瀝青與礦料界面作用機理及多尺度評價方法研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、傳統(tǒng)瀝青路面材料研究集中在單質(zhì)材料的性能和摻配比例設(shè)計,而異相材料間的界面相常常因為不易捕捉或復(fù)雜多變而被忽略。但實際經(jīng)驗表明界面相容易產(chǎn)生缺陷、發(fā)生應(yīng)力集中顯著影響著整體材料的壽命。瀝青與礦料的交互作用是產(chǎn)生界面相的直接因素?;谝陨显?,本研究通過分子動力學(xué)模擬、物理化學(xué)表征、動態(tài)力學(xué)分析、宏觀界面測試等技術(shù),從納米、微米、毫米多個尺度對瀝青混合料的界面交互作用機理及評價方法進行了研究。主要的研究工作包括以下幾點:
  從納米

2、級尺度對瀝青在礦料表面的吸附行為進行了研究。通過分子動力學(xué)模擬技術(shù)對瀝青四組分和集料五種代表性礦物晶體進行了模型構(gòu)建及合理性驗證,進一步建立了瀝青-礦料界面系統(tǒng)模型,對界面吸附、擴散行為進行了分子尺度模擬。結(jié)果表明:范德華力在粘附功中占主導(dǎo)作用,庫侖靜電力較弱,礦料成分對粘附功的影響大小排序為:CaO>MgO>SiO2>Al2O3>Fe2O3,瀝青四組分對粘附功的影響大小排序為:芳香分>瀝青質(zhì)>膠質(zhì)>飽和分,升高溫度會提高瀝青與礦料界面

3、粘附功、加快瀝青組分擴散速率使其分布更加均勻;瀝青各組分在Al2O3表面的擴散速度要大于其余礦物晶體,CaO表面瀝青各組分擴散系數(shù)的溫度敏感性最大,瀝青中各組分擴散速率大小排序為:飽和分>芳香分>膠質(zhì)>瀝青質(zhì);交互作用使得瀝青四組分在垂直礦物表面方向上的濃度峰值高于平行礦物表面方向,峰值分布位置驗證了瀝青膠體結(jié)構(gòu)模型:膠質(zhì)包裹瀝青質(zhì)形成瀝青質(zhì)膠團分散在輕質(zhì)油分中。
  從微觀尺度對瀝青在礦料表面的吸收行為開展了研究。通過設(shè)計試驗及

4、微納觀表征技術(shù)提出了結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青的分界標準,并對二者進行了分離及相應(yīng)的力學(xué)、化學(xué)分析,揭示了瀝青在礦料表面的吸收機理。結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)瀝青厚度在1μm左右,該厚度以內(nèi)瀝青模量顯著提高,表面蜂巢結(jié)構(gòu)消失;甲苯作用會分散瀝青的組成結(jié)構(gòu),加速瀝青的老化,從而導(dǎo)致瀝青復(fù)數(shù)模量的升高;礦粉對于膠漿模量增強的貢獻主要是靠礦粉顆粒本身的強度,而不同種材料之間的增強程度差異主要是由于礦粉與瀝青間交互作用水平不同所致;由于界面交互作用導(dǎo)致的瀝青模量改

5、變在高溫或低頻時更加顯著;礦粉更易吸收瀝青中的極性組分,如瀝青質(zhì),且石灰?guī)r比花崗巖的吸收能力更強;礦料表面的比表面積等物理性質(zhì)是決定吸附瀝青總量的主要因素,而礦物組成等化學(xué)性質(zhì)會影響吸附層厚度。
  從微米級尺度對瀝青與礦粉交互作用評價方法進行了研究。通過動態(tài)力學(xué)分析手段對不同種瀝青與瀝青膠漿的流變參數(shù)進行了測定,計算得到了瀝青與礦粉間的交互作用水平;對交互作用參數(shù)進行了對比和改進;對瀝青與填料間的交互作用影響因素進行了詳細分析;

6、建立了瀝青-礦粉間交互作用水平與瀝青膠漿粘彈特性之間的關(guān)系。結(jié)果表明:改進后的基于Palierne理論模型的交互作用參數(shù)C值靈敏度更高,更具統(tǒng)計學(xué)意義;溫度升高,瀝青中極性組分含量增多,礦粉比表面積變大,礦粉粒度組成變細,SiO2含量降低均會使得瀝青與礦粉的交互作用能力增強;在25℃-45℃范圍內(nèi)時,復(fù)數(shù)模量、車轍因子和疲勞因子與交互作用參數(shù)C值之間具有十分顯著的線性關(guān)系,在15℃和55℃時,線性關(guān)系顯著,瀝青膠漿的平均相位角只有在25

7、℃和35℃時,與交互作用參數(shù)C值具有顯著的線性關(guān)系。
  從毫米級尺度對瀝青與集料交互作用評價方法開展了研究。開發(fā)了一套評價瀝青與集料交互作用能力的測試系統(tǒng),提出了相應(yīng)指標IP值并驗證了有效性,實現(xiàn)了瀝青與集料間交互作用能力的量化;利用該系統(tǒng)分析了瀝青-普通集料和瀝青-人造再生集料間交互作用能力的影響因素;對交互作用水平與界面剪切性能之間的關(guān)聯(lián)性進行了分析。結(jié)果表明:提高溫度或延長界面作用時間可以提高瀝青-人造再生礦料間的交互作用

8、能力;瀝青與普通集料的交互作用能力隨服役時間的延長呈先增加后下降的趨勢,石灰?guī)r與瀝青之間的最大交互作用水平強于花崗巖;當(dāng)測試頻率為5Hz或1Hz時,交互作用水平與界面抗剪切能力之間有著顯著的相關(guān)性。
  從納米、微米、毫米多尺度對交互作用尺度關(guān)聯(lián)性進行了研究?;诜肿觿恿W(xué)模擬技術(shù)和表面能方法分別從分子尺度、礦粉尺度和集料尺度對瀝青與礦料之間的界面粘附功進行了測算,分析了界面粘附功的尺度相關(guān)性;通過動態(tài)力學(xué)分析和界面測試系統(tǒng)分別對

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