CN114263133A

CN114263133A - 一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带及制备方法

Info

Publication number: CN114263133A
Application number: CN202111662767.7A
Authority: CN
Inventors: 李坛; 肖建庄
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114263133B

Abstract

本发明涉及一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带及其制备方法，制备方法包括：首先将纳米二氧化硅与聚乙二醇溶液混合，得到非牛顿体材料；再与增强纤维、烧结渣土混合，得到增强非牛顿体内容物；最后加入至弹性壳体内，即得到非牛顿体材料路面减速带。与现有技术相比，本发明中的非牛顿体路面减速带由橡胶外壳及内部填充的纤维剪切增稠液体复合材料构成，利用剪切增稠液在冲击荷载下的增稠的效应，在汽车驶过减速带时，保证必要的减速并保持汽车在行驶中的舒适度，有望在道路工程中得到广泛应用。

Description

一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带及制备方法

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，涉及一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带及制备方法。

背景技术

减速带是一种设置在人口密集的路口、小区、学校等区域的、用于让车辆减速慢行以防止发生交通事故的装置。减速带有减速丘和减速台两种。减速丘是和街道相同宽度的一个凸起区域，减速丘可以有效降低车辆速度，但是车辆驶过时会产生噪声，板块长期使用也会造成脱落，增加道路的维修费用。减速台是减速丘的一种拉长形式，表面为一个平台，相对于减速丘车辆的减速相对缓和，但是由于占地面积较大，影响了道路的美观。

非牛顿体材料不满足牛顿粘性实验定律，其剪切应力与剪切应变率之间不是线性关系。非牛顿提的粘度会因为受到的压力或速度而变化，压力越大、速度越快，粘度越大，甚至可以成为暂时性的固体。针对减速带中减速丘对车辆的减速过于迅速，造成噪音以及对车辆以及减速带本身造成影响，而减速台面积过大的问题，需要一种对车辆按照其速度实行差异化的减速以降低行驶中的噪音和振动的方法。非牛顿体对应变率敏感性的特征可用于对车辆的差异化减速，但是非牛顿体的强度较低，因此需要结合其它材料才能配置出达到减速带要求的复合材料。

随着城市化进程的发展，大量的工程修建，产生的渣土处理成为一个日益关注的问题。建筑固废可以通过破碎制成再生骨料取代天然骨料制作再生混凝土用到道路和结构中。建筑渣土的处置相对困难，通过煅烧可以实现烧结提升其强度，但是前期还要通过压制使其能粘接为一体，否则烧出的材料为较为松散的颗粒。这些颗粒如果进行磨碎填充到非牛顿体中可以作为骨架提供额外的强度和弹性。

针对以上道路中对减振带振动特性的需求、减振带对环境影响以及绿色环保方面的要求，需要设计一种新型的减振带，在对车辆进行减速的同时提供较好的舒适度和环境影响并具有环保的特点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，包括以下步骤：

1)将纳米二氧化硅与聚乙二醇溶液混合，得到非牛顿体材料；

2)将非牛顿体材料与增强纤维、烧结渣土混合，得到增强非牛顿体内容物；

3)将增强非牛顿体内容物加入至弹性壳体内，即得到非牛顿体材料路面减速带。

进一步地，步骤1)中，所述的纳米二氧化硅的粒径为10000-15000目，所述的纳米二氧化硅与聚乙二醇溶液的质量比为(1-2):5。

进一步地，步骤1)中，所述的聚乙二醇溶液中，聚乙二醇为分子量为200的PEG 200或分子量为400的PEG 400，质量浓度不低于90％。

进一步地，步骤1)中，所述的纳米二氧化硅与聚乙二醇溶液的混合过程包括：将纳米二氧化硅与聚乙二醇溶液组成混合溶液，进行超声分散；

超声功率为100-300W，超声频率为20-50kHz。

进一步地，步骤2)中，所述的增强纤维为聚丙烯纤维，长度1.5-3mm。

进一步地，步骤2)中，所述的烧结渣土的制备方法包括：将含水率10-15wt％、石英含量不低于6％的渣土，置于850-1050℃下烧结0.5–1.5h，粉碎筛分后，得到粒径为0.5-1mm的烧结渣土。

进一步地，所述的烧结渣土、增强纤维、非牛顿体材料的质量比为1:(0.03～0.09):(0.2～0.4)。

进一步地，步骤2)中，所述的非牛顿体材料与增强纤维、烧结渣土的混合过程包括：向非牛顿体材料中加入增强纤维后，再加入分散剂聚丙烯酰胺并搅拌2min，之后再加入烧结渣土；

其中，所述的聚丙烯酰胺的加入量为非牛顿体材料与增强纤维总质量的0.1-0.5％。

进一步地，步骤3)中，所述的弹性壳体为CR122型氯丁橡胶壳体，厚度为3-6mm。

一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带，采用如上所述的方法制备而成。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明中的非牛顿体路面减速带由橡胶外壳及内部填充的纤维剪切增稠液体复合材料构成，利用剪切增稠液在冲击荷载下的增稠的效应，在汽车驶过减速带时，保证必要的减速并保持汽车在行驶中的舒适度，有望在道路工程中得到广泛应用；

2)本发明采用渣土煅烧并磨碎获得无机颗粒作为填充料加入以纳米二氧化硅为添加剂的非牛顿体材料中，以提升其抗压强度，同时加入纤维作提升其抗拉强度，其中所采用的填充料由建筑拆除的废弃渣土制作获得，可以消纳建筑废弃物、降低建筑废弃物对环境的污染，具有较高的经济及环境效益。

附图说明

图1为实施例中一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的结构示意图；

图2为实施例中汽车-20级车辆荷载仿真分析模型示意图；

图3为车辆20km/h速度时的竖向位移模拟结果图；

图4为车辆15km/h速度时的竖向位移模拟结果图；

图5为车辆10km/h速度时的竖向位移模拟结果图；

图中标记说明：

1-弹性壳体、2-增强非牛顿体内容物；3-固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带，其制备方法包括以下步骤：

1)将粒径为10000-15000目的纳米二氧化硅与聚乙二醇溶液，以质量比(1-2):5混合，并超声分散得到非牛顿体材料；

其中，聚乙二醇溶液中，聚乙二醇为分子量为200的PEG 200或分子量为400的PEG400，质量浓度不低于90％；超声分散过程中，超声功率为100-300W，超声频率为20-50kHz；

2)将含水率10-15wt％、石英含量不低于6％的渣土，置于850-1050℃下烧结0.5–1.5h，粉碎筛分后，得到粒径为0.5-1mm的烧结渣土；

3)将非牛顿体材料与增强纤维、烧结渣土混合，得到增强非牛顿体内容物；

其中，增强纤维为聚丙烯纤维，长度1.5-3mm；并且优选地，该聚丙烯纤维的抗拉强度不低于800MPa，断裂伸长率不低于20％；

烧结渣土、增强纤维、非牛顿体材料的质量比为1:(0.03～0.09):(0.2～0.4)；混合过程包括：向非牛顿体材料中加入增强纤维后，再加入分散剂聚丙烯酰胺并搅拌2min，之后再加入烧结渣土；聚丙烯酰胺的加入量为非牛顿体材料与增强纤维总质量的0.1-0.5％。

4)将增强非牛顿体内容物加入至弹性壳体内，即得到非牛顿体材料路面减速带；

其中，弹性壳体为CR122型氯丁橡胶壳体，壁厚为3-6mm。

本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带，由弹性壳体1、设于弹性壳体1内的增强非牛顿体内容物2，以及贯穿弹性壳体1与增强非牛顿体内容物的固定螺栓3组成。其中弹性壳体1由弧形顶面以及底面构成，所用材料为CR122型氯丁橡胶，减速带宽度为50cm，高度10cm，减速带的顶面弧形半径为36.3cm，氯丁橡胶壳体厚度为4mm。

增强非牛顿体内容物2所用材料，采用以下方法制备得到：

1)将10000-15000目纳米二氧化硅与95wt％PEG 200溶液(平均分子量200)混合，并置于超声波分散机中进行超声分散，超声60min，功率为200W，超声频率为40kHz，得到非牛顿体材料；其中纳米二氧化硅用量为PEG 200溶液用量的35wt％；

2)将建筑拆迁产生的工程渣土置于900℃下烧结1h，再粉碎，得到粒径为0.5-1mm的烧结渣土；其中工程渣土的主要成分为SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃和CaO，分别占63％、20％、6％和2％，含水率为10％；

3)向搅拌机中加入非牛顿体材料与增强纤维后，再加入分散剂聚丙烯酰胺，采用60转/min转速搅拌2min，之后加入烧结渣土，并采用30转/min转速搅拌2min混合均匀，即得到增强非牛顿体内容物；其中聚丙烯纤维长度为1.5mm，抗拉强度为1030MPa，拉伸极限为32％；烧结渣土、聚丙烯纤维、非牛顿体材料的质量比为1:0.06:0.3；聚丙烯酰胺的加入量为非牛顿体材料与增强纤维总质量的0.2％

对照例：

减速带材料全部为CR122型氯丁橡胶。其余同实施例1。

1.仿真方法：

按照《公路桥涵通用设计规范》(JTG D60-2004)，采用汽车-20级车辆荷载进行仿真，以体现本实施例与对照例在减速效果及颠簸状态的影响。采用ABAQUS软件建立平面模型，如图2所示。采用刚体模型车架，并用弹性和车轮连接，在车辆的车轮处施加荷载推动车辆前进。具体地，车辆总重力取200kN，前轴重力取70kN，后轴重力取130kN，轴距取4.0m，轮胎直径为60cm。车架采用刚性体，轮胎材料为橡胶，认为不可压缩泊松比取0.49。车架和车轮之间采用弹簧连接。分别以20km/h、15km/h和10km/h驶过减速带。仿真的参数取值，实施例减速带密度1900kg/m³，对照例减速带密度1600kg/m³，轮胎密度1180kg/m³，弹性模量8MPa，泊松比0.49，轮胎和地面之间的摩擦系数0.8。实施例的减速带在不同冲击速率下具有不同的弹性模量，可以用采用脉冲激振法(IET)测得，在20km/h、15km/h和10km/h时，分别为2GPa、20MPa和200MPa，对照例的减速带弹性模量为2GPa。

2.仿真结果

分别对车辆的位移及应力进行分析。对于本实施例所制备的非牛顿体材料路面减速带，仿真获得的车辆竖向位移如图3-5所示。

如图3所示为车辆以20km/h驶向减速带的情况。此时本实施例和常规减速带有相同的刚度。非牛顿液体固化，与包裹的烧结渣土及纤维形成具刚度较大的固体。并从图3可以看出此时车轮驶过减速带的时候振动较为激烈，车轮离开减速带后还有较大的波动。

如图4所示为车辆以15km/h驶向减速带的情况。此时本实施例的牛顿体刚度开始下降，和烧结渣土及纤维混合材料的弹性模量降低。从图4可以看出，此时实施例的汽车振动能很快的稳定下来，而常规减速带的汽车振动衰减更缓慢。

如图5所示为车辆以10km/h驶向减速带的情况。此时本实施例中非牛顿体材料牛顿体刚度已较低，刚度主要由和烧结渣土提供弹性模量。在碰撞到减速带时，本实施例相对于常规减速带的竖向峰值更小，且回落的更缓慢，即减小了撞击时间的颠簸。

综上所述，本实施例中的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带不仅能有效减少地面振动对车辆的影响，而且能利用再生材料，同时还具有生产成本低、受力性能好、绿色环保、环境友好等优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的纳米二氧化硅的粒径为10000-15000目，所述的纳米二氧化硅与聚乙二醇溶液的质量比为(1-2):5。

3.根据权利要求1所述的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的聚乙二醇溶液中，聚乙二醇为分子量为200的PEG 200或分子量为400的PEG 400，质量浓度不低于90％。

4.根据权利要求1所述的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的纳米二氧化硅与聚乙二醇溶液的混合过程包括：将纳米二氧化硅与聚乙二醇溶液组成混合溶液，进行超声分散；

超声功率为100-300W，超声频率为20-50kHz。

5.根据权利要求1所述的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的增强纤维为聚丙烯纤维，长度1.5-3mm。

6.根据权利要求1所述的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的烧结渣土的制备方法包括：将含水率10-15wt％、石英含量不低于6％的渣土，置于850-1050℃下烧结24-32h，粉碎筛分后，得到粒径为0.5-1mm的烧结渣土。

7.根据权利要求6所述的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，其特征在于，所述的烧结渣土、增强纤维、非牛顿体材料的质量比为1:(0.03～0.09):(0.2～0.4)。

8.根据权利要求1所述的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的非牛顿体材料与增强纤维、烧结渣土的混合过程包括：向非牛顿体材料中加入增强纤维后，再加入分散剂聚丙烯酰胺并搅拌2min，之后再加入烧结渣土；

9.根据权利要求1所述的一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述的弹性壳体为CR122型氯丁橡胶壳体，厚度为3-6mm。

10.一种采用烧结渣土的非牛顿体材料路面减速带，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的方法制备而成。