CN111710371A - 一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法 - Google Patents
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Abstract
一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法，它涉及一种导电沥青混凝土组分含量方法，本发明要解决针对传统马歇尔设计方法和Superpave设计方法，在导电沥青混凝土中的应用缺陷的问题。本发明通过优化设计使得导电沥青混合土满足融冰化雪的条件，同时也可以提高其工作效率和经济效益。本设计中涉及到了CT扫描、有限元分析以及数据拟合，为以后导电沥青混合料的性能分析方法的研究奠定了基础。本发明应用于沥青混凝土领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电沥青混凝土组分的设计方法。
背景技术
导电沥青混凝土在融冰化雪和自修复方面的应用一直得到广泛关注。目前此类混合料的设计仍沿用了传统的马歇尔设计方法或者Superpave设计方法，但由于导电介质的添加使得混凝土的整体结构发生改变，导电介质对于沥青具有一定的吸附作用，传统方法并不能满足使用要求，故而需要新的设计方法。导电沥青混凝土的研究从上世纪八十年代一直持续至今，导电混凝土相比普通混凝土而言关键在于添加导电介质，这种导电介质多为石墨、碳纤维、炭黑等。利用导电性能产生焦耳热，可以融冰化雪的同时也可以修复沥青中的微小裂纹。但外添加物质会影响混凝土的结构性和工作效率，也影响道路使用的经济效益。因此，如何解决外添加物质在沥青混凝土中的配比，采用何种方式确认最佳的配比是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明为了解决针对传统马歇尔设计方法和Superpave设计方法，在导电沥青混凝土中的应用缺陷的问题，尤其是，由于导电介质的添加使得混凝土的整体结构发生改变，导电介质对于沥青具有一定的吸附作用，传统方法并不能满足使用要求，不能设计出符合导电沥青混凝土性能的级配曲线以及沥青用量的方法的问题。
本发明利用CT扫描技术和传统设计方法相结合，使用有限元模拟和数值模拟分析得到导电沥青混凝土的级配设计、最佳沥青用量以及最佳导电介质用量，以混凝土的空间结构和导电性能为出发点，设计出符合冬季路面融冰化雪要求，具有较高经济性的碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土。
本发明的一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法，它包括以下步骤：
一、根据沥青混凝土SMA-13和AC-13级配类型配制混凝土，并制成两种不同的车辙板试件；将所制成的车辙板试件分别切割为250mm×30mm×35mm的小梁；
二、使用工业CT对上述两种小梁试件进行扫描，得到两种小梁延长度方向的断面图像，分别导入有限元分析软件；
三、根据有限元分析软件得到的两种不同小梁试件电流密度图，确定级配类型为AC类；
四、测试步骤一配制的两种不同沥青混凝土体积指标及电阻率，根据电阻率以及马歇尔试件的空隙率确定沥青的使用量；其中，
沥青混凝土电阻率是运用响应曲面法的中星点设计，进行数值拟合得到电阻率的回归方程：
y＝140.331-1083.21X1-7.29333X2+2067X1 2+0.257778X2 2+22.3X1X2；其中，y为导电混凝土的电阻率；X1为碳纤维的掺量；X2为石墨烯的掺量；
通过得到电阻率的回归方程得出对应的碳纤维掺量和石墨烯掺量，即确定所述的碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量。
本发明包含以下有益效果：
本发明要解决的是应用于冬季路面主动除冰雪同时具有一定沥青修复能力的导电沥青混凝土的设计方法，提供一种确定导电混凝土级配以及沥青油量的优化设计，以完善沥青导电混凝土整体的工艺流程。
本发明中所设计的导电沥青混凝土可应用于主动除冰化雪路面，由于导电介质的添加会使得混凝土整体结构发生改变，故而需重新设计混凝土级配以及沥青用量；在直接测试混凝土导电性能过程中，接触电阻的存在影响了电阻测量的准确性，因此采用电阻测量装置(如图1所示)，以增强电极与试件表面的接触。
综上所述，本发明设计明确了导电沥青混凝土的导电行为，同时通过了解混凝土的结构设计了符合其性能的级配曲线以及沥青用量，为导电沥青混凝土的实际应用研究奠定了基础。
附图说明
图1为本发明沥青混凝土电阻率测量装置；
图2为导电沥青混凝土中的电势变化及电流流线分布图；
图3为AC-13级配曲线图；其中，A为上限曲线，B为AC-13曲线，C为下限曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法，它包括以下步骤：
一、根据沥青混凝土SMA-13和AC-13级配类型配制混凝土，并制成两种不同的车辙板试件；将所制成的车辙板试件分别切割为250mm×30mm×35mm的小梁；
二、使用工业CT对上述两种小梁试件进行扫描，得到两种小梁延长度方向的断面图像，将图像处理后分别导入有限元分析软件；
三、根据有限元分析软件得到的两种不同小梁试件电流密度图，确定级配类型为AC类；
四、测试步骤一配制的两种不同沥青混凝土体积指标及电阻率，根据电阻率以及马歇尔试件的空隙率确定沥青的使用量；其中，
沥青混凝土电阻率是运用响应曲面法的中星点设计，进行数值拟合得到电阻率的回归方程：
y＝140.331-1083.21X1-7.29333X2+2067X1 2+0.257778X2 2+22.3X1X2；其中，y为导电混凝土的电阻率；X1为碳纤维的掺量；X2为石墨烯的掺量；
通过得到电阻率的回归方程得出对应的碳纤维掺量和石墨烯掺量，即确定所述的碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：回归方程是通过如下方法得到的：
首先，以石墨烯和碳纤维的掺量建立一个两因素三水平的正交表；
其次，以上述正交表计算得到响应面法试验；以碳纤维掺量与石墨烯掺量作为两因素，得到正交表，对正交表进行方差分析，得到方差分析情况表；
最终，分析响应曲面设计试验结果，材料的电阻率与导电介质用量以一个二次多项式表示，得到所述的电阻率回归方程。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述的对正交表进行方差分析具体为：对正交表进行方差分析，得到方差情况分析表，从方差表中得出碳纤维掺量、石墨烯掺量、碳纤维掺量的平方以及碳纤维掺量与石墨烯掺量的交互作用对应的概率值，得到显著性、最后的回归方程与结果，然后得到方差分析情况表。
其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：电阻率测试方法为二电极法，在测试中电极和试件表面涂覆一层石墨粉，并在电极上施加压力。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：通过沥青混凝土电阻率测量装置在电极上施加压力。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四种测试步骤一配制的两种不同沥青混凝土体积指标及电阻率，是通过改变沥青用量得的，其中沥青用量改变范围以重量计为4.8％-6.0％。其它与具体实施方式一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的一种碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土的优化设计方法，具体过程如下：
一、根据AC-13级配类型设计混凝土，将所制成的车辙板试件切割为250mm×30mm×35mm的小梁，试件中沥青用量为4.8％，其级配曲线如图3所示；
二、使用工业CT对小梁试件进行扫描，得到小梁延长度方向的断面图像，将图像处理过后导入有限元分析软件；
三、经过模拟运算后，得到试件的低电流密度；
四、导电介质添加量为0.2％碳纤维(占沥青混凝土质量分数)、1.5％石墨烯(占沥青质量分数)。所使用的电阻测试方法为二电极法，在电极和试件表面涂覆一层石墨粉，同时使用设计装置，通过加压旋钮在电极上施加一定压力，以增强电极和试件的表面接触，测试装置如图1中所示，其电阻率结果为2.5Ω·m。
方案2：
将级配类型改为SMA-13，其他步骤不变与实施例1相同，与方案一对比试件电流密度变化，其结果如图2中所示，AC-13的电流密度较大，粗集料处于悬浮状态，阻隔并不明显。
方案3：
将步骤一中沥青用量变为5.1％，其他步骤不变与实施例1相同，可看到沥青混凝土的体积指标和电阻率变化如表1所示，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)，夏热区及夏凉区高速公路、一级公路重载交通马歇尔试件设计空隙率为3％～5％，可看出孔隙率较大。
表1沥青混凝土的体积指标和电阻率变化数据
方案4：
将步骤四中纤维掺量为0.1％，石墨烯掺量为2％，其他步骤不变与实施例1相同。其电阻率结果为43.36Ω·m，与方案一中结果相比数值较大。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法，其特征在于它包括以下步骤：
一、根据沥青混凝土SMA-13和AC-13级配类型配制混凝土，并制成两种不同的车辙板试件；将所制成的车辙板试件分别切割为250mm×30mm×35mm的小梁；
二、使用工业CT对上述两种小梁试件进行扫描，得到两种小梁延长度方向的断面图像，分别导入有限元分析软件；
三、根据有限元分析软件得到的两种不同小梁试件电流密度图，确定级配类型为AC类；
四、测试步骤一配制的两种不同沥青混凝土体积指标及电阻率，根据电阻率以及马歇尔试件的空隙率确定沥青的使用量；其中，
沥青混凝土电阻率是运用响应曲面法的中星点设计，进行数值拟合得到电阻率的回归方程：
y＝140.331-1083.21X1-7.29333X2+2067X1 2+0.257778X2 2+22.3X1X2；其中，y为导电混凝土的电阻率；X1为碳纤维的掺量；X2为石墨烯的掺量；
通过得到电阻率的回归方程得出对应的碳纤维掺量和石墨烯掺量，即确定所述的碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量。
2.根据权利要求1所述的一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法，其特征在于回归方程是通过如下方法得到的：
首先，以石墨烯和碳纤维的掺量建立一个两因素三水平的正交表；
其次，以上述正交表计算得到响应面法试验；以碳纤维掺量与石墨烯掺量作为两因素，得到正交表，对正交表进行方差分析，得到方差分析情况表；
最终，分析响应曲面设计试验结果，材料的电阻率与导电介质用量以一个二次多项式表示，得到所述的电阻率回归方程。
3.根据权利要求2所述的一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法，其特征在于所述的对正交表进行方差分析具体为：对正交表进行方差分析，得到方差情况分析表，从方差表中得出碳纤维掺量、石墨烯掺量、碳纤维掺量的平方以及碳纤维掺量与石墨烯掺量的交互作用对应的概率值，得到显著性、最后的回归方程与结果，然后得到方差分析情况表。
4.根据权利要求1所述的一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法，其特征在于电阻率测试方法为二电极法，在测试中电极和试件表面涂覆一层石墨粉，并在电极上施加压力。
5.根据权利要求4所述的一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法，其特征在于通过沥青混凝土电阻率测量装置在电极上施加压力。
6.根据权利要求1所述的一种确定碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土组分含量方法，其特征在于步骤四种测试步骤一配制的两种不同沥青混凝土体积指标及电阻率，是通过改变沥青用量得的，其中沥青用量改变范围以重量计为4.8％-6.0％。
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Application publication date: 20200925 |
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