高弹性沥青范文

高弹性沥青范文（精选8篇）

高弹性沥青 第1篇

1 原材料配合比

掺橡胶颗粒高弹性沥青混凝土是将矿料、 沥青、 矿粉以及适量的橡胶颗粒等按照一定的级配在特定拌合成型工艺下设计而成, 该混合料具有良好的除冰性能和环保性能, 是解决高速公路冬季道路冰冻的一种新型功能性路面。 在保证橡胶颗粒沥青混合料组成设计合理的基础上, 施工质量的控制重点在混合料的拌合、 摊铺、 碾压等过程。 通过试铺, 橡胶颗粒沥青混合料设计厚度为4cm, 橡胶颗粒的掺量为3.0%, 以6.0%作为设计的基准沥青混合料的最佳油石比。 采用的混合料级配如表1 所示。

2 拌合、 运输工艺

在混合料拌和过程中, 橡胶颗粒容易结块、 粘结, 为了保证沥青与橡胶颗粒能够反应充分, 提高粘结力, 拌合后匀质性好, 没有花白料、 结团成块和严重的粗细料分离现象。 根据试验室试验结果, 相应提高了沥青和矿料的加热温度。 通过试拌, 确定拌和参数如表2 所示。 拌和前, 预先称好橡胶颗粒, 放在低熔点的塑料袋中, 然后通过预先加工好的投料口进行人工投放。 经过多次试拌后, 为保证橡胶颗粒能够均匀分散, 延长了干拌时间5s。 也可以采用机械自动投放或利用传送带投放橡胶颗粒, 或者增加一个料仓直接进行称量投放。 根据橡胶颗粒加入方式的不同, 相应改变混合料的拌和时间, 干拌时间一般为25~30s, 总的拌和时间控制在75~80s, 这样可以保证拌和混合料的质量要求。

混合料的散热性能不佳, 降温速度变慢, 均是橡胶颗粒存在的原因。 相比普通沥青或改性沥青混合料, 橡胶颗粒沥青混合料的储存、 运输和摊铺过程中的稳定性要好。 橡胶颗粒在高温时接触石油馏出物时粘性会增加, 因此料车车斗进行防粘处理时, 不能用传统的柴油乳剂, 而改用肥皂水、 聚硅树脂或石灰水等代替。 本项目防粘剂采用肥皂水。

3 碾压工艺

掺橡胶颗粒的沥青混凝土路面弹性高, 内部空隙率增大, 碾压时比较困难。 同时在高温状态下, 掺橡胶颗粒使得沥青混合料加大了对汽车轮胎的粘附性, 碾压完成后, 橡胶颗粒具有一定程度的回弹。 因此, 选择合理高效的碾压工艺对保证路面性能具有重要意义。

碾压工艺的选择包括压实机械、 碾压遍数、 组合工艺等。 为了研究不同施工工艺条件下橡胶颗粒路面的成型效果, 采用了两种碾压工艺, 具体参见表3。

在碾压过程中, 试验表明, 对碾压工艺B, 在第一阶段采用轮胎压路机进行碾压时, 粘轮现象比较严重。 主要原因是掺橡胶颗粒沥青混合料的粘性较高, 而且运输到现场的混合料温度通常为170℃左右, 混合料摊铺温度依然保持较高。 掺橡胶颗粒沥青混合料的高粘性使得很容易被压路机带起, 并在路面上形成油斑。 而采用碾压工艺A的组合时, 橡胶颗粒沥青混合料的碾压效果较好, 路面平整, 没有明显的凹凸。 通过试铺路段碾压后效果路段的性能检测也证实工艺A的压实效果明显好于工艺B。 这一现象说明掺橡胶颗粒高弹性沥青混凝土路面不同于一般的路面, 采用碾压工艺对预期的路面质量影响较大, 这是因为采用工艺A, 第一阶段的双钢轮压路机进行振压, 起到稳定混合料骨架的作用, 保证了混合料的整体的平整, 第二阶段采用轮胎压路机进一步对混合料进行了压实, 有效抑制路面中橡胶颗粒的回弹现象, 保证了路面的施工质量。

通过对掺橡胶颗粒高弹性沥青混凝土在拌合、 运输、 碾压方面的研究, 橡胶颗粒沥青混合料在本项目施工过程中, 我们提出了以下质量控制要点: 1) 适当提高沥青、 矿料的加热温度, 建议5~10℃, 混合料的出料温度宜175~180℃; 2) 橡胶颗粒的投放方式可以采用人工投放或者机器投放两种方式, 但投放后与石料的混合料拌合时间应延长5s, 保证石料干拌时间为25~30s, 保证总拌合时间不低于75s; 3) 为防止橡胶颗粒沥青混合料粘附在车厢上, 应用石灰水、 肥皂水替代柴油等乳剂预先进行刷涂; 4) 碾压过程采用两阶段碾压工艺: 双钢轮压路机静压→钢轮压路机振压 ( 第一阶段) ; 轮胎压路机振压→双钢轮压路机静压 ( 第二阶段) 。

4 小结

通过对施工质量工艺参数的控制, 实现掺橡胶颗粒高弹性沥青混凝土施工量的控制, 促进该技术工艺的推广应用术, 实现该路面良好的路用性能, 发挥良好的社会经济效能。

参考文献

[1]周纯秀.冰雪地区橡胶颗粒沥青混合料应用技术的研究[D].博士学位论文.哈尔滨工业大学, 2006.

[2]厉永举, 高一平, 田保侠.日本札幌市道路抗冻结路面铺设方法[J].内蒙古公路与运输, 2001.

[3]王联果, 张建华, 刘洋.冰雪路面冻滑抑制的技术对策[J].公路交通技术, 2008.

高弹性沥青 第2篇

基于粘弹性损伤模型的沥青混合料高温性能评价指标研究

在常用的各种力学模型中,修正Burgers模型是目前公认相对准确而又简单的`模型,然而该模型只对静态荷载下混合料蠕变特性适用,且不能将延迟粘弹性变形与粘性流动变形区分出来,以此进行车辙预估必然导致预估车辙偏大.将修正Burgers模型看成是由三单元范德普(Van Der Pod)模型与修正的外置粘壶组成,就能将永久应变与弹性应变区分开来,更加合理.考虑耦合损伤的修正Burgers模型能反映混合料高温变形的三阶段,且当卸载时间为加载时间的10倍左右时,残余粘弹性变形占不到10%,可以略去不计.推导间歇加载半正矢波下混合料的本构模型,用origin7.5软件进行拟合,相关度0.99以上.最后提出基于耦合损伤力学模型的混合料高温性能评价新指标蠕变度和平均车辙深度.

作 者：向晋源 朱湘 XIANG Jin-yuan ZHU Xiang 作者单位：东南大学,交通学院,江苏,南京,210096刊 名：黑龙江工程学院学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF HEILONGJIANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY年，卷(期)：23(2)分类号：U414关键词：修正 Burgers模型 耦合损伤 半正矢波 拟合 蠕变度 平均车辙深度

浅谈弹性体改性沥青防水卷材 第3篇

关键词：SBS防水卷材,力学性能,应用与施工

0前言

防水卷材是一种可卷曲的片状防水材料, 是建筑工程防水材料的重要品种之一。防水卷材要求有良好的耐水性, 对温度变化的稳定性 (高温下不流淌、不起泡、不淆动;低温下不脆裂) , 一定的机械强度、延伸性和抗断裂性, 要有一定的柔韧性和抗老化性等。

SBS改性沥青防水卷材, 这种卷材具有很好的耐高温性能, 可以在-25~+100℃度的温度范围内使用, 有较高的弹性和耐疲劳性, 以及高达1 500%的伸长率和较强的耐穿刺能力、耐撕裂能力。适合于寒冷地区, 以及变形和振动较大的工业与民用建筑的防水工程。

1 弹性体改性沥青防水卷材的特点

1.1 弹性体改性沥青防水卷材的材料构成

弹性体改性沥青防水卷材是由涂盖层、胎体、复面材料及隔离层, 经过选材、配料、共混、浸渍、深盖、复合等工序制造而成的新型防水材料。其中涂盖层是SBS橡胶改性沥青, 胎体由玻璃纤维布、黄麻布和聚酯无纺布组成, 复面材料及隔离层包含了页岩、矿物砂、PE膜等。

1.2 弹性体改性沥青防水卷材的分类和规格

1) 分类。按胎基分为聚酯毡 (PY) 、玻纤毡 (G) 、玻纤增强聚酯毡 (PYG) ;按上表面隔离材料分为聚乙烯膜 (PE) 、细沙 (S) 、矿物粒料 (M) ;下表面隔离材料为细砂 (S) 、聚乙烯膜 (PE) ;按材料性能分为Ⅰ型和Ⅱ型。

2) 规格。卷材公称宽度为1 000 mm;聚酯毡卷材公称厚度为3 mm, 4 mm, 5 mm;玻纤毡卷材公称厚度为3 mm, 4 mm;玻纤增强聚酯毡公称厚度为5 mm;每卷卷材面积为7.5 m2, 10 m2, 15 m2。

3) 弹性体改性沥青防水卷材的相关标准。

产品执行标准:GB18242-2008《弹性体改性沥青防水卷材》。设计及施工规范:GB50108-2008《地下工程防水技术规范》、GB50208-2011《地下防水工程质量验收规范》、GB50345-2012《屋面工程技术规范》、GB50207-2012《屋面工程质量验收规范》、GB50300-2001《建筑工程施工质量验收统一标准》。

4) 弹性体改性沥青防水卷材的优缺点。弹性体改性沥青防水卷材, 具有很好的耐高温性, 可在-25~100℃的温度范围内使用, 在-25℃下不开裂;耐热性高, 100℃不流淌, 具有高弹性和耐疲劳性, 还具有较强的耐穿刺能力、高达1 500%的伸长率和耐撕裂能力, 低温延伸性好, 柔性好, 施工简便, 使用寿命长, 污染小等性能特点。适用于低温寒冷地带, 以及变形和振动幅度较大的工业和民用建筑和结构变形频繁的建筑防水工程。

2 弹性体改性沥青防水卷材的力学性能

1) 实验条件。送至试验室的试样在试验前, 应原封置于干燥处并保持在15~30℃范围内一定时间, 试验室温度应每日记录。

2) 试样。

(1) 将取样的一卷卷材切除距外层卷头2 500 mm后, 顺纵向截取长度为1 000 mm的全幅卷材两块, 一块做力学性能试验试件, 另一块备用。

(2) 按图1所示的部位分别切取30050 (mm) 的横向和纵向各5个试件。

(3) 试件标距为180 mm, 两头的夹距为60 mm。

3) 试验结果评定和处理见表1, 执行标准见表2~3。纵向试件抗拉强度与断裂伸长率率关系如图2所示。

3 弹性体改性沥青防水卷材在国内外的发展

弹性体改性沥青防水卷材于20世纪70年代初首先在美国以商品的形式出现, 而法国几乎在同一时间研制出SBS改性沥青, 并将其命名为弹性体沥青。因为SBS改性剂拥有很多良好的性能, 使其在欧洲的一些国家得以很快的传播, 甚至流传到日本和美国。SBS弹性沥青的开发被欧洲当做是油毡史上的第一次飞跃, 在随后的不久, 长丝聚酯无纺布的胎基被开发出来, 这被视为油毡史上的第二次飞跃。而两者的结合, 让原本拥有众多优点的SBS改性沥青防水卷材拥有更加完善的性能, 成为高档防水材料中不可或缺的一员, 应用于所有防水领域。

20世纪80年代中期, 国内出现了弹性体改性沥青技术及其防水卷材, 紧接着改性油毡生产设备的引进和先后投产, 加上对产品的大力宣传和推广, 使得SBS改性沥青卷材很快的被大家所熟悉。经过多年的应用及生产实践可以看出, SBS改性沥青防水卷材不仅拥有优良的施工性能, 还具有非常优秀的物理性能和化学性能, 社会各界都对其给予非常明确的肯定, 并被国家列为重点发展和推广项目。

4 弹性体改性沥青防水卷材的应用与施工

弹性体改性沥青防水卷材适用于工业、民用建筑如屋面、地下室、墙体、卫生间、水池、水渠、地铁、洞库、公路、桥梁和机场跑道等防水保护工程, 并适用于金属容器、管道防腐保护, 是一种用途广泛、性能优异的防水材料, 既可单层使用, 又可复层;可热熔施工, 亦可冷粘。玻纤增强聚酯毡卷材可用于机械固定单层防水, 但需要通过抗风荷载实验;玻纤毡卷材适用于多层防水的底层防水, 外露使用应采用上表面隔离材料为不透明的矿物粒料的防水卷材, 地下工程防水采用表面隔离材料为细砂的防水卷材。

施工方法:施工前应清理基层缺陷, 基层含水率不大于9%, 涂刷专用底子油并充分干燥后再施工。具体工程施工以及细部构造应按照工程的防水设计、验收标准和施工规范进行。应注意: (1) 基层要求干燥、平整、干净、无尘土、无杂物、无油污、无苔斑, 如有孔、洞、裂缝要用水泥砂浆填实, 突出部分要凿平; (2) 要逆风涂刷基层处理剂; (3) 在基层表面和卷材表面涂胶粘剂, 并预留搭接边以涂刷接缝胶; (4) 铺贴卷材, 并进行排气、压实; (5) 进行搭接缝的粘贴。

5 结束语

弹性体改性沥青防水卷材拥有着优良的性能以及广阔的市场前景, 可是有两方面的问题仍需要被解决:第一个是建材市场存在非常严重的假冒伪劣现象, 比如商家将低劣沥青胎基防水卷材当做SBS改性沥青防水卷材来销售, 也有用低劣纤维胎代冒充性能长纤维聚酯毡胎来代替SBS改性沥青防水卷材, 这些都是普遍存在的现象;第二个就是施工方法也比较落后, 可以说基本靠手工操作, 而且施工团队非常混乱, 施工人员的专业素质也有待提高, 这样才能使施工质量有所保障。值得庆幸的是, 相关部门已制定并执行了相关的法律、法规。相信在不久的将来, 随着相关部门管理力度的加大, 这些混乱的情况会有所改善。

参考文献

[1]邓钫印.建筑工程防水材料手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社.

[2]毛志峰.卷材防水屋面施工技术要点[J].山西建筑, 2003, 29 (4) :78-80.

[3]田凤兰.SBS改性沥青及防水卷材的技术特性和趋势展望[J].中国建筑防水, 2000, 17 (6) :5-6.

高弹性沥青 第4篇

1 新实验探索

1.1 Superpave规范的不足

由于聚合物改性沥青结合料的广泛应用, 当涉及到改性沥青时, 众多筑路行业专家置疑现有AASHTO M320规范的适用性。此外, 公路代理机构在着手一些附加试验对现有的Superpave结合料规范进行增补, 包括弹性恢复试验、粘韧性试验和测力延度试验, 确保结合料中含有预期的改性剂, 如弹性聚合物。这些附加试验称为“Superpave+”试验。在大多数情况下, “Superpave +”试验仅说明结合料中存在特殊改性剂, 而没有确定其性能。为解决此问题, 交通运输部专家要求FHWA从结合料的基本性能特点方面, 鉴别弹性聚合物改性沥青结合料, 以便提供一个标准的试验方案。

1.2 重复蠕变与恢复试验的优点

2002年FHWA的研究人员提出一个称为重复蠕变与恢复的试验 (Repeated creep and recovery test, RCRT) , 不仅能够简化对聚合物改性沥青中是否存在弹性聚合物的测定, 提高试验效率, 而且为结合料的潜在性能带来有价值的信息。RCRT法包括对一种沥青结合料样品施加一个具体的荷载、卸载, 以及卸载后测定恢复反应。FHWA的近期研究表明, RCRT能够为聚合物改性沥青结合料提供一个标准的试验方案。

在研究应力、应变的改变对聚合物改性沥青结合料的影响的过程中, 发现RCRT法有可能替代弹性恢复试验。RCRT法简单易行, 除了说明结合料的基本特性外, 还为结合料在不同加载条件下做何种反应提供详细的信息。例如, 不掺水的结合料受压时会流动, 并且不能恢复或回弹;聚合物改性沥加载时发生偏斜, 卸载后会有一定的恢复, RCRT在不同的荷载条件下确切地测试了这一恢复反应。

2 重复蠕变与恢复试验

2.1 试验方法

检测样品包括:未改性、聚合物改性、交联和非交联结合料, 以及从路面钻芯体提取出的弹性聚合物结合料。按照AASHTO T240, 对沥青样品进行旋转薄膜烘箱加热试验, 使其老化。然后, 按照AASHTO T315规定, 用动态剪切流变仪测试老化沥青样品。

特定温度下进行RCRT试验。先用常应力加载, 维持1 s后卸载并使零应力持续9 s。分别在100 Pa和3 200 Pa两个应力水平下进行10个周期。

在高PG温度下收集全部数据, 包括蠕变起始部分的初始应变值与结束部分 (1 s后) 的应变值和应变校正值;恢复结束部分 (10 s后) 的应变值和应变校正值。计算每个周期中两个蠕变应力水平下的恢复率。用100 Pa应力水平下的恢复反应评价低应力水平下的结合料, 此时结合料将展示出最大的弹性反应。提高应力水平至3 200 Pa, 可以评价结合料在高应力水平下的反应, 有助于确定结合料在重交通荷载条件下维持其结构和弹性反应的良好程度。为了获得这些试验结果, 需要先在100 Pa应力水平下试验再提高至3 200 Pa。

试验时保证每个蠕变周期所需的全应力要在蠕变开始的0.05 s之内获得。每隔0.1 s记录一次应力和应变, 每个蠕变和恢复周期之间无休眠期、无应力水平的改变。

2.2 数据收集

在高PG温度下收集的数据具体包括:样品类别、PG等级和试验温度以及100 Pa和3 200 Pa应力水平下的恢复率, 具体见表1。

注:UnMod:未改性沥青;EVA:乙烯—醋酸乙烯共聚物;EVA-G:EVA接枝物;LLDPE:线形低密度聚乙烯;MLTGrd:多级沥青。

2.3 结果分析

未改性沥青和聚合物改性的结合料的RCRT试验结果显示:大多数弹性聚合物SB或SBS改性沥青结合料在两个应力水平下的恢复率要高于15%;大多数塑性聚合物如EVA和LLDPE改性沥青结合料在100 Pa应力水平下恢复率要高于15%, 而在3 200 Pa很少有恢复;未改性结合料在任何一个应力水平下都恢复很少或没有恢复。因此, 以15%作为结合料在3 200 Pa应力水平下恢复率的最低需求值, 并作为初值用于确定结合料是否具有弹性聚合性质。

比较SBS (非交联) 和松脂 (交联) 两种聚合物改性结合料的恢复反应。两者在较低应力水平下表现的恢复行为不一致。当相容值增加时, 随着应力水平的提高, 非交联的SBS结合料中的聚合物链也显著地被破坏。交互性良好的聚合物改性结合料, 在应力水平高于3 200 Pa时通常显出不一致的恢复行为。而结构较差的结合料在低于3 200 Pa的应力水平下的屈服强度值会增加。根据屈服强度值的增加, 选定3 200 Pa为高应力水平进行RCRT试验。

某些塑性聚合物改性沥青结合料, 在更高的应力水平下的恢复率要高于15%, 而在100 Pa和3 200 Pa之间的应力水平下的恢复率却急剧下降。因此, 需改进试验方法:不仅以恢复率的15%作为3 200 Pa的最低恢复值, 而且允许两个应力水平之间存在一个最大差值的70%。这两个必要条件 (最低值15%和最大差值70%) 将会提高RCRT对弹性聚合物改性沥青的鉴别能力。如果同种结合料既能满足PG水平又能满足SHRP+弹性恢复的要求, 则在3 200 Pa应力水平下的恢复率会高于15%。

3 结束语

重复蠕变与恢复试验是指在高性能等级温度下, 对老化沥青样品进行加载、卸载, 如此循环多个周期, 测定样品在各个应力水平下回复率, 以鉴别出结合料中所含弹性聚合物改性剂与基质沥青混合的均匀程度和交联程度, 从而比较各样品的抗车辙和疲劳开裂性能。RCRT是在100 Pa、3 200 Pa两个应力水平下试验, 常应力和零应力分别保持1 s和9 s, 如此重复10个周期, 并以15%作为3 200 Pa下最低恢复值, 70%为两个应力水平之间的最大差值来提高RCRT对弹性聚合物改性沥青的鉴别能力。对相同PG温度但改性剂不同 (交联与非交联相比较) 、改性剂相同但PG温度不同的回复率进行纵向、横向比较, 从而确定弹性聚合物改性剂含量高且与基质沥青具有良好网状结构的改性沥青结合料。

与传统的弹性恢复试验相比, RCRT具有以下5项优点:①RCRT是依据标准的试验方案进行的, 并且可以显示基本的材料性能。②采用PG等级温度, 除了表明改性结合料中存在弹性聚合体外, RCRT还提供了结合料在服务条件下相关性能的信息。③RCRT使用的试验设备和程序都是筑路行业所熟悉的, 因此试验时不需要购买其他的附加设备。④RCRT仅需大约10 min的时间和1～2 g的材料。⑤RCRT试验还可显示聚合物与基质沥青混合的均匀程度及其在结合料中建立结构网的致密程度。因此, 重复蠕变与恢复试验 (RCRT) 用于鉴别弹性聚合物改性沥青, 可重复性好、简单易行, 不仅技术效果显著, 而且节约资源能源, 可以带来明显的经济效益。

参考文献

[1]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社, 2001.

[2]沈金安.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M].北京:人民交通出版社, 2004.

[3]张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用[M].北京:人民交通出版社, 2006.

[4]李立寒, 张南鹭.道路建筑材料[M].北京:人民交通出版社, 2003.

[5]The Asphalt Institute.Superpave performance-graded asphalt binder specification and testing, Superpave Series N0.1 (SP—1) [R].Lexington, Kentucky, 1995.

[6]John A.D’Angelo, Raj Dongr啨, Gerald Reinke.Creep and Recov-ery.Public Roads.March/April, 2007, 70 (5) .

高弹性沥青 第5篇

车体的垂向弹性振动 (也统称为弯曲振动或高频振动) 对铁道车辆的舒适度有较大的影响, 不仅新干线等优等列车要求降低上述车体垂向弹性振动, 通勤型、城郊型车辆也在要求降低车体垂向弹性振动。日本对该课题已开展了大量研究, 提出了采用相关对策降低上述振动的建议, 但到目前为止尚未制定根本性的对策, 目前仍根据车体振动模态单独采取相应对策[1]。

现在已了解到乘客乘车 (载客量) 对车体弹性振动有大的减振效果[2]。因此, 如能恰当地模拟该效果, 则有可能构成过去所没有的有效减振装置。

将每名乘客视为阻尼大的单自由度振动系统 (用弹簧与减振器支承质量的系统) 附加到车体的方式, 能定性地模拟“乘客的减振效果”[2,3]。也就是说, 利用阻尼大的弹簧支承任何质量 (高阻尼弹性支承) 都有可能降低车体的振动。铁道车辆的车体地板下由于吊装多种设备, 可考虑利用高阻尼构件弹性支承部分机组设备。

作为利用地板下设备以降低车体弹性振动的以往研究实例, 提出了构成动态吸振器的建议, 这是弹性支承在地板下设备中选定的车辆质量, 通过调整其固有振动频率, 以便与设定为减振对象的车体弹性振动的固有振动频率同一步调, 并进行了现车运行试验[4]。但这种情况下有必要解决以下课题:需要调整符合减振对象频率的弹簧刚度;列为减振对象的弹性振动一方面被限定, 另一方面也需要调整支承构件的阻尼 (减振) 特性等, 目前, 尚无实用化实例的报道。

本文所述方法的特点是利用比车体阻尼大的材料, 设定地板下设备的弹簧系统, 要求形成与列为减振对象的车体弹性振动的固有振动频率大小相同或低一些的固有振动频率。由此, 不必进行复杂的动态吸振器的固有振动频率及阻尼特性的调整, 就有可能降低宽广频率范围内的车体振动, 使共振频率中的峰值被抑制在足够低的水平。此外, 如根据利用乘客赋予的阻尼效果来类推, 则也有望同时降低多种振动模态的弹性振动。

本文首先叙述车体弹性振动的特征及同时降低多种振动模态的弹性振动的必要性。其次, 作为同时降低多种振动模态的车体弹性振动的简易方法, 针对建议的“质量高的阻尼弹性支承法”, 介绍了在日本铁道综合技术研究所的车辆试验台上进行激振试验的情况, 验证了对车体弹性振动的减振效果[5], 以及实施了现车运行试验的结果。

2 车体弹性振动的特征及降低多种振动模态的弹性振动的必要性

不限于铁道车辆的车体, 所有构件一旦受力, 则稍有变形, 由于具有要恢复成原状的性质 (弹性) , 就会产生振动 (弹性振动) 。这时, 构件的形状及材料、质量以及支承条件等决定了容易产生振动的频率 (固有振动频率) 及与其相应的振动形状 (振动模态) , 将其称为“固有振动模态 (简称模态) ”。通常情形下, 固有振动模态有无穷多个, 而按固有振动频率从低到高的顺序, 依次称为1阶、2阶……。固有振动频率高的高次谐波振荡在多数情形下振幅变小, 并且容易衰减, 所以, 通常来讲, 低阶的几种固有振动模态成为有待研究解决的问题。

虽然以往针对降低铁道车辆车体弯曲振动研究了多种对策, 但仅限于“车体一阶弯曲振动”的研究。这是将车体视为一根均质“梁”时, 称为与一阶弯曲振动模态相对应的弹性振动。因此, 多数情形下, 产生“车体弹性振动或高频振动”即指“一阶弯曲振动”的认识也是有道理的, 但作者的研究已弄清楚了这种认识与实际状态是不相符的。也就是说, 从实际铁道车辆的车体弹性振动来看, 不仅仅是将车体视为一根梁变形那样简单的情况, 而且, 车顶及地板呈现不同形状及方向上的变形, 或伴随方形断面形成菱形的“剪切变形”等, 作为立体构件产生复杂的变形, 由多种振动模态组成弹性振动, 这样的多种振动模态的弹性振动多数情形下会对舒适度产生影响。此外, 还发现新干线与通勤车辆的振动模态、振动形状的特征并不相同[6,7]。因此, 要有效地提高乘坐舒适度, 必须采取符合车体结构及振动模态特征的对策, 同时, 有必要同时降低多种振动模态的车体弹性振动。但是, 以往几乎没有开展旨在降低多种模态的弹性振动的研究。

此外, 在实际车辆上观察到的多种固有振动模态中, 图1 所示的2 种振动模态, 无论新干线还是既有线, 几乎所有车辆上都可以看到, 对舒适度产生的影响较大。图1 (a) 是车体纵向的中心附近地板面振动大 (只观察地板面的变形则接近于梁的一阶弯曲振动) 的模态 (以下称B模态) , 图1 (b) 是伴随车体断面的剪切变形的振动模态 (以下称D模态) 。因此, 为了通过降低弹性振动以有效地提高乘坐舒适度, 同时降低B模态与D模态是很重要的。

3 设备减振悬挂装置的制作与有效性的验证

基于简单的解析模型所取得的研究结果表明, 利用高阻尼构件弹性支承地板下设备, 对于车体的减振有可能产生效果, 所以, 制作了在实际车辆上应用的支承构件 (以下称设备减振悬挂装置) 。

图2为日本铁道综合技术研究所的试验车, 其车体采用与普通商业运营中的通勤型车辆有同等结构的不锈钢制作。地板材料与内装修材料按原制造时施工, 设置了座椅与行李架等基本的车内设施, 但由于是试验车, 省略了空调机组等电器设备, 地板下也未布置设备。因此, 在地板下设置了模拟地板下设备的实体模型, 并弹性支承该实体模型。从实体模型装置看, 是由重叠了厚铁板的可动部分, 以及弹性支承被固定在车体上的可动部件质量的机械框架组成。沿车体中心附近的横梁横向共设置了2台模型装置。实体模型装置的可动部件质量设成每台500kg。另外, 除去实体模型装置的车体质量为11.5t。

作为支承这种实体模型装置的可动部件的构件, 特制作了2种设备用减振悬挂装置, 即液封 (充液) 型与隔振橡胶型悬挂装置 (图3) 。2种装置的弹簧刚度大致相同 (每个为3.2×105N/m) , 在4 个部位支承500kg质量的情况下, 实体模型的固有振动频率都是8 Hz, 但是, 阻尼特性并不相同。作为表示阻尼大小的一个指标损失系数设定如下:液封型为0.4, 隔振橡胶型为0.2。

在日本铁道综合技术研究所的车辆试验台上, 对设置了上述实体模型装置的试验车进行激振, 以确认降低车体弹性振动的效果。被试车放置在车辆试验台上, 该试验台的轨道轮具有与钢轨同样形状的断面, 通过旋转轨道轮, 能在定置车辆的状态下模拟车辆运行。试验台装有液压作动器, 能分别独立地用任意波形沿垂向对承载一辆车的8个车轮的轨道轮实施激振。在图4中用黑圆点表示车体地板面的21个测点, 以及地板下实体模型装置的可动质量的机械框架对角部位的4个测点 (2台实体模型装置共设8个测点) , 测试振动加速度。激振信号使用均匀地具有2 Hz~30 Hz频率成分的随机波, 要求显著产生车体垂向弹性振动, 在轮对间不产生相位差的条件下进行激振 (即4轴同相位激振) 。此外, 为模拟压缩机及空调机组等地板下设备本身产生的振动, 在一台实体模型装置上设置激振器, 利用30Hz的正弦波也同时进行了激振试验。设定了3种实体模型装置的支承条件, 即利用上述2种设备减振悬挂装置的弹性支承条件, 另外还模拟了普通安装状况的刚性支承条件 (实体模型装置框架与可动部分用螺栓连接) 。

图5给出了刚性支承实体模型装置的可动质量条件下的激振试验结果对应的车体固有振动模态。图5中标有Hz的数据表示固有振动频率, 可见, 在较为狭窄的频率范围, 具有多种固有振动模态便是不锈钢车体的特征。此外, 图5 (a) 是上述的D模态, 图5 (e) 则是B模态。

图6为地板中心 (见图4的测点f4c) 与地板中心车窗下方 (测点f4l) 的加速度功率谱密度 (PSD) 。加速度PSD是表示相对于频率的振动加速度的功率参数, 纵轴方向曲线图形的值越大, 表明该频率下的振动加速度越大。图6中的粗大灰色线表示刚性支承实体模型装置的可动部件质量情况下的PSD, 黑色粗线表示用液封型机械减振悬挂弹性支承可动部件质量时的PSD, 细线则表示用隔振橡胶型机械减振悬挂弹性支承可动部件质量时的PSD。刚性支承的情况下, 在车地板中心11 Hz附近, 靠地板中心的车窗处, 在7.5Hz附近与11 Hz附近都可看到明显的峰值, 而这些峰值分别对应于图5 (a) 的D模态与图5 (e) 的B模态。机械减振悬挂装置及高阻尼弹性支承实体模型装置, 都可以降低振动模态的PSD峰值。此外, 频率为30Hz时的PSD尖锐峰值, 是地板下设备产生的振动传递到车体上的结果, 但由图6可知, 这种峰值也由于应用机械减振悬挂装置而有所降低。

应用以上所述机械减振悬挂装置, 多种固有振动模态的车体弹性振动降低的效果, 以及抑制地板下设备产生的振动向车体传递的效果都得到了确认。另外, 也确认了地板下设备 (实体模型可动部件) 的振动, 由于应用机械减振悬挂装置并没有导致大的恶化现象 (在图6的激振条件下, 从实体模型装置可动部件的振动来看, 应用液封型减振悬挂装置时, 该振动约降低35%, 应用隔振橡胶型减振悬挂装置时, 该振动增大约10%) 。

4 干线运行试验

接下来, 进行以特快车辆为对象的干线运行试验, 以验证本文所述方法的有效性。根据预先的振动测试可知, 在8Hz~12Hz频域发生主要的车体弹性振动 (指车体一阶弯曲弹性振动, 而且在上述频域人体对垂向加速度很敏感) , 所以, 试验中以降低该频域的弯曲振动为目标。虽然没有确认车体的详细的固有振动模态特性, 但可以推测, 在该频率范围内, 包含上述的D模态及B模态的多种车体弹性振动模态。

这次试验的目的是验证高阻尼构件弹性支承质量这一方法的基本原理, 所以, 不是设置实际的地板下设备, 而是在地板上设置实体模型质量, 并设定弹性支承该实体模型。图7为在地板上设置实体模型质量的状况。在此, 用4个隔振橡胶 (与上述的隔振橡胶型的机械用减振悬挂装置结构相同) 弹性支承重叠了铁板的实体模型质量 (每组为240kg) 。弹性支承的实体模型质量的固有振动频率为9.5 Hz, 损失系数为0.19。

将2组该附加质量 (指实体模型) 设置在车体中央附近的左右侧靠近车窗处, 进行了运行试验。振动测试是在以下两种条件下进行的:图7的状态 (高阻尼弹性支承条件) , 以及拆除隔振橡胶, 将附加质量固定在基本框架上的状态 (刚性支承) 。图8表示在两种条件下, 以相同速度在同一区间运行所测试的车体地板面的垂向振动加速度的PSD。观察图8可知, 由于高阻尼弹性支承实体模型质量, 10 Hz及12 Hz附近所看到的PSD的峰值降低到~左右。这样一来, 在设定为减振目标的8Hz~12 Hz的频域, 大幅度地降低振动的效果得到了确认。

5 结束语

本文所述的方法其特征是, 设定地板下设备的弹簧系统, 要求其固有振动频率与列为研究对象的车体弹性振动的固有振动频率同样大小或低一些, 不需要以往所建议的动态吸振器所需要的固有振动频率及阻尼 (减振) 特性方面的精细调整。此外, 如将原有的设备作为可动质量有效利用, 则基本上不会增加质量。根据车辆试验台上激振试验的结果, 对于多种振动模态的车体弹性振动的减振效果, 以及使设备本身产生的振动难以传递到车体上的隔振效果得到了确认。即便在干线运行试验中, 也表明了该方法在包含多种振动模态的车体弹性振动的频率范围内, 具有减振效果。

本方法是免维修、轻量、简易地降低车体弹性振动的对策, 可适用于各型式车辆。今后, 预定将开展支承实际的地板下设备的合理的结构及耐久性等方面的研究, 以使该方法达到实用化目标。

参考文献

[1]富冈隆弘.锏道车鳑の车侉曲げ振动の解析と低减技术[J].车鳑技术, 2006 (第231吖) :96-106.

[2]富冈隆弘.旅客の耧车で车侉振动がわる[J].RRR, 2009, 66 (7) :18-21.

高弹性沥青 第6篇

1材料性能

1.1低温性能

采用250mm30mm35mm小梁试件进低温弯曲试验,试验温度为-15℃,加载速率为50mm/min,未老化与长期老化的环氧沥青混合料低温弯曲试验结果见图1～图2。长期老化是指轮辗成型后切割的小梁试件在恒温烘箱内以85℃的温度放置120h,模拟经过6～15a长期使用后的旧路面老化程度[2,3]。经过长期老化后的混合料低温弯拉强度与极限弯拉应变的变化并不明显(见图1、图2),表明环氧沥青混凝土除了具有很高的强度外,在低温条件下还具有很好的抗裂能力与耐老化性能。

1.2高温性能

由于我国特殊的气候与交通条件,特别是今年建设的大跨径桥梁采用钢箱梁结构,许多地区桥面铺装的最高温度达到70℃,对桥面铺装材料的高温稳定性要求更高[4]。常规改性沥青与环氧沥青混凝土在轮压0.7MPa,60℃、70℃下分别进行车辙试验,试验结果见图3,环氧沥青混凝土试件几乎没有变形,动稳定度远远大于常规改性沥青混凝土,其中日本环氧沥青混凝土高温稳定性最好,图中表明环氧沥青混凝土具有优良的耐超高温性能。

2疲劳试验方法

国内外的室内小型试件疲劳试验方法众多,美国SHRP研究计划在经过综合分析与评价后,选定四点弯曲疲劳试验作为其沥青混合料疲劳性能研究的标准试验[5]。四点弯曲疲劳试验采用应变控制模式,除了能采集劲度模量和疲劳寿命数据外,还可以提供滞后角和耗散能的数据,为研究混合料的黏弹特性提供更好的条件。

3黏弹性分析

混合料的动态弯拉劲度模量大小在很大程度上反映了行车过程中沥青路面抵抗变形和承受荷载的能力。不同温度条件下,加载频率为10Hz,Chem Co环氧沥青、日本环氧沥青和SBS改性沥青SMA混凝土劲度模量随温度变化曲线见图4,图中曲线表明在相同温度条件下,环氧沥青混凝土的劲度模量远高于常规改性沥青混凝土,日本环氧沥青混凝土模量最高。随着温度的升高,3种沥青混凝土的劲度模量均急剧降低。

在15℃温度条件下,未老化的、长期老化的沥青混合料滞后角数据见图5。SBS改性沥青SMA混凝土的滞后角最大,表明其黏性较显著,Chem Co环氧沥青混凝土黏弹性适中,日本环氧沥青混凝土表现出明显的弹性特征,这也表明环氧沥青混凝土的黏弹性与常规改性沥青混凝土具有很明显的差异。沥青混合料经长期老化作用后导致滞后角减少,混合料的弹性效应越为突出。

4疲劳性能研究

沥青混合料在承受循环重复荷载的作用下,材料在不断受到损伤。常应变疲劳过程中,表现为应力不断减少,试件本身通常无明显裂缝,广为应用的是以试件劲度模量下降到初始劲度的50%作为试件破坏的标志。在1000 με应变水平下,试验温度为15℃,加载频率为10 Hz,Chem Co环氧沥青与SBS改性沥青SMA混凝土的疲劳损伤曲线见图6,图中曲线表明在双对数坐标下SBS改性沥青混凝土的模量呈线性下降,Chem Co环氧沥青混凝土疲劳曲线呈明显的非线性特点。在600 με应变水平下,日本环氧沥青混凝土的疲劳损伤曲线见图7,图中显示日本环氧沥青混凝土模量在6万次重复荷载作用后发生急剧下降,表明这个阶段试件内部损伤积累到一定程度后抵抗荷载的能力迅速降低,疲劳寿命显著缩短。

在600 με应变水平下,长期老化后沥青混合料的疲劳寿命比较图见图8,图示表明在相同应变水平下Chem Co环氧沥青混凝土耐老化性能最好,SBS改性沥青SMA混凝土次之,日本环氧沥青混凝土的疲劳寿命最短。综合比较,Chem Co环氧沥青混凝土有着更为优良的抗疲劳耐久性与耐老化性能。

5疲劳寿命预测模型

疲劳寿命预测模型采用方程式(1)的形式,取疲劳寿命的自然对数与应变水平的自然对数建立线性回归方程,不同沥青混凝土的疲劳寿命预测方程式见表1。回归结果可以看出,疲劳寿命与应变水平在对数条件下具有十分良好的线性关系,相关系数达到0.95以上。同时,也反映了在应变控制疲劳寿命试验模式下应变水平越大,则疲劳寿命越短的规律。

Nf=A(1/()B (1)

6结语

通过对环氧沥青混凝土的材料性能、黏弹特性与疲劳性能的研究分析,表明环氧沥青混凝土具有弹性特征,疲劳曲线有着明显的非线性特点,并建立了应变控制模式的疲劳寿命预测模型。环氧沥青具有优异的稳定性、抗疲劳、耐老化性能,是用于桥面铺装,特别是超重载交通路面铺装的理想材料。综合比较分析表明美国Chem Co环氧沥青混凝土的综合性能最好。

参考文献

[1]李志军,程国香.桥面铺装技术及沥青铺装材料的现状与发展.石油沥青,2006;20(3):1—7

[2]Bell C A,AbWahab Y,Cristi ME,et al.Selection of laboratory aging procedures for asphalt-aggregate mitures.SHRP-A-383,Strategic Highway Research Program,Nation Reserch Council,1994

[3]虞将苗,邹桂莲,胡学斌.沥青混合料老化模拟试验方法与验证研究.公路交通科技,2005;22(10):14—17

[4]黄卫,钱振东,程刚,等.大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装研究.科学通报,2002;47(24):1894—1897

浅谈橡胶高弹性联轴器选用、计算 第7篇

关键词：橡胶,联轴器,选用,计算

0 引言

在船舶主机推进轴系、柴油或燃气发电机组、水泵、油泵或泥泵机组等动力传动装置中, 越来越多地采用橡胶高弹性联轴器, 主要是为了如下目的:调整轴系固有频率和降低扭振振幅来改善轴系扭振特性;衰减振动传递;改善轴系对中性能;提高输出功率的稳定性。合理地选用联轴器, 关系到动力装置的工作性能、使用寿命、维护保养和经济性。在传动系统中恰当选择合适的橡胶高弹性联轴器, 需要引起人们特别重视, 它既涉及联轴器本身的结构、特性参数和几何尺寸, 又涉及传动系统的动力特性、负载情况、工况要求以及环境条件等一系列因素。

1 联轴器的选用计算

橡胶高弹性联轴器的关键传扭部件是扭转弹性元件, 可将传动系统简化为双质量扭转弹簧系统。并按此简化进行下述选用计算, 如有必要, 可依据初步选型情况再进行详细的扭振计算分析。

1.1 按理论转矩计算

橡胶高弹性联轴器的额定转矩必须大于或等于其在各个工作温度时实际传递转矩, 即

式中:

St———联轴器橡胶材料受热后的强度下降系数 (详见表1) ;

TKN———橡胶高弹性联轴器额定转矩, k Nm;

TLN———负载额定转矩, k Nm;

PN———原动机额定功率, k W;

nN———额定转速, r/min。

1.2 按冲击转矩计算

考虑到设备起动时或运行中突加、突减负载时对联轴器的频繁冲击, 联轴器在各个工作温度时确定的许用最大转矩, 至少必须与运转中的冲击转矩相等, 即:

主动端的冲击

从动端的冲击

式中:

TKmax———橡胶高弹性联轴器许用的瞬时最大转矩;

TAS———主动端在起动或转速工况变化时出现的周期性冲击转矩峰值;

TLS———从动端在变负荷或制动工况时出现的非周期性冲击转矩峰值;

MA———主动端转动惯量在冲击和激振时的影响系数, MA=JA/ (JA+JL) ;

ML———从动端转动惯量在冲击和激振时的影响系数, ML=JL/ (JA+JL) ;

SA———主动端冲击扭转系数, 对于一般的起动冲击可取1.8;

SL———从动端冲击扭转系数, 对于一般的起动冲击可取1.8;

JA———主动端转动惯量总和;

JL———从动端转动惯量总和;

SZ———起动系数 (见表2) 。

(Z单位:次/小时)

例如:在柴油发电机组的轴系中, 主动端转动惯量JA由柴油机扭振当量参数表中所有转动惯量之和JA1 (若带扭振减振器, 则还包括减振器的转动惯量) 及橡胶高弹性联轴器主动端转动惯量JA2这两部分相加组成;从动端惯性矩JL由电机转动惯量 (即GD2/4) JL1及橡胶高弹性联轴器从动端转动惯量JL2这两部分相加组成。以上所涉及的转动惯量的具体数值请向各相关厂家索取。

1.3 联轴器的选型还可按周期性交变转矩、按轴的偏移量进行计算

因实际应用较少, 以上两种计算只做选型时的辅助参考, 在此就不展开介绍。

2 选用实例

我们以康明斯QSK60-M柴油机, 额定功率1563k W, 转速1500rpm;及广州英格EG560-1400-10500V电机组成的高压发电机组为例进行联轴器的选型。

柴油所有转动惯量之和JA1为17.759kgm2 (此数据由柴油机厂提供) ;

LC3820A型橡胶高弹性联轴器, 主要参数如下:

额定转矩TKN=20k Nm

最大转矩TKmax=48k Nm

LC3820A橡胶高弹性联轴器主动端转动惯量JA2为2.9566kgm2 (此数据由联轴器厂提供) 。

LC3820A橡胶高弹性联轴器从动端转动惯量JL2为1.6098kgm2 (此数据由联轴器厂提供) 。

电机转动惯量JL1为71.935kgm2 (此数据由电机厂提供) ;

主动端转动惯量JA=20.716kgm2, JA=JA1+JA2;

负载转动惯量JL=73.5448 kgm2, JL=JL1+JL2;

橡胶高弹性联轴器的实际传递转矩TLN=8.9k Nm。

(按公式 (2) 进行计算, 其中PN为1400k W, nN为1500rpm)

TAS按2倍TLN计算, 即TAS=17.8k Nm。

工作温度t=50℃, 温度系数St=1.4。

起动次数Z≤60次/h, 起动系数SZ=1.0。

冲击系数SA=1.8。

(1) 按额定转矩校核选型情况:

TLN·St=8.9×1.4=12.46k Nm<TKN=20k Nm, 满足要求。

(2) 按主动端冲击值计算:

运转中的冲击转矩为:

其中MA=JL/ (JA+JL) =73.5448/ (73.5448+20.716) =0.7802

即根据主动端冲击计算, 最大转矩小于LC3820A型橡胶高弹性联轴器的最大转矩值, 故安全。

3 结语

橡胶高弹性联轴器在整个传动系统中虽然相对价值不高, 但它是动力传输的一个重要环节, 其稳定性和可靠性将直接影响整个传动系统的性能。因此, 我们需要重视橡胶高弹性联轴器的选用, 更加科学、谨慎地选择适用的联轴器解决方案。

参考文献

[1]西德Begriffe Auslegung著, 王晓明摘译自《DIN740》Blatt2.弹性联轴节的选用计算[M].第七一一研究所, 1997.

[2]阮忠唐.联轴器、离合器设计与选用指南[M].化学工业出版社, 2005.

高弹性沥青 第8篇

关键词：水泥乳化沥青复合材料,粘弹性能,复数模量,相位角,依时性

水泥乳化沥青胶凝材料是由一种无机水硬性胶凝材料水泥和有机黏结性高分子材料乳化沥青组成的复合胶凝材料[1]。该复合材料在公路工程铺面材料领域中用于水泥乳化沥青混合料[2,3], 以及在高速铁路无砟轨道结构中作为弹性垫层[4,5]均能体现出其优异的使用性能。已有研究认为[6,7]水泥加入到乳化沥青中后水泥与乳化沥青破乳产生的水以及外加水发生水化反应, 生成的水化产物与破乳后的沥青结合料相互缠绕交织, 形成同时具备有机和无机结合料特征的新型复合材料。因此, 这两种特征迥异的材料复合而得的水泥乳化沥青胶凝材料必然具备特殊的粘弹性特征, 而且更为重要的是, 水泥的水化过程以及乳化沥青破乳形成强度的过程均随着时间的发展有着明显的变化, 这必然导致水泥乳化沥青复合材料的粘弹性具有显著的时间依赖性。然而, 水泥乳化沥青复合材料粘弹性特征的依时性研究在国内外鲜见报道。刘永亮[1,8]采用动态黏弹谱仪研究了3种典型水泥沥青胶凝材料的动态力学行为和不同沥青与水泥质量比 (以下简称A/C比) 的水泥沥青砂浆的静动态力学行为, 分析了水泥沥青胶凝材料的动态模量和滞后角与加载频率的关系, 但研究对象仅针对标准养护室养护24h、拆模后继续在室温环境下养护6d后的试件, 并没有考虑胶凝材料动态力学行为与时间的关系。Brown[9]采用动态剪切流变仪 (DSR) 分析了不同水泥含量的水泥乳化沥青胶凝材料的流变性能, 但测试试样也是乳化沥青完全破乳后的复合材料。王发洲[10]研究了凝结时间对沥青乳液水泥体系砂浆性能的影响, 但试验对象为砂浆, 且仅包含材料的工作性及抗压强度等性能, 未涉及到复合材料的粘弹性能。因此, 为了深入地了解水泥乳化沥青复合胶凝材料的粘弹性特征发展规律并指导设计出性能优异的复合材料, 开展其粘弹性特征-时间效应的研究十分必要。本实验分别制备了不同比例的水泥乳化沥青复合胶凝材料, 在60℃条件下采用动态剪切流变仪对复合材料在不同养护龄期时的复数模量和相位角进行频率扫描分析, 以实现对水泥乳化沥青复合胶凝材料粘弹性特征依时性的完全描述。

1 实验

1.1 原材料

实验采用自制的慢裂快凝型SBS改性阳离子乳化沥青 (A) , 其主要技术性能见表1。

实验采用冀东水泥厂生产的P.O.42.5普通硅酸盐水泥 (C) , 其基本物理和力学性能见表2。

1.2 试样制备

按照表3所示的质量配比制备不同A/C比的水泥乳化沥青复合胶凝材料。首先, 按比例称量好乳化沥青和水泥备用。然后, 将水泥缓慢加入乳化沥青中并慢速搅拌;待水泥全部加入到乳化沥青后, 再高速搅拌3min, 最后倒入硅胶模具内成型即成。制备完成的试样置于室温条件下 ( (23±2) ℃) 养护至测试时间点。每种配比的水泥乳化沥青复合胶凝材料均制备5组, 分别用于测试其1d、2d、3d、5d和7d的粘弹性能。

注:A/C指乳化沥青中实际沥青质量与水泥质量之比

1.3 实验方法

采用Bohlin GeminiⅡ型动态剪切流变仪对不同配比、不同养护龄期的复合胶凝材料进行频率扫描试验。实验采用应力控制模式, 试验温度为60℃, 频率扫描范围为0.1~10Hz, 频率变化选择对数增加方式。

2 结果与分析

2.1 不同复合材料在各个龄期的粘弹性能横向对比分析

图1为养护龄期为1d的水泥乳化沥青复合胶凝材料的复数模量和相位角随荷载作用频率的变化规律。

总体而言, 随着荷载频率的增大, 5种复合胶凝材料的复数模量随频率的增大呈明显增加的趋势。但不同配比的复合胶凝材料在经历1d养护期后复数模量和相位角的大小有着较大的差别。单从复数模量的数值上来看, C4最大, 其次是C3, 而C2和C1的复数模量均小于纯乳化沥青。另外, 从图1 (b) 可以看出, 一方面, A/C比越大的复合胶凝材料相位角随频率变化曲线的斜率就越大;另一方面, 随着荷载频率的增加, 相比于乳化沥青, 其他4种复合胶凝材料的相位角均表现出比较明显的增长。在低频区域 (对应高温状态) , 应力与应变之间的时间滞后现象比较微弱, 因此表现出相位角较小;而在高频区域 (对应低温状态) , 由于掺加水泥后内摩阻力会有很大程度的提高, 因此相位角明显增大。综合复数模量和相位角的变化趋势可以推断出, 当养护龄期为1d时, 水泥的水化程度较低, 还不足以提供较大的粘结力, 水泥在体系中的作用表现为惰性填料的填充作用, 增大了复合材料中粘性成分的比例。因此, 特别是水泥含量较低的复合胶凝材料, 其复数模量甚至小于乳化沥青。

图2为养护龄期为2d的水泥乳化沥青复合胶凝材料的复数模量和相位角随荷载作用频率的变化规律。

2d复数模量图与1d复数模量图明显的区别为C2的复数模量已经超过乳化沥青的复数模量, 这说明虽然C2中水泥含量较低, 但其在体系中的作用开始凸显。另一方面, 4种复合胶凝材料的相位角-频率曲线的上升速率有所缓和, 而且在大部分频率范围内, C2和C1的相位角已超过乳化沥青的相位角。图3中复数模量随荷载作用频率的变化规律与图2比较类似。乳化沥青的相位角随频率变化曲线逐渐趋于平缓, 但C2和C1的相位角超过乳化沥青的频率范围更大, 同时当频率大于1 Hz后, C4和C3的相位角也开始超过乳化沥青。这说明当养护时间达到3d时, 水泥的胶结作用已越来越明显, 开始对复合材料的粘弹性比例产生影响, 使得复合胶凝材料在低频区域的相位角更小, 同时在高频区域的相位角更大, 这样更有利于水泥乳化沥青复合胶凝材料抵抗外部荷载的作用。

图4为养护龄期为5d的水泥乳化沥青复合胶凝材料的复数模量和相位角随荷载作用频率的变化规律。从图4 (a) 可以看出, C1的复数模量已经发展至接近乳化沥青复数模量的水平, 说明在此期间, 水泥胶结料强度的继续发展促使该复合胶凝材料的复数模量得到了进一步提高。从图4 (b) 可以看出, 乳化沥青的相位角-频率曲线无明显变化, C2和C1的相位角-频率曲线进一步趋于平缓。

图5为养护龄期为7d的水泥乳化沥青复合胶凝材料的复数模量和相位角随荷载作用频率的变化规律。比较而言, 一方面, C1的复数模量也已超过乳化沥青, 同时C2和C1的相位角与乳化沥青的相位角也越来越靠近;另一方面, C3和C4的相位角也发生了明显的变化, 在高频率区域, C3的相位角首次大于C4的相位角。

2.2 不同龄期时复合材料粘弹性能的纵向对比分析

图6为5种复合胶凝材料不同龄期时复数模量的频率扫描试验结果。随着养护龄期的增加, 5种材料的复数模量均在增长, 其中乳化沥青 (C0) 的复数模量增长幅度最小。对于C1, 水泥掺量较低, 复合材料的复数模量随龄期的增长幅度比较均匀。而当水泥掺量进一步增加时, 如C2、C3、C4的复数模量在1d后均有较大幅度的增加, 之后则增长缓慢。可见, 由于水泥强度的发展, 复合胶凝材料抗变形能力提高显著, 特别是水泥达到终凝时间后的一段时间内强度增长迅速, 此时这种提高效果更为显著。

图7为5种复合胶凝材料不同龄期时相位角的频率扫描试验结果。对于5种材料而言, 其相位角并没有随养护龄期的增长呈规律性的变化。图7 (a) 显示乳化沥青的相位角除了在低频区域随频率的变大有较小的增加幅度以外, 其他频率范围内则变化幅度不大, 且表现出明显的粘性特征。对于C1来说, 相位角-频率曲线族变化趋势无明显不同。对于C2来说, 曲线族之间接近平行状态, 且与C0相比, 在高频区域曲线的斜率有所增大。而对于C3来说, 曲线族越来越向着线性变化的方向发展, 且与C0相比, 在高频区域具有明显的粘性特征, 而在低频区域又具有更大的弹性部分, 从材料流变学的角度来看, 这更有利于提高材料在高、低温条件下的恢复变形能力。相比于前4种复合胶凝材料而言, C4的相位角变化幅度更大, 而且曲线更接近于线性。

对于交通铺面材料而言, 在较高温度时, 希望胶结材料具有足够的弹性, 以利于形变恢复, 故此时G*越大而δ越小越好。反之在中低温时为避免疲劳开裂, 希望胶结材料具有足够的粘性, 以利于外加的能量因流变而消散, 但同时仍要有足够的刚度, 故此时G*和δ越大越好。对应地, 在低频区域, G*越大、δ越小, 在高频区域, G*和δ均越大, 则复合胶凝材料具有越有利于抵抗破坏的粘弹性能。从这个角度来看, 在一定范围内, 水泥掺量较高的复合胶凝材料 (如A/C比为1.22和0.61) 具备了优异的高、低温粘弹性能, 这说明水泥作为另一种胶结料与乳化沥青破乳后的沥青胶结料一起充分发挥出了材料的复合效应。

3 结论

(1) 总体而言, 水泥乳化沥青复合胶凝材料的粘弹性能具有较为显著的依时性。对于高A/C比的水泥乳化沥青复合胶凝材料 (C2、C1) , 其强度发展过程较为缓慢;而对于低A/C比的复合胶凝材料 (C3、C4) , 强度发展较快。相同龄期时, A/C越低, 复数模量越大。

(2) 在各个龄期时, 高A/C比的复合胶凝材料和乳化沥青的相位角-频率曲线变化趋势类似, 随频率增加无明显变化。但低A/C比的两种复合胶凝材料的相位角随频率的增大而显著增大, 且伴随着养护龄期的增长, 这种变化趋势越明显。

(3) 随着养护龄期的增长, 4种水泥乳化沥青复合胶凝材料的复数模量均有小幅度增长, 尤以2d内的增长幅度最大, 而相位角没有随养护龄期的增长呈规律性变化。

(4) 综合比较而言, 对于高A/C比的复合胶凝材料, 复数模量虽然有一定程度的增加, 但相位角变化不大, 水泥在体系中的作用主要是惰性填充效应。对于低A/C比的复合胶凝材料, 复数模量和相位角均有显著的变化, 增强了复合胶凝材料低频时的弹性特征和高频时的粘性特征, 使其在高、低温时具有更好的粘弹性表现。

参考文献

[1] Liu Yongliang, Kong Xiangming, Yan Peiyu.Investigation on dynamical mechanical behaviors of cement-asphalt binders[J].Eng Mech, 2011, 28 (7) :53刘永亮, 孔祥明, 阎培渝.水泥-沥青胶凝材料动态力学行为的初步研究[J].工程力学, 2011, 28 (7) :53

[2] Gao Ying, Ling Tianqing, Qiao Guanhua, et al.Proportioning of cement-emulsified asphalt mixture[J].J Tongji University, 1998, 26 (6) :674高英, 凌天清, 乔冠华, 等.水泥-乳化沥青混合料配合比设计[J].同济大学学报, 1998, 26 (6) :674

[3] Wang Zhenjun, Du Shaowen, Yuan Wenhao.Influence of cement on mechanical performance of semi-rigid pavement concrete[J].Highway, 2007 (1) :152王振军, 杜少文, 袁文豪.水泥对半刚性路面混凝土力学性能影响研究[J].公路, 2007 (1) :152

[4] Kong Xiangming, Zhang Yanrong, Zhang Jingyi, et al.Investigation on flowability and microstructure of fresh cement asphalt binder[J].J Building Mater, 2011, 14 (4) :569孔祥明, 张艳荣, 张敬义, 等.新拌水泥沥青浆体的流动性及显微结构研究[J].建筑材料学报, 2011, 14 (4) :569

[5] Wang Fazhou, Liu Zhichao, Hu Shuguang.Influence of loading rate on compressive strength of CA mortar[J].J Beijing University Technology, 2008, 34 (10) :1059王发洲, 刘志超, 胡曙光.加载速率对CA砂浆抗压强度的影响[J].北京工业大学学报, 2008, 34 (10) :1059

[6] Wang Zhenjun, Sha Aimin, Xiao Jingjing, et al.Improvement mechanism of ordinary Portland cement on microstructure of emulsified asphalt[J].J Wuhan University Technology, 2009, 31 (5) :16王振军, 沙爱民, 肖晶晶, 等.水泥对乳化沥青混合料微观结构的改善机理[J].武汉理工大学学报, 2009, 31 (5) :16

[7] Yang Jinbo, Yan Peiyu, Kong Xiangming, et al.Study on the hardening mechanism of cement asphalt binder[J].Sci China:Techn Sci, 2010, 40 (8) :959杨进波, 阎培渝, 孔祥明, 等.水泥沥青胶凝材料的硬化机理研究[J].中国科学:技术科学, 2010, 40 (8) :959

[8] Liu Yongliang, Kong Xiangming, Zou Yan, et al.Static and dynamic mechanical behavior of cement asphalt mortars[J].J Railway Sci Eng, 2009, 6 (3) :1刘永亮, 孔祥明, 邹炎, 等.水泥沥青砂浆的静动态力学行为[J].铁道科学与工程学报, 2009, 6 (3) :1

[9] Brown S F, Needham D.A study of cement modified bitumen emulsion mixtures[C]//The 2000Annual Meeting of the Association of Asphalt Paving Technologists.Reno, 2000