010-82930964 
编号：CYYJ04891
篇名：钢纤维-纳米材料复合沥青混凝土断裂及自愈合性能研究
作者：宋泽轩
关键词： 沥青混凝土; 钢纤维; 纳米材料; 断裂性能; 自愈合性能;
机构： 大连理工大学
摘要： 钢纤维因具备高导电、高传热及高强度等性能,被用来增韧、增强沥青混凝土,但高长径比钢纤维往往会导致沥青混凝土密实程度降低、且因易相互缠绕引起沥青混凝土在电磁感应热诱导下的传热不均匀;纳米材料因其纳米效应在低掺量下即可有效改善沥青混凝土的结构稳定性、电/热学性能、流变性能及抗断裂能力。因此,复合使用钢纤维和纳米材料,可在沥青混凝土内部形成多尺度导电/传热网络,还可优化微观形貌和分子结构,有望基于低长径比钢纤维发展高抗断裂、高自愈合性能的沥青混凝土。本文选用高速剪切法（HS）或球磨法（BM）分散以纳米碳酸钙（NCC）、螺旋碳纳米管（H-CNTs）或镀镍碳纳米管（Ni-CNTs）、导电石墨烯（GC）或高纯石墨烯（GP）为代表的零维、一维、二维纳米材料,进而对钢纤维-纳米材料复合沥青混凝土的断裂及自愈合性能展开研究,并基于流变性能、微观形貌以及分子结构变化对性能的影响机理进行分析。主要研究内容和结论如下: （1）凭借钢纤维自身及NCC附着增强的“桥梁”效应,钢纤维-NCC复合沥青混凝土的抗断裂性能得到显著提升。通过BM方法掺加5%NCC对6 mm和13 mm钢纤维沥青混凝土基于低温断裂试验得到的峰值荷载(Pmax)的提升效果最强,增幅分别为17.5%和21.9%。NCC也展现出对50%和75%损伤程度下钢纤维沥青混凝土抗断裂性能的优异提升效果。通过HS方法掺加NCC可增加沥青胶结料的产热点,诱导沥青胶结料流动,从而在上表面裂缝最高温度达到90℃,侧面区域平均温度达到70℃的电磁感应加热模式下,提高6 mm钢纤维沥青混凝土的低温断裂自愈合性能,也可将在25%和75%损伤程度下的平均自愈合指数（SHI）提高21.7%和29.7%。但NCC“填充”效应减弱了13 mm钢纤维沥青混凝土的保温效果,不利于提升其自愈合性能, （2）CNTs和G可以通过“桥接”、“拖曳”和“填充”效应增强钢纤维沥青混凝土的抗断裂性能。通过BM方法掺加H-CNTs、GC和GP将6 mm和13 mm钢纤维沥青混凝土基于低温断裂试验得到的Pmax分别提升了15.0%、17.4%、8.5%和31.6%、42.0%、33.9%;通过HS方法掺加Ni-CNTs将6 mm钢纤维沥青混凝土在低温断裂试验基于VD和HD-荷载曲线得到的断裂能(GVD和GHD)提升了33.4%和47.2%。此外,H-CNTs、Ni-CNTs和GC都展现出在不同损伤程度下对钢纤维沥青混凝土抗断裂性能的增强效果。凭借优异的导电/导热性能,通过HS掺加H-CNTs、Ni-CNTs和GC将6 mm钢纤维沥青混凝土在低温断裂试验下基于Pmax得到的SHI提高了17.1%、16.0%和32.6%,Ni-CNTs对其25%和50%损伤状态下自愈合性能的提升效果最好。对于13 mm钢纤维沥青混凝土来说,自愈合性能因为CNTs和G的填充作用呈下降趋势。 （3）CNTs和G在一定程度上降低了钢纤维沥青混凝土的电阻率,从而提高了其在电磁感应热诱导下的产热能力;纳米材料对导热系数的提升则提高了其传热能力,通过HS掺加H-CNTs、Ni-CNTs、GC和GP对6 mm钢纤维沥青混凝土导热系数的提升效果分别为5.9%、8.5%、5.9%和3.2%。通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）分析发现纳米材料通过分散在沥青胶结料中、附着在钢纤维表面、以及分布在裂缝处,增强了钢纤维与沥青胶结料之间的粘结作用、更好的发挥了钢纤维的“桥梁”效应,提高了抗断裂性能,并减少了沥青混凝土的损伤面积。同时,NCC和碳纳米材料增强了沥青胶结料的高温流变性能;NCC将沥青胶结料的“光滑”形貌改变为“片状”,诱导沥青胶结料的流动发生连锁反应;此外,NCC和碳纳米材料降低了沥青胶结料的分子量和分子支链含量,改善了沥青分子的扩散速度。这些变化都在一定程度上提升了钢纤维沥青混凝土的自愈合性能。
