季冻区聚酯纤维—高黏剂复合改性钢渣透水沥青混合料性能研究

作     者：朱兵 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘寒冰

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：透水沥青混合料 钢渣 聚酯纤维 高黏剂 路用性能 声发射 冻融耐久性 

摘      要：随着城市化的发展,城市道路大规模使用密级配沥青路面,阻断了雨水自然渗透过程,引发了城市洪涝、地下水位降低和地下水污染等问题。透水沥青混合料是一种可持续的路面材料,广泛应用于停车场和轻交通荷载路面。与密级沥青混合料相比,透水沥青混合料具有高空隙率(18-25%),能够减少地表雨水径流、补充地下水、吸收交通噪声和提高路面抗滑性。但是透水沥青混合料强度低、抗裂性差和耐久性差,限制了在季冻区的广泛应用。因此,如何在不显著降低混合料渗透性的前提下显著提高力学性能、改善低温抗裂性和冻融耐久性,成为该领域当前的研究热点之一。钢渣是钢铁产业的废弃物,传统钢渣的处理是倾倒填埋场,占用了土地资源,污染了环境。与天然骨料相比,钢渣具有优越的物理性能,如高比重、表面粗糙、立方体结构,高耐磨性和抗破碎性,可以显著地提高沥青混合料的力学性能。此外,钢渣的回收可以保护环境、节约天然资源和促进可持续性发展。纤维是沥青混合料常用的改性剂,比如:玄武岩纤维、木质素纤维和玻璃纤维等等。与其他纤维相比,聚酯纤维具有抗拉强度大和比表面积大等特点,兼顾了力学性能和沥青吸附能力,可以显著改善混合料的低温抗裂性和抗析漏性。高黏剂能够提高沥青结合料的粘度,提高沥青和骨料的粘附性,显著改善混合料的抗飞散性。本文依托吉林省科技发展计划项目“严寒地区生态绿色透水路面材料研究与应用,确定了钢渣在透水沥青混合料中最佳替代率,基于声发射技术研究了钢渣透水沥青混合料的低温断裂行为,基于响应曲面法对聚酯纤维-高黏剂钢渣透水沥青混合料进行了配合比优化,并研究了冻融耐久性。本文旨在开发一种兼顾渗透性、强度、抗裂性和耐久性的透水沥青混合料,以适应季冻区严格的环境要求。本文的主要研究内容如下:(1)采用钢渣粗集料等体积替代玄武岩粗集料,替代率设置为0%、25%、50%、75%和100%,进行了体积特性、高温性能、低温性能、水稳定性和膨胀性试验,进行了经济性评估,基于熵权法得出了钢渣最佳替代率。结果表明,钢渣加入后,渗透性略微提高,高温稳定性和低温抗裂性显著改善,水稳定性得到提高,膨胀性略微增加,钢渣的最佳替代率为100%。(2)为了研究钢渣透水沥青混合料的低温断裂行为,采用慢速的低温劈裂试验获得稳定的裂缝扩展,并结合声发射仪实时监测以获得声发射信号。研究了累积声发射能量和断裂能之间的关系,基于累计RA和AF划分破坏阶段,采用最小离散度的方法确定了边界直线的斜率并划分了断裂模式,最后研究了b值与荷载水平的变化关系,并给出了钢渣组和玄武岩组临界破坏时b值的变化情况。(3)为了降低钢渣透水沥青混合料的飞散值和析漏值,采用聚酯纤维和高黏剂进行复合改性。以油石比、高黏剂掺量和聚酯纤维掺量为因素,以空隙率、马歇尔稳定度、飞散值和析漏值作为响应指标,建立了响应指标与因素之间的响应曲面模型,分析了各因素、交互作用和二次项对指标的影响,采用目标值优化法确定了最佳配合比。(4)基于最优配合比设计,以玄武岩组作为对照组,以钢渣组、聚酯纤维钢渣组、高黏剂钢渣组和聚酯纤维-高黏剂钢渣组作为试验组,对混合料进行了20次冻融循环处理,进行了低温劈裂、飞散和蠕变试验,研究了冻融循环作用对不同混合料低温抗裂性、抗飞散性和粘弹性的影响,采用Logistic模型对飞散曲线进行拟合来实现损伤量化分析,采用Burgers模型对蠕变曲线进行拟合来实现粘弹性量化分析。