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聚合物混凝土長期使用性能影響因素探究

時間:2020-01-18 來源:北京建筑大學 作者:郭虹良 本文字數:4551字
  摘     要
  
  聚合物混凝土是由聚合物完全代替瀝青作為膠結料與礦料混合而成的一種新型冷拌冷鋪鋪裝材料,節能減排、綠色環保。前期研究表明,聚合物混凝土的高溫、低溫等性能均優于 SBS 改性瀝青混合料,但是關于影響其耐久性因素的研究較少。鑒于此,本文對聚合物混凝土長期使用性能的影響因素進行評價研究。

聚合物混凝土長期使用性能影響因素探究
  
  首先,研究了老化對聚合物混凝土性能的影響。用紫外光照和高溫對聚合物混凝土進行老化,評價了飛散劈裂強度損失、低溫小梁彎拉應變及高溫車轍動穩定度,并將聚合物混凝土的抗老化性與 SBS 改性瀝青混合料進行對比。結果表明,與 SBS 改性瀝青混合料相比,聚合物混凝土具有更好地抗老化能力。溫度老化后其飛散后劈裂強度是SBS 改性瀝青混合料的 1.4 倍以上;紫外光老化后低溫最大彎拉應變是 SBS 改性瀝青混合料的 6.9 倍以上;老化后聚合物混凝土的高溫性能是 SBS 改性瀝青混合料的 5 倍以上。
  
  其次,評價了聚合物混凝土在長期使用過程中的水穩定性。在多次凍融循環及長期光、熱老化的作用下,聚合物混凝土與 SBS 改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比趨于接近,但聚合物混凝土的剩余劈裂強度是 SBS 改性瀝青混合料的 2 倍。通過改進浸水飛散試驗得出在試驗條件的范圍內,聚合物混凝土水穩定性影響因素排序為浸泡溫度>浸泡時間>磨耗次數。
  
  最后,對聚合物混凝土抗疲勞性能進行了評價。四點彎曲疲勞試驗表明,聚合物混凝土的疲勞壽命在老化后仍達到 100 萬次以上,從疲勞壽命次數和初始模量得出,聚合物混凝土比 SBS 改性瀝青瀝青混合料具有更好地抗疲勞能力。
  
  關鍵詞:  聚合物混凝土;耐久性;影響因素;抗老化性能;水穩定性能;抗疲勞性能 。
  
  Abstract
  
  Polymer concrete is a new type of cold mixtures and made of polymer instead of asphalt as binder. It can save energy, reduce emission and protect environment. Previous studies have shown that the performance of polymer concrete is better than that of SBS modified asphalt mixture at high and low temperatures, but there are few studies on the factors affecting its durability. In view of this, this paper evaluates the influencing factors of long-term service performance of polymer concrete.
  
  Firstly, the effect of aging on the properties of polymer concrete was studied. Polymer concrete  were  aged  by  ultraviolet  light  and  high  temperature.  The  splitting  strength  loss, bending  strain  of  low  temperature  trabecula  and  rutting  stability  at  high  temperature  were evaluated. The aging resistance of polymer concrete was compared with that of SBS modified asphalt mixture. The results show that polymer concrete has higher aging resistance than SBS modified asphalt mixture. The splitting strength after temperature aging is more than 1.4 times of  that  of  SBS  modified  asphalt  mixture,  the  maximum  bending  strain  at  low  temperature after ultraviolet aging is more than 6.9 times of that of SBS modified asphalt mixture, and the high temperature performance of aged polymer concrete is more than 5 times of that of SBS modified asphalt mixture.
  
  Secondly, the moisture susceptibility of polymer concrete in long-term use was evaluated. Under the action of multiple freeze-thaw cycles and long-term light and thermal aging, the ratio of freeze-thaw splitting strength of polymer concrete to SBS modified asphalt mixture tends to be close, but the residual splitting strength of polymer concrete is twice that of SBS modified asphalt mixture. By improving the soaking and dispersion test, it is concluded that inthe  range  of  test  conditions,  the  influencing  factors  of  moisture  susceptibility  of  polymer concrete are ranked as soaking temperature, soaking time and wear times. Finally,  the  fatigue  resistance  of  polymer  concrete  was  evaluated.  Four-point  bending fatigue test shows that the fatigue life of polymer concrete is still more than 1 million times after aging. From the number of fatigue life and initial modulus, polymer concrete has higherfatigue resistance than SBS modified asphalt mixture。
  
  Keywords:    Polymer  concrete;  Durability;  Influencing  factors;  Aging  resistance;  Moisturesusceptibility; Fatigue resistance。
  
  第1章 緒論
 
  
  1.1、研究背景與意義。

  
  近年來中國在交通工程領域發展迅速,截止到2018年末,中國公路橋梁建設總數已接近90萬座。但是,隨著交通量、荷載地不斷增長及極端惡劣天氣的作用,各類鋪裝材料在長期使用過程中的病害逐漸加重。目前,常用的鋪裝材料主要為瀝青混凝土,其強度主要通過骨架結構及瀝青與集料之間的黏結力形成[1]。針對不同的使用功能,鋪裝材料分為路用瀝青混凝土、SMA瀝青瑪蹄脂碎石混凝土、排水瀝青混凝土、樹脂改性瀝青混凝土等。為了保證鋪裝材料滿足長壽命的要求,減少使用過程中發生病害,我們采取了許多措施如:采用超薄磨耗層作為保護層、在混凝土中加入抗老化劑、采用高黏或改性瀝青等措施,但是都沒有改善瀝青材料在高溫中變軟、低溫環境下開裂、被水浸泡后脫落松散的特性。十三五規劃綱要指出[2],要完善能源安全制度,加強城市基礎交通等設施的建設,大力發展新型綠色環保能源。因此,在瀝青類材料本身性質無法得到較好改善的情況下,新型道路鋪裝材料的開發已刻不容緩。
  
  隨著聚合物行業的興起,其逐漸應用于多個行業領域,在道路工程領域主要是應用于快速修補技術及改善瀝青品質。聚合物本身具有較好地黏結性,與礦料混合的過程中不會出現脫空現象,且聚合物可以在常溫下與礦料進行拌和,是一種冷拌冷鋪環保型材料。傳統的使用方法是將聚合物作為改性劑對瀝青性能進行改善,聚合物改性瀝青通常較基質瀝青來說脆點較低,高溫穩定性與低溫抗裂性較好,常溫狀態下黏度很大,并且拌和與施工便捷簡單無需特殊的施工設備。聚合物作為外加劑雖然在一定程度上提高了瀝青的高溫性能、彈性與黏性,但材料在本質上仍是以瀝青為基礎,所以并沒有改變它高溫軟化、低溫脆裂及遇水松散等特性。因此,課題組經過前期大量的室內試驗研究,提出了一種新型的聚合物混凝土鋪裝材料。
  
  聚合物混凝土將聚合物完全代替瀝青作為膠結料與礦料混合,通過室內試驗驗證發現其路用性能均好于目前常用的改性瀝青混合料如:SBS改性瀝青混合料、廢胎膠粉復合SBS改性瀝青混合料、樹脂SBS改性瀝青混合料等。對于新材料的使用,我們希望其在外部環境作用下仍能保持良好的使用情況。如果聚合物混凝土在外部環境侵蝕的作用下仍能保證優良的工作性能與耐久性,在一定程度上我們就可以解決道路鋪裝結構實際服役壽命與設計年限無法匹配的問題。同時根據國務院2018年印發打贏藍天保衛戰三年行動計劃的要求[3],聚合物混凝土的推廣與應用有利于構建清潔低碳高效的能源體系,有效降低SO2、CO2、CO等污染物的排放,推動綠色交通體系的建設與發展。本文對聚合物混凝土的長期使用情況進行探究,根據聚合物的特點選取了不同的影響因素,并對不同因素下的聚合物混凝土的長期使用情況進行評估,通過對不同因素作用下聚合物混凝土抗老化性、水穩定性及抗疲勞性的分析,為聚合物混凝土的應用提供技術支持。
  
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  1.2、國內外研究現狀.

  1.2.1、聚合物混凝土.
  1.2.2、混凝土耐久性
  
  1.3、主要研究內容
  
  1.4 、技術路線圖
  
  第2章  原材料性能檢測及配合比設計
  
  2.1 、原材料技術性能

  2.1.1、集料
  2.1.2、黏結劑
  
  2.2、材料配合比設計
  2.2.1、礦料級配設計
  2.2.2、聚合物混凝土配合比設計
  2.2.3、瀝青混凝土配合比設計
  2.2.4、路用性能驗證
  
  2.3 、本章小結
  
  第3章  聚合物混凝土抗老化性能
  
  3.1、溫度老化

  3.1.1、概述
  3.1.2、溫度參數確定
  
  3.2、紫外光老化
  3.2.1、概述
  3.2.2、紫外光老化機理
  3.2.3、紫外光老化參數確定
  
  3.3、聚合物混凝土抗松散性能
  3.3.1、肯塔堡飛散試驗
  3.3.2、老化對聚合物混凝土松散性影響
  3.3.3、抗松散性能對比分析
  
  3.4、聚合物混凝土低溫性能
  3.4.1、低溫彎曲小梁試驗
  3.4.2、老化對聚合物混凝土低溫性能影響
  3.4.3、低溫性能對比分析
  
  3.5、聚合物混凝土高溫性能
  3.5.1、動穩定度試驗
  3.5.2、老化對聚合物混凝土高溫性能影響
  3.5.3、高溫性能對比及分析
  
  3.6、本章小結
  
  第4章  聚合物混凝土水穩定性能
  
  4.1、水溫作用下聚合物混凝士破壞機理.
  
  4.2、聚合物混凝土多次凍融循環下性能研究

  4.2.1、試驗方法
  4.2.2、凍融循環下的水穩定性變化
  
  4.3、光熱對聚合物混凝土水穩定性的影響
  4.3.1、試驗方法
  4.3.2、老化對水穩定性的影響
  4.3.3、水穩定性對比分析
  
  4.4、改進浸水飛散試驗
  4.4.1、正交試驗.
  4.4.2、正交試驗結果分析
  
  4.5、本章小結
  
  第5章  聚合物混凝土抗疲勞性能
  
  5.1、試驗條件及方法

  5.1.1、常用疲勞試驗方法
  5.1.2、疲勞試驗方案
  
  5.2、疲勞試驗結果及分析
  5.2.1、疲勞壽命次數
  5.2.2、初始勁度模量
  
  5.3、本章小結

  結論

  本文對聚合物混凝土的耐久性影響因素進行研究,主要從聚合物混凝土的抗老化性能、水穩定性能及疲勞性能進行了相關試驗分析,得到主要研究結論如下:

  (1)聚合物混凝土配合比設計。

  1)采用馬歇爾設計方法對AC-13型聚合物混凝土的級配進行設計,并確定其最佳黏結劑用量為7%。2)聚合物混凝土的凍融劈裂強度比要弱于SBS改性瀝青混合料,但其凍融劈裂剩余強度要高于SBS改性瀝青混合料,采用剩余劈裂強度來評價聚合物混凝土的水穩定性能更為合理。

 。2)聚合物混凝土抗老化性能。

  1)聚合物混凝土與SBS改性瀝青混合料相比具有更好地抗老化能力。2)老化環境對聚合物混凝土抗松散性能影響排序為90℃>紫外光照>60℃,高溫老化后聚合物混凝土經飛散的剩余劈裂強度是未老化的SBS改性瀝青混合料的1.4倍。3)老化環境對聚合物混凝土低溫抗裂性能影響排序為紫外光照>90℃>60℃,紫外光照6周后聚合物混凝土的最大彎拉應變為14700με,是相同老化條件下SBS改性瀝青混合料的6.9倍。4)老化對于聚合物混凝土高溫穩定性有一定的提高,但并不明顯,聚合物混凝土的動穩定度在老化前后均是SBS改性瀝青混合料的5倍以上。

  (3)聚合物混凝土的水穩定性。

  1)聚合物混凝土在多次凍融循環及老化環境中均表現出隨著作用次數或時間的增加,凍融劈裂強度比的變化趨勢與SBS改性瀝青混合料越來越接近,同時其剩余劈裂強度是SBS改性瀝青的2倍。2)多次凍融循環對于聚合物混凝土的水穩定性影響要大于光、熱老化環境對聚合物混凝土水穩定性能的影響。3)改進浸水飛散試驗表明,聚合物混凝土水穩定性影響排序為:浸泡溫度>浸泡時間>磨耗次數。

  (4)聚合物混凝土抗疲勞性能。

  1)在1200με下,從疲勞壽命次數來看,溫度、紫外光及凍融循環對于SBS改性瀝青混合料疲勞壽命影響較為明顯,聚合物混凝土的疲勞壽命在老化后仍高于100萬次。2)在1200με下,從彎曲勁度模量來看,SBS改性瀝青混合料的彎曲勁度模量是聚合物混凝土的8倍以上,聚合物混凝土與SBS改性瀝青混合料相比疲勞性能更好。

  參考文獻

    郭虹良.聚合物混凝土耐久性影響因素研究[D]. 北京建筑大學 2019
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