吴少鹏-自诊断沥青混凝土性能与应用研究

自诊断沥青混凝土性能与应用研究Researchonapplicationandpropertyofasphaltconcreteforselfdiagnose吴少鹏武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2012年12月6日道路材料组成与设计道路材料组成与设计沥青基防水材料沥青基防水材料建筑废弃物的再生利用建筑废弃物的再生利用导电沥青混凝土导电沥青混凝土沥青路面太阳能集热技术课题组简介汇报提纲1.研究背景及意义2.主要研究工作情况3.依托工程与试验段铺筑4.取得的技术成果一、研究背景及意义1.1沥青路面常见病害车辙车辙纵裂纵裂横裂横裂龟裂龟裂在损伤初期发现并提出解决方案，可以使路面的性能指数恢复到原有水平的90%～100%，从而使得路面寿命得到大幅度地延长。在损伤初期发现并提出解决方案，可以使路面的性能指数恢复到原有水平的90%～100%，从而使得路面寿命得到大幅度地延长。一、研究背景及意义1.2沥青路面的养护时机一、研究背景及意义1.3机敏混凝土结构自诊断沥青混凝土是在沥青混合料中掺入适当类型和适宜掺量的导电相材料，使沥青混凝土由绝缘材料转变为具有一定导电能力的复合材料。石墨炭黑碳纤维钢纤维冶金渣粉末导电相纤维导电相集料导电相一、研究背景及意义1.4结构自诊断技术导电沥青混凝土结构自诊断技术根据导电沥青混凝土的电阻变化情况，及早发现沥青路面结构的应变和损伤，从而加强公路沥青路面养护，以保持路面的完好畅通。structurepavementperformanceelectricalproperty15%degradation5%degradationThecorrelation?二、技术路线结构自诊断沥青混凝土机敏特性的研究室内试验力电响应分析施工工艺的研究路用性能电学性能水温冲击导电机制自诊断机制埋入式器件典型试件拌合工艺摊铺工艺碾压工艺三、导电沥青混凝土的制备石墨碳纤维导电钢渣石墨碳纤维导电钢渣优点电导率高、易于分散电导率高、长径比大可替代绝缘矿料缺点润滑性难于分散电导率低3.1导电相材料1.配料集料加热至180℃2.集料（矿料、钢渣）拌和90s添加纤维拌和90s3.添加沥青拌和90s添加填料（矿粉、石墨）拌和90s4.控制混合料温度140℃装模旋转压实成型拌锅升温至180℃沥青加热至160℃标定旋转压实仪试模加热至105℃三、导电沥青混凝土的制备3.2制备工艺三、导电沥青混凝土的制备3.3级配设计方法导电沥青混凝土的组成应具有良好的结构和足够的矿料间隙率，这样既可以满足填充传导相材料的要求，又能充分发挥集料的骨架结构。00.511.522.533.544.550102030405060时间/min车辙深度/mm0％12％18％22％22%+0.2%石墨掺量79808182838485012182222+0.2导热相材料掺量/%劈裂强度比/%4681012140510152025石墨掺量/%马歇尔稳定度/kN)7879808182838485残留稳定度/%)MSMS(+0.2%碳纤维)RSRS(+0.2%碳纤维)四、导电沥青混凝土路用性能010002000300040005000neat12%18%22%22%+0.2%导热相材料掺量/％动稳定度/次/mm随着石墨掺量的增加，沥青混合料的水稳定性下降，高温稳定性提高，碳纤维对混合料的性能有增强作用0100002000030000400005000002000400060008000荷载循环次数累计应变比（μm/m）0714212835累计应变比变化率稳定期破坏期迁移期200KPa150KPa对于常规沥青混凝土，低应力下具有较好的的抗高温永久变形能力抗高温变形能力：多相复合导电沥青混凝土石墨导电沥青混凝土常规沥青混凝土四、导电沥青混凝土路用性能05000100001500020000250003000002000400060008000荷载循环次数累计应变比（μm/m）常规沥青混凝土多相复合导电沥青混凝土石墨导电沥青混凝土0369121502000400060008000荷载循环次数累计应变比变化率常规沥青混凝土多相复合导电沥青混凝土石墨导电沥青混凝土常规沥青混凝土0.11101.E+011.E+031.E+051.E+071.E+09循环次数Nf应力/MPa0％22％22％+0.2％石墨掺量石墨的掺入能够提高沥青混凝土的疲劳寿命，掺入碳纤维有进一步改善效果多相复合导电沥青混凝土在重载交通环境作用下的抗疲劳破坏能力还有待提高1.0E+021.0E+031.0E+041.0E+050.1110荷载循环次数.常规沥青混凝土石墨导电沥青混凝土多相复合导电沥青混凝土LogNf=-2.095logσ+9.631R2=0.998LogNf=-3.230logσ+12.868R2=0.999LogNf=-5.388logσ+19.085R2=0.998应力（MPa）1.0E+021.0E+031.0E+041.0E+050.1110荷载循环次数.常规沥青混凝土石墨导电沥青混凝土多相复合导电沥青混凝土常规沥青混凝土石墨导电沥青混凝土石墨导电沥青混凝土多相复合导电沥青混凝土LogNf=-2.095logσ+9.631R2=0.998LogNf=-3.230logσ+12.868R2=0.999LogNf=-5.388logσ+19.085R2=0.998LogNf=-2.095logσ+9.631R2=0.998LogNf=-3.230logσ+12.868R2=0.999LogNf=-5.388logσ+19.085R2=0.998应力（MPa）nTfKN)(疲劳方程：四、导电沥青混凝土路用性能五、导电沥青混凝土抗水温冲击冻融循环三种不同的沥青混凝土试样：control；CAC118vol.%CAC218vol.%+2wt.‰3456789101105101520253035NumberofFreeze-thawCyclesAirVoidContent(%)ControlCAC-1CAC-2ControlCAC-1CAC-2空隙率随冻融次数的变化不同初始空隙率随冻融30次后的变化量00.511.522.533.54-4.55-5.56-6.57.5-8.0InitialairVoidsContent(%)AirVoidsContentincreaserate(%)ControlCAC-1CAC-2石墨在集料间起到润滑作用，使沥青混凝土内部连通空隙率降低，导电沥青混凝土试样的空隙率变化小于普通试样；大空隙试样由于水更容易进入试样内部，导致孔率的增幅越大，碳纤维降低水相变对混凝土的膨胀作用五、导电沥青混凝土抗水温冲击冻融对体积性能的影响——空隙率冻融对体积性能的影响——质量马歇尔质量损失率随冻融次数的增加，呈现先减少后增加的趋势石墨在沥青与集料的阻隔作用，导致集料与沥青胶浆的粘附性降低，水在冻融4次后迅速进入集料内部不同初始空隙率随冻融30次后的变化量初始空隙率6-6.5%的质量随冻融次数的变化-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8105101520253035NumberofFreeze-thawCyclesWeightLossratio(%)ControlCAC-1CAC-200.20.40.60.84-4.55-5.56-6.57.5-8.0InitialairVoidsContent(%)WeightLossrate(%)ControlCAC-1CAC-2五、导电沥青混凝土抗水温冲击冻融对力学性能的影响——不同沥青混凝土6%~6.5%的空隙率，三种试样的劈裂抗拉强度均不到1.0MPa，空隙率对劈裂强度和抗拉强度比影响较大空隙率为6%~6.5%时，导电沥青混凝土的抗拉强度小于普通沥青混凝土初始空隙率6-6.5%随冻融抗拉强度比不同冻融次数下初始空隙率6-6.5%的劈裂强度0.00.20.40.60.81.01.201357102030NumberofFreeze-thawCyclesIndirectTensileStrength(Mpa)ControlCAC-1CAC-2Initialairvoidcontent:6-6.5%0.20.40.60.81.01.205101520253035NumberofFreeze-thawCyclesIndirectTensileStrengthRatioControlCAC-1CAC-2Initialairvoidcontent:6-6.5%五、导电沥青混凝土抗水温冲击冻融对力学性能的影响——不同初始空隙率空隙率为5~5.5%与空隙率为6%~6.5%试件的劈裂强度相差较大（突变，6-6.5%作为评价水温冲击的空隙率）冻融3次可以作为考察其抗拉强度的次数（劈裂强度比大于80％）不同空隙率、冻融次数的TSR不同初始空隙率、冻融次数的劈裂强度0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.001357102030NumberofFreeze-thawCyclesIndirectTensileStrength(Mpa)4-4.55-5.56-6.57.5-8.0Initialairvoidcontent0.20.40.60.81.01.205101520253035NumberofFreeze-thawCyclesIndirectTensileStrengthRatioCAC-1(4-4.5)CAC-1(5-5.5)CAC-1(6-6.5)CAC-1(7.5-8.0)五、导电沥青混凝土抗水温冲击六、沥青混凝土电学性能的研究导电沥青混凝土电导率测定A试样顶端电极保护电极HILOHILO6517A电源6517A伏安表1vHSR其中：R为样品的体积电阻S为测试电极的有效面积H为样品的厚度导电沥青混凝土体积电导率6.1电学性能测试方法六、沥青混凝土电学性能的研究0246810121416051015202530Fillercontent(vol%ofasphaltbinder)VolumeResistivityinlog(Ω·m)-40-20020406080100120140160-12-10-8-6-4-20246VolumeResistivity(Ω·m)Basalt+GSteelslag+GSteelslag+CFBasalt+CFSteelslag+18%G+CFSteelslag+18%G+SF渗滤阀值:炭黑=12vol.%,石墨=10vol.%,碳纤维=5vol.%；钢渣+18vol.%石墨+3wt.‰碳纤维形成的多相复合导电体系的体积电阻率为10Ω·m。导电相材料对沥青混凝土体积电阻率的影响6.2导电机理(1/2)集料在沥青混凝土由沥青包裹，形成“孤岛”状分布，阻碍了导电网络的形成；石墨均匀地分散在沥青胶浆中形成导电链，钢渣在沥青混凝土中形成空间网络结构，碳纤维通过短接作用或连接导电链进一步改善了电学性能。CT钢渣玄武岩SEM六、沥青混凝土电学性能的研究6.2导电机理(2/2)试件：上层为碾压成型的多相复合导电沥青混凝土，下层为普通沥青混凝土电极：长宽高尺寸为300mm×20mm×50mm的“L”形铝板电极传感器：测量范围为-50℃~200℃，测量精度为±0.15℃的PT100铂电阻。六、沥青混凝土电学性能的研究6.3温度对电阻的影响(1/2)电阻随温度升高而升高、随温度降低而降低，并且升温降温，电阻的变化是不可逆的（电子在薄膜上的产生的额外通路）非线性电流-电压行为，电阻降低到一定程度后，电阻突然增大（相对其他面层的温度应力、热膨胀收缩积聚后结构的突变）5010015020025030035024293439Temperature(oC)Electricalresistance(Ω)ElectricheatingAircooling温度循环对电阻的影响电阻随温度的变化202224262830323436384005010015020025