碳纳米纤维改性热拌沥青混合料的特性研究.doc

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螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃莁蒃肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈袀袁莀蒇薀螄芆蒇蚂羀膂蒆螅螂肈蒅蒄羈羄薄薇螁芃薃虿羆腿薂螁蝿肄薁蒁羄肀薁蚃袇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇膅蚀袄羃芄螂聿节芃蒂袂膈节蚄肈膄芁螆羀肀芀衿螃莈艿薈罿芄艿蚁螂膀芈螃羇肆莇蒃螀羂莆薅羅芁莅螇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚂肂羅莂螄袅芃 碳纳米纤维改性热拌沥青混合料的特性研究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。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Khattak et al.7,8开发了一个使得CNF维网络结构可连接因负载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。Yu et al.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。 ）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30-100m，拉伸模量600 GPa，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，并用水冷金刚石锯片切成三个352mm厚度的试样。对于CNF改性HMA来说，细粒土的体积调整还体现在混合料中CNF用量的提高。依照下列步骤拌合CNF和HMA混合料。详细的过程已由Khattak et al.7,8列于下文。（1）煤油-CNF混合料的制备为：添加相当于沥青混合料重量1.5%的CNF到煤油中，如前文中所讨论的一样，使用超声和高速剪切混合器进行充分搅拌。然后将该混合2 料与沥青在60下混合熔化。在剪切拌合的170-175分钟之间，将油浴温度缓慢提高到150。可以观察到，煤油完全蒸发而CNF则留在沥青混合料中。此过程制造出了均匀分散的CNF改性沥青混合料7。（2）丙酮-CNF混合料也是使用上述超声技术制备的。这种混合料被称为湿CNF混合料。这种湿混合料被放在一个托盘里，然后在室温下用小底座风扇使丙酮蒸发。经过室温下连续3-4小时的风干，再将CNF置于60的烘箱中进行6小时的烘烤以使CNF成完全干燥的团块。（3）为了制得CNF改性HMA混合料，适量干燥或湿润的CNF在室温下被放在旋转混合仪中与集料混合。对于干燥的CNF混合料，混合时间保持15分钟。然而，对于湿CNF混合料则是继续搅拌，直到所有的丙酮蒸发，通常为30-60分钟。旋转混合后，将CNF改性沥青结合料和骨料置于150的烘箱中进行1.5小时的搅拌。在150的拌合温度下，将CNF、骨料和CNF改性沥青置于钢碗中进行低速混合。然后将CNF改性HMA混合料置于烘箱中2小时，压实温度为150。最后，在150下使用高性能路面旋转压实仪将HMA混合料压制在一个直径为150mm的钢材模具中。制备并测试了以下几种类型的HMA混合料：(1) 素HMA混合料-由普通沥青胶结料制成的混合料。(2) 工艺处理性HMA混合料-与CNF改性沥青采用同样的拌合步骤，但不添加CNF。(3) 干燥的CNF改性HMA混合料-与CNF改性沥青结合料混合，并掺入各种剂量的干燥CNF。(4)湿润的CNF改性HMA混合料-与CNF改性沥青结合料混合，并掺入各种剂量的湿润CNF。各类HMA混合料的样品分别准备三份，并在间接拉伸模式下进行动态模量、拉伸强度、刚度、韧性、疲劳寿命和永久变形特性等测试。 4测试方案4.1.间接拉伸荷载下测试动态模量(E)在各种荷载频率下对HMA试件进行间接拉伸试验(IDT)。使用闭环伺服液压机进行试验，该机器由MTS公司制造。采用稍加修改的由Kimet al.17所提出的动态模量试验协议。在20线性粘弹性应力范围 (1)2V2H斜坡荷载直至样品破坏。测定荷载的大小和混合料在水平和垂直方向上的变形。现对下列四个参数加以研究。（1）间接抗拉强度（ITS）的计算采用下列公式：ITS=2PDt(3)其中P是破坏荷载，D为样品的直径，t是试样的厚度。(2) 刚度（S）是应力应变曲线直线部分的斜率。S越大表示抗疲劳开裂和永久变形越大。我们发现，在达到50%的峰值之前，应力-应变曲线几乎保持直线。用下面的公式计算S。18S=0.5(ITS)0.5(4)2P其中，P是施加的载荷，单位N；A是加载带宽度，单位m；d为试样的厚度，单位m；DV是垂直变形，单位m；DH是横向变形，单位m；1、2、1、2是系数，分别等于-0.0202307，-0.0062774，0.0054818和0.0174723。这些值是根据宽度为19毫米，直径为150毫米和标距为50.8毫米的加载条确定的。相位角定义为： =2ft(2)其中f是频率，单位Hz ;t是拉伸应力之间的时间差，单位s;为相位角，单位弧度;取0时表示纯弹性材料，取90时表示纯粘性材料。 4.2. 间接拉伸强度试验和20下的动态模量试验一样，间接拉伸强度试验将使用同样的样品进行试验。开始时，允许样品恢复一些动态模量试验中所发生的变形。以5.1cm/min的恒定速率施加其中0.5是对应于半峰值应力时的应变。 (3)断裂能量(FE)是峰值应力破坏时应力-应变曲线所包围的面积。(4)材料峰值后的行为可以用韧性指数(TI)来解释。韧性指标是指材料破坏时的弹塑性能量。没有峰值后荷载时，韧性指数为零，它表示脆性材料。韧性指标(TI)是从典型的应力-应变曲线中计算而来的，如式（5）所示19。TI=Ae-Apee-ep(5)其中TI是韧性指标，Ae是应变为ee处应力-应变曲线包围的面积，Ap是应变为ep处应力-应变曲线包围的面积。ep是峰值应力处的应变，ee是利益点处的应变。在这项研究中，大多数试样显示出的最大拉伸应变水平为1.75%。因此，将1.75%的拉伸应变水平选定为计算韧性指数时的利益点处应变值。 4.3.间接拉伸荷载下的动态疲劳试验3 动态疲劳试验也是采用三份处理性和CNF改性HMA混合料，在10Hz和20下使用正弦荷载进行应力控制的间接拉伸试验。对样品施加138kPa的间接拉伸恒载应力，这相当于混合料15%的间接拉伸强度。由试验确定HMA混合料的疲劳寿命和累积塑性变形。该疲劳寿命被定义为塑性拉伸应变速率刚开始增加时的加载周期数。对累计压缩塑性应变也进行了评价，它表示该材料抵抗永久变形的能力，亦即抗车辙能力18 。 4.4.扫描电子显微镜在路易斯安那州拉斐特分校的显微中心，进行了各种为表征HMA混合料基本形态和微观结构以及断口形貌的试验。使用高分辨率扫描电子显微镜（SEM）来研究断裂形态和失效机理。用于扫描电镜断口形貌分析的样品尺寸为38mm15mm3mm，它是用金刚石锯片从35mm厚、直径为150mm的沥青混凝土样品中心切割而来的。对样品进行直接拉伸，在15KV的能量下对断裂表面形貌进行不同放大倍率的观察。 5.结果与分析5.1.CNF用量对动态模量(E)的影响分别在间接拉伸应力荷载模式下测定素HMA混合料、处理性HMA混合料、CNF改性HMA混合料的动态模量(E)。图1显示了素HMA混合料和处理性HMA混合料的动态模量(E)在20下随荷载频率变化的典型函数曲线。如图所示，E值会随着加载频率的增加而变大。图中的数据也表明，处理过的HMA混合料其平均E较素HMA混合料高35-85%。经处理的HMA混合料其相角则比素HMA混合料低6-30%。 当材料表现出较高E值和较低的相位角时则是值得可取的。在一般情况下，认为具有高E值和低相角的混合料拥有更大的抗变形能力。沥青的短期老化也可能增加弹性模量和减小相位角。对煤油沥青混合料在较高的温度下进行高速剪切，使得煤油蒸发。虽然素混合料和处理性混合料的拌合程序4 是基于同样的G/sin值，但程序对拌合时间略微敏感7,8。增加几分钟的混合时间可能会导致混合料G/sin值的增大。因此，我们认为，处理性混合料拌合时间的增加是由处理过程中结合料短期老化所引起的。可进行两组t试验以检测二者的平均值是否明显不同。我们发现，当=0.1时，素混合料和处理性混合料的弹性模量之间存在区别。尽管如此， E值的增加和相位角的减少并不能引起该混合料特性的增强。因此，处理性混合料被用来作为参考（控制组），用以对照由于添加CNF改性剂而造成的混合料弹性模量和相位角的改变。图2和3为处理性和CNF改性HMA混合料的弹性模量和相位角的对比。 图2中的数据表明，对于高含量CNF混合料而言，改性HMA的E值随CNF剂量的增加而减小。这种趋势在湿润和干燥拌合中都很明显。在高频时，CNF改性混合料的E值较之处理性混合料有5-35%的不同。当显著性水平为=0.1时，两组t-试验其模量存在一定差别。另一方面，在低频率水平时，E的平均值差异达到了24%，但并不显著。这主要是因为变异系数从5%变动至37%。同样，除了11.5% W CNF混合料这组，其他组的值与处理性混合料组并没有太大不同。图2和3也表明，湿HMA样品比干HMA样品表现出略好的效果。然而，=0.05时，各E值并没有显著差异。可以观察到，湿润处理过程耗时低效且危险，这是因为丙酮的沸点（可燃性）低，并表现出不一致的结果。如图4所示，CNF用量增加时其模量的减少可通过混合料空隙率的增加来解释。可以看到，随着CNF剂量的增加，混合料的空隙率也随之增加。此外，干混(5.5-7.5%)过程较之湿混(4.5-6.5%)过程有更高的空隙率。5.2.CNF用量对间接抗拉强度的影响ITS结果列于图5，它显示出处沥青混合料的ITS平均值比素混合料高10%。然而，=0.1时，t-试验的结果表明，测得的两组ITS值没有明显区别。另一方面，添加1.5%CNF改性剂的HMA混合料表现出了显并在=0.1时表现出显著差异。如图5所示，CNF用量的增加引起混合料空隙率的增加，从而导致ITS值的降低。著差异，大约增加了20%。不管拌合过程如何，添加CNF的HMA混合料其ITS平均值都减小了。其跌幅在14-43%的范围内， 5.3.最佳沥青含量时CNF改性HMA混合料的力学特性动态模量和ITS结果表明，最初作为填充材料加入HMA混合料的CNF，其在高剂量时，沥青不足以对其完全进行包裹。这导致了改性混合料的高空隙率，低E值和ITS值。因此，对高剂量（即6.5%）CNF的混合料进行了高性能路面混合料设计。据发现，当满足HMA拌合设计的所有其他标准时，沥青含量增加0.7%，能达到4%的空隙率。由于沥青含量变化而CNF的添加量不变，对混合料中实际的CNF剂量重新计算，其占混合料总重的5.5%，而不再是6.5%。为此制备了二十四个额外样品，用以测试处理性和CNF改性HMA混合料的体积特性、E、ITS、疲劳寿命和抗永久变形能力。 5.3.1动态模量图6和7列出了处理性HMA和最佳沥青含量且4%标准空隙率下CNF改性HMA混合料的动态模量对比。我们发现，E增加了24-26%，而则降低了6-25%。观察发现处理性和CNF改性HMA混合料的E值展现出约8%的平均变异系数(CV)。两组t-试验分析表明，在=0.05时，E和有明显的不同。E越高，越低，则CNF改性HMA混合料的抗永久变形能力越高。 5 CNF混合料所产生的应变更小。由于此应变由弹性、粘弹性和塑性应变构成，因此可得出结论，处理性混合料将比CNF改性混合料产生更大的塑性应变。5.3.2间接拉伸强度、刚度和韧性指数图8阐述了间接拉伸模式下，承受斜坡荷载时，处理性和CNF改性HMA混合料的典型应力-应变行为。可以看出，在应力从峰值到失效时，两种混合料没有显著差异。然而，该曲线的斜率，即材料的刚度，则是CNF改性混合料比处理性混合料更高。因此，对于相同的应力水平，相比于处理性混合料， 表2总结了由处理性和CNF改性混合料的ITS结果中所获得的各种特性。表中数据表明，处理性和CNF改性混合料的拉伸强度和韧性指标均未提升。即使断裂能量下降，其差别在统计学上也不显著，这是由于测试结果的高变异性造成的。另一方面，CNF改性HMA混合料的刚度明显增大，至123%。 一般情况下，纳米微观裂纹在应力-应变曲线的线性区域内开始。据认为，CNF起到了抵制裂缝出现和纳米微观裂缝初期生长的作用。需要补充的是，CNF不能抑制6 宏观裂缝的形成，即在应力-应变曲线的非线性区域。因此，当保持改性材料的强度和韧性与处理性混合料相似时，能观察到改性材料刚度的显著提升。 5.3.3.疲劳和永久变形特性图9所示为典型累积拉伸塑性应变关于荷载周期数的函数关系。计算出累积拉伸塑性应变的斜率，并绘制其关于载荷循环数的函数（图9）。可以从图中看出，累积塑性应 变的斜率最初逐渐减小，当降至最低值时开始增大。斜率刚开始增大处的荷载循环数被定义为HMA混合料的疲劳寿命。由此确定HMA混合料的疲劳寿命，并列其平均值于表3。结果发现， CNF改性HMA混合料的疲劳寿命改善了98%。 表3 疲劳试验结果汇总图10所示为累计压缩塑性应变关于荷载重复次数的函数。从图10和表3中的数据可以看出，达到相同的累积压缩塑性应变(0.25mm)，CNF改性混合料(545%)所需施加的荷载重复次数大大高于处理性混合料。这表明，改性混合料对导致车辙的永久变形有更高的抵抗能力。疲劳寿命和抗永久变形能力的改善归因于CNF改性HMA混合料间接拉伸刚度（S）和动态弹性模量（E）的增加和相位角（）的降低。与处理性混合料相比，改性材料刚度更大，弹性更强。据认为，这样的改进是由于CNF裂缝桥接机制造成的，其障碍了纳米微裂纹的形成和传播。 5.4. HMA混合料的微观结构和断口形貌图11a所示为4%CNF改性HMA断裂面的SEM显微照片，其放大倍数为6000倍。7 可以看出， CNF的密度很高，并且所有CNF纤维指向拉伸加载的方向。同时纤维也互相连接，从而表现出良好的纤维网络结构。这种纤维网络可以抵抗微裂纹扩展，抑制其局部化，并阻碍由于所施荷载引起的裂纹增长。图11b显示了图11a中显微照片的局部放大部分。图11b解释了由于拉伸应力导致的CNF拔出行为。可以在CNF底部看到一个锥形的沥青结构。这表明沥青结合料和CNF之间的粘附力等于或大于沥青之间的粘附力。因此，当CNF受到拉伸荷载被拔出时，沥青结合料也同样被拔出，这就在CNF底部形成了锥形结构。有趣的是，在锥形结构的附近同样观察到了纳米裂缝，这是由于拉伸荷载产生的局部应力造成的。此外，进一步研究这些数字表明， CNF被沥青完全裹覆，且CNF与沥青有更好的粘附力。图12所示为6.5%CNF改性HMA混合料的SEM显微图像。由图可知，其断面表面形貌与4%CNF改性HMA混合料相似，且性能有所增强。显微图像明确证明，CNF改性HMA混合料有更高的密度，更强的连接性，更好的网络结构，更多的纳米微裂缝间CNF桥接。这种裂缝桥接机制被认为抑制了微裂纹的局部化，阻碍了由于拉伸应力导致的微裂纹的扩展，如前文讨论的一样，从而改善了HMA混合料的疲劳寿命和永久变形特性。6.结论根据结果和讨论，得出了以下结论。 力学性能测试和扫描电镜分析结果表明CNF具有更好的纳米微裂纹桥接机制，提高了粘附特性，这抑制了微裂纹的局部化，并阻碍了由于拉伸荷载导致的微裂纹扩展。由于CNF改性剂的添加，疲劳寿命和抗永久变形能力显著改善。 与处理性混合料相比，CNF改性HMA8 湿HMA混合料比干HMA混合料的动态模量略高。然而，从统计学上说，使用两种拌合方法所得的模量值并没有太大差异。CNF改性HMA混合料的间接拉伸强度和韧性并未显著改变。致谢作者们希望向路易斯安那州拉斐特分校和路易斯安那州交通研究中心-交通创新探索（TIRE）计划所提供的财政支持表示衷心的感谢。同时还要特别感谢Thomas Pesacreta博士、UL拉斐特显微中心的主任、马克勒布朗先生、实验室助理、张鹏飞先生和研究生助理在试验中所提供的帮助。 rheology of bitumen and onperformance of asphalt mixtures.M.S. thesis. Delft (Netherlands): DelftUniversity of Technology; 2006.10 Liu D-L, Bao S-Y. Research of improvement of SBS modified asphalt pavementperformance by organic montmorillonite. J Build Mater China 2007;10(4):5004.11 Ma F, Zhang C, Fu Z. Performance and modification mechanism of nano-CaCO3modified asphalt. Wuhan LigongDaxueXuebao (JiaotongKexue Yu GongchengBan) J Wuhan UnivTechnol (Transport Sci Eng) 2007;31(1):8891.12 Yu J et al. Effect of montmorillonite on properties of styrenebutadienestyrene copolymer modified bitumen. Polym Eng Sci 2007;47(9):128995.13 Tandon GP, Ran Y. Influence of vapor-grown carbon nanofibers onthermomechanical properties of graphiteepoxy composites. In: Proceedingsfor the 17th annual technical conference ASC; 2002. 14 Glasgow DG, Tibbetts GG. Surface treatment of carbon nanofibers for improvedcomposite mechanical properties. 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