态转变过程中温度相差不大,这个温度即为“相变温度”[75]。例如固液相变,随着温度不断升高,达到即将发生相态转变的温度时,材料就会不断吸收外界热量逐渐完成从固态向液态的变化;当温度不断降低至结晶温度时,相变材料会将之前从外界吸收的热量释放出来,进行从液体向固体的逆相变[31]。
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结论


本文以聚乙二醇 4000(PEG4000)为相变材料,制备相变改性沥青,并对三大指标进行测试,研究 PEG4000 对沥青基本性能的影响。探究 PEG4000 对沥青的调温效果,确定 PEG4000 的掺量,并通过马歇尔试验对相变沥青混合料的高温性能进行研究,分析 PEG4000 对高温稳定性的影响程度。之后以 PEG4000 为基础控温材料,利用玻璃纤维对沥青混合料进行改性,研究不同掺量的玻璃纤维对相变沥青混合料性能的影响,确定最佳掺量,并探究玻璃纤维对相变沥青混合料调温效果的影响。得出如下结论:
(1)相变材料 PEG4000 对沥青性能影响较大,当 PEG4000 掺量为 15%时,相变沥青各项指标满足规范要求,并且具有较好的调温效果,可调温 6℃左右;沥青混合料的高温性能掺入相变材料后变差,且随着相变材料的不断增加,性能愈来愈差,当相变材料掺量为 15%时,沥青混合料的稳定度降低了 34%。
(2)车辙试验结果表明,加入相变材料的沥青混合料高温性能较差,与未掺加相变材料的混合料相比,其动稳定度约下降了 46%。掺加玻璃纤维之后有一定程度的改善效果,但改善后的性能仍低于基质沥青混合料。
(3)半圆弯拉试验表明,PEG4000 对沥青混合料的低温性能有一定的影响,但影响不大,主要降低了沥青混合料的临界断裂能和断裂韧度。玻璃纤维对混合料的抗裂性有一定的作用,掺量为 0.2%时,相变沥青混合料和基质沥青混合料的层底抗拉应变明显提高。
(4)冻融劈裂试验表明,掺与不掺相变材料的混合料在未进行冻融循环的情况下,其劈裂抗拉强度差距不大,甚至掺加相变材料的混合料略高于未掺加的;经过冻融循环后,相变沥青混合料劈裂抗拉强度明显比基质的低。相变材料的加入明显降低了混合料的水稳定性,玻璃纤维对其有一定的改善效果,0.2%的玻璃纤维改善效果最佳,但仍低于基质沥青混合料。
(5)将 15%PEG4000 加入沥青混合料制作而成的车辙板在高温环境下可降低温度 2~3℃。玻璃纤维相变沥青混合料和相变沥青混合料温度差异不大,说明玻璃纤维对相变沥青混合料的温度几乎没有影响。
参考文献(略)


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