导电沥青混凝土融雪化冰的有限元模拟

论文摘要

沥青混凝土已被广泛应用于机场跑道、高等级公路以及道路和桥梁的铺装层。沥青混合料属于绝缘体材料,电阻率约为107-109Ω·m。通过添加适量的导电相材料,可以显著地改善其电学性能,制备出具有一定导电性能的沥青混凝土。导电沥青混凝土路面融雪化冰具有无需中断路面交通、融雪化冰及时以及绿色环保等优点,会对沥青路面冬季的融雪化冰产生深远的影响。本文采用连续级配AC-13设计方法设计矿料级配,优化选用沥青用量,通过掺入导电相材料例如石墨、碳纤维和钢渣可以获得同时具备优良路用性能和电学性能的导电沥青混凝土。研究了掺加不同导电相材料的导电沥青混凝土的电阻率随导电相材料掺量的变化情况,并进行了对比分析。电阻率试验测试结果表明：石墨对于提升电阻率效果最好,碳纤维其次,钢渣最差；导电相材料复合掺加时导电效果改善作用显著,石墨可以作为主要的导电材料,利用碳纤维较大的长径比所具有的导电桥梁作用和导电通路短接的优点,添加少量碳纤维作为辅助导电材料,同时钢渣代替部分集料可以起到增强作用。通过试验研究不同石墨掺量下石墨导电沥青混凝土的马歇尔稳定度。通过饱和浸水残留稳定度试验对石墨导电沥青混凝土的水稳定性能进行研究。通过车辙试验对石墨导电沥青混凝土的高温稳定性能进行研究。试验测试结果均满足规范要求,石墨导电沥青混凝土可以作为一种新型的路面材料使用。通过建立石墨导电沥青混凝土温度场的有限元模型,利用ANSYS有限元分析软件计算了石墨导电沥青混凝土在一定温度下的电热效应温度场分布,且与试验测试结果和通过能量守恒计算出的理论结果进行了对比分析,验证了有限元计算的可靠性,然后通过有限元计算分析了不同环境因素对导电沥青混凝土融雪化冰效果的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 导电沥青混凝土融雪化冰研究背景及意义
• 1.2 导电沥青混凝土的研究现状及应用前景
• 1.3 研究内容
• 第二章 导电沥青混凝土的材料组成与设计
• 2.1 原材料
• 2.1.1 沥青
• 2.1.2 集料
• 2.1.3 填料（矿粉）
• 2.1.4 导电相材料
• 2.2 配合比设计
• 2.2.1 沥青混合料结构类型
• 2.2.2 试验级配
• 2.2.3 沥青用量优选
• 第三章 导电沥青混凝土的电学性能和路用性能
• 3.1 导电沥青混凝土的电学性能
• 3.1.1 导电相掺量与导电性能
• 3.1.2 温度变化对石墨导电沥青混凝土电阻的影响
• 3.1.3 压力变化对石墨导电沥青混凝土电阻率的影响
• 3.1.4 时间变化对石墨导电沥青混凝土电阻率的影响
• 3.2 导电沥青混凝土的路用性能
• 3.2.1 马歇尔稳定度
• 3.2.2 水稳定性试验
• 3.2.3 高温稳定性能试验
• 第四章 导电沥青混凝土融雪化冰有限元模拟
• 4.1 导电沥青混凝土融雪化冰有限元模拟前人研究成果综述
• 4.2 有限元分析前处理
• 4.2.1 材料参数的选择
• 4.2.2 模型的建立
• 4.2.3 网格划分
• 4.2.4 初始条件和边界条件
• 4.3 有限元计算可靠性分析
• 4.3.1 理论计算结果与有限元分析结果对比
• 4.3.2 有限元计算结果与实验实测结果对比分析
• 4.4 外部环境对导电混凝土融雪化冰效果的影响
• 4.4.1 输入功率与化冰时间的关系
• 4.4.2 冰层厚度与输入功率的关系
• 4.4.3 环境温度与输入功率的关系
• 4.4.4 风速与化冰时间的关系
• 4.4.5 有无隔热层的情况分析
• 4.5 内部因素对导电混凝土融雪化冰效果的影响
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果