基于分子动力学模拟技术的生物质油改性沥青微观性能研究

为了进一步验证生物质油改性沥青在沥青路面中应用的可行性,将不同掺量的生物质油掺入沥青中,借助分子动力学技术及宏观试验研究了生物质油对沥青微观技术性能的影响及机理。引入内聚能密度和Hansen溶解度等微观评价指标,以动态模量-内聚能密度关系验证沥青模型的合理性,进而研究包括微观杨氏模量、微观泊松比、微观黏度和溶解度参数在内的微观性能。研究表明,基于甘油三酯(TG)平均分子结构获得的生物质油改性沥青分子模型具有良好的可靠性;在微观尺度下,沥青材料的内聚能密度越大,沥青中各分子之间的黏结也越牢固,宏观上表现出更强的抗剪切变形能力;而掺量逐步增大的生物质油会使沥青模型的杨氏模量和泊松比有所降低,在一定载荷下,生物质油的掺入会使沥青变得更加柔和,其在水平方向的变形也会更小;同样,沥青模型的黏度也会随着生物质油掺量的增加而有所降低。另外,计算了SBS改性剂、生物质油及沥青的Hansen溶解度参数,结果证实了SBS与沥青的储存稳定性差的微观机理在于两者的Hansen溶解度参数相差较大,同时,相比于SBS改性剂,生物质油的Hansen溶解度参数与沥青更为接近。从微观机理上可以推断,生物质油改性沥青的储...     

费托蜡温拌沥青结合料相容性的评定方法

用溶解度参数计算、离析软化点差值测试、差示扫描量热分析和原子力显微镜微观扫描等方法对比研究了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)和费托蜡(Sasobit)改性(温拌)剂与70#A基质沥青间的相容性。结果表明,溶解度参数δ不能体现分子量对聚合物相容性的影响,且沥青和某些改性剂均为高分子量的多相结构,共混后的结构复杂,不能简单地将改性沥青当作一个整体。因此,不能使用Hildebrand理论计算公式评价改性剂与基质沥青间的相容性。Sasobit的加入不仅提高了基质沥青的玻璃化转变温度,还明显改变了基质沥青吸热峰曲线的形状,因而与基质沥青良好相容。SBS和Sasobit复合改性剂的加入,大大降低了改性剂与基质沥青间的相容性。     

多聚磷酸与SBS复合改性沥青的改性机制

为研究多聚磷酸(PPA)与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)复合改性沥青的微观结构和改性机制,对不同掺量(质量分数)的PPA和SBS复合改性沥青样品分别进行了四组分试验、红外光谱试验、荧光显微试验和差示扫描量热试验。结果表明:随着PPA掺量的增加,沥青质含量增多,胶团之间的作用力增强,促使沥青由溶胶结构转变为溶-凝胶结构,提高沥青的黏度;在SBS改性沥青中加入PPA,可增强SBS之间的交联作用及SBS与沥青之间的接枝作用,加强SBS改性沥青的空间网状结构,促使SBS更好地相容于沥青中,改善其高温储存稳定性,并促使SBS分散为细小颗粒,增强溶胀作用,利于SBS发挥改性效果;在低SBS掺量改性沥青中加入PPA,形成的网络结构要优于高SBS掺量单独改性;加入PPA对沥青的玻璃化转变温度没有明显影响,表明PPA对SBS改性沥青的低温性能影响较小。     

SBS改性沥青相态结构的参数化表征方法

聚合物改性沥青是典型的两相共混物,相态结构分析是研究其改性机理和改性效果最直接、最有效的方法。为参数化表征SBS改性沥青的相态结构,通过荧光显微系统对沥青观测样本进行图像采集,运用专业软件对荧光显微图像进行预处理并提取聚合物相显微形态参数,对4种典型的显微形态参数长短轴之比最大值、面积百分率、分形维数、最大面积代表值进行量化分析。结果表明:最大面积代表值较其他参数更适合表征SBS改性沥青的相态结构。当聚合物最大面积代表值小于2500μm2时,改性沥青一般形成沥青相连续而聚合物相分散结构;当最大面积代表值大于15000μm2时,一般形成聚合物相连续而沥青相分散结构,即网络结构。荧光显微分析为SBS改性沥青相态结构的参数化表征提供了技术手段。     

多聚磷酸及多聚磷酸-SBS改性沥青低温性能

基于弯曲流变试验(BBR)并结合DSC试验测得的玻璃化转移温度,对不同掺量的多聚磷酸(PPA)改性沥青和乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)-PPA复合改性沥青的低温性能进行了研究。用单因素方差法分析了不同温度下,PPA掺量对沥青低温性能的影响。利用荧光显微镜观察并分析了SBS-PPA复合改性沥青的相态结构特征。结果表明:PPA的加入对基质及复合改性沥青的低温性能有所提高,且随着PPA掺量的增加,对低温抗裂性能的改善越好,但随着温度的降低,低温改善效果逐渐减小。不同温度下,PPA对基质沥青低温性能的影响程度不同,在-18~-12℃时,对基质沥青低温性能的改善较显著,而在-30~-24℃时,对基质沥青低温性能的改善不显著;对于SBS-PPA改性沥青,不同温度下,PPA对其低温性能的改善均不显著。SBS-PPA改性沥青的低温抗裂性能优于PPA改性沥青,PPA的添加可以有效促使SBS分散为细小颗粒,并在沥青中的分布变得更加均匀,使SBS改性沥青的储存稳定性和空间网状结构得到有效改善。     

SBS改性沥青性能影响因素研究

基于SBS改性沥青的三大指标及储存稳定性分析,采用理论与实验相结合的方法,分别从SBS改性机理、SBS型号、基质沥青标号、无机填料、改性沥青加工工艺及老化等方面对SBS改性沥青性能的影响进行深入分析。结果表明,在SBS与基质沥青充分溶胀的前提下,星型SBS改性沥青性能要优于线型SBS改性沥青;基质沥青的标号越高,SBS对基质沥青的改善效果就越明显,并且受到SBS掺量的限制;无机填料可以显著提高SBS改性沥青的硬度和高温稳定性;合理控制SBS改性沥青加工温度和加工时间,均有利于SBS对基质沥青改性作用的发挥;SBS能够显著提高改性沥青的耐老化性能。     

不同沥青结合料水损害的纳米尺度研究

为了从微观尺度分析不同沥青结合料的抗水损害性能,分别制备了不同状态下(干燥/潮湿、原样/老化)的70#A基质沥青、SBS改性沥青、Sasobit温拌沥青和橡胶改性沥青试样,采用原子力显微镜(AFM)分析了各试样的表面特性,测试了沥青与矿料间的粘附力值。结果表明:干燥状态下,基质沥青与矿料间的粘附力大于改性沥青,但其测定结果的离散程度和波动性最大。潮湿状态下,原样基质沥青、Sasobit温拌沥青和橡胶改性沥青的粘附力值均有不同程度的下降,原样SBS改性沥青的对应值有较大的提高,原样SBS改性沥青具有较好的抗水损能力。沥青老化过程极大地降低基质沥青的抗水分侵蚀能力,基质沥青对水分更敏感,更易产生水损害;沥青老化也会降低SBS改性沥青的抗水损能力。     

盐冻循环条件下两种沥青的微观结构及高低温性能

利用原子力显微镜(AFM)、动态剪切流变仪(DSR)和弯曲梁流变仪(BBR)对冻融循环前后的基质沥青和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)改性沥青进行了微观结构观测和高低温性能测试。试验结果表明:经冻融循环后,沥青"蜂形"结构的数量和尺寸出现不同变化,基质沥青中沥青质含量增加且分散状况变差,SBS改性剂三维网状结构遭到破坏;基质沥青的高温性能有所提升,抗疲劳性能降低,SBS改性沥青的高温性能降低,抗疲劳能力提升;融雪盐浓度增大在一定程度上降低了基质沥青的低温抗裂能力,融雪盐浓度为4wt%时,SBS改性沥青的低温抗裂能力得到提高。SBS改性沥青高低温性能总体上优于基质沥青,建议北方等寒冷地区尽量选用SBS改性沥青作为路面材料。     

橡胶粉/SBS复合改性沥青胶结料的制备与性能研究

选择70#道路石油沥青作为基质沥青,将3%(质量分数)SBS和不同掺杂含量(5%,10%,15%和20%(质量分数))的橡胶粉作为改性剂掺入基质沥青,制备了橡胶粉/SBS复合改性沥青胶结料。通过针入度、软化点、延度和粘度等指标,研究了橡胶粉掺杂含量对复合改性沥青性能的影响,确定了其最佳掺杂量。采用荧光显微镜观察样品的荧光图像,借助傅里叶红外光谱(FT-IR)对样品的改性机理进行分析,采用室内热氧化老化试验研究了样品的抗老化性能。结果表明,当橡胶粉的掺杂量为15%(质量分数)时,复合改性沥青的针入度较低,软化点、延度和粘度均达到最大值,分别为64.8℃,18.1 cm和751 Pa·s,且复合改性沥青的颗粒细小,SBS和橡胶粉分散良好,没有发生明显的交联;FT-IR分析发现,复合改性沥青的吸光度随着橡胶粉掺杂量的增加而降低,特征峰的位置没有发生改变,复合改性沥青没有产生新物质,改性过程属于物理改性;老化性能测试发现,橡胶粉/SBS复合改性沥青的效果优于SBS改性沥青,随着橡胶粉掺杂量的增加,复合改性沥青的抗老化性能先增大后降低,当橡胶粉的掺杂量为15%(质量分数)时,抗老化性能最佳。     

氧化石墨烯改性沥青结合料的性能

为了研究氧化石墨烯(GO)改性沥青结合料的性能,分别利用质量分数为0%、0.02%、0.05%和0.08%的GO掺加到AH-70#沥青和SBS改性沥青结合料中进行黏度实验,以及针入度、软化点和延度等3大指标实验和动态剪切流变(DSR)、多应力恢复蠕变(MSCR)、弯曲梁流变测试(BBR)等实验。结果表明:加入GO可显著提高沥青结合料的黏度、高温稳定性和抗车辙能力,但对低温抗裂性影响并不显著;明显降低沥青结合料的针入度,提高其软化点,但对延度的影响不大;不会明显改变沥青结合料的玻璃化转变温度,但可显著提高其交联密度;对基质沥青的改性效果优于SBS改性沥青,最佳掺量分别为0.05%和0.2%。     

石墨烯/SBS复合改性沥青性能研究

借助控制变量法研究工艺参数对复合改性沥青性能的影响,以确定复合改性沥青的最佳制备工艺。而后,研究了石墨烯对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青物理性能、贮存稳定性、低温性能、抗老化性能及流变性能的影响。利用荧光显微镜对石墨烯/SBS复合改性沥青改性机理进行分析。结果表明：石墨烯/SBS复合改性沥青的最佳制备工艺为：剪切速率4000r/min、剪切温度180℃、剪切时间70min。石墨烯的掺入显著地改善了SBS改性沥青的高温性能、抗老化性能及贮存稳定性,但对低温性能略有不利影响;石墨烯/SBS复合改性沥青中石墨烯的最佳掺量为0.06%;石墨烯插入SBS网状结构之间,并与SBS小分子相互缠结,产生稳定的物理交联,使高温下沥青分子链段活动性受阻,从而改善沥青性能。     

多聚磷酸复配SBS改性沥青微观结构特性评价

利用傅里叶红外光谱仪(IR)、原子力显微镜(AFM)与动态剪切流变仪(DSR)对多聚磷酸(PPA)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、PPASBS改性的三种沥青和基质沥青进行了表征测试。结果表明:PPA加入到基质沥青中会生成新的酯类化合物,PPA及PPASBS改性沥青均在800～1 000 cm~(-1)波段出现了新的混合吸收峰,说明PPA与基质沥青、SBS改性沥青均发生了新的化学反应;通过AFM观察PPA、SBS、PPASBS改性沥青的三维形貌图可以发现,三种改性沥青表面比基质沥青要粗糙、崎岖,其中PPASBS改性沥青表面最粗糙。同时PPA改性沥青与PPASBS改性沥青的峰区高于基质沥青与SBS改性沥青,三种改性沥青峰区数量均较基质沥青多。通过均方根粗糙度R_q、峰密度指数S_(ds)、表面承载系数S_(bi)三个指标对四种沥青的AFM三维形貌图观测结果进行了验证,验证结果表明PPASBS改性沥青具有最大硬度,DSR结果也表明其具有较好的高温抗变形能力;通过层次分析法(AHP)对评价四种沥青表面粗糙程度的三个指标进行了对比,发现表面承载系数S_(bi)具有最大权重0. 571 4,建议在利用AFM表征沥青表面粗糙程度时,使用Sbi更加真实、确切。     

多聚磷酸改性沥青表面形态学与流变学特性

为了研究多聚磷酸(PPA)改性沥青的宏观和微观性能,基于表面形态学与流变学原理,利用原子力显微镜(AFM)与动态剪切流变仪(DSR)对基质沥青、4%苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性沥青(SBS与基质沥青的质量比)和2%PPA改性沥青(PPA与基质沥青的质量比)进行研究。利用AFM测出三种沥青的形貌图与相位图,发现:PPA改性沥青的蜜蜂结构尺寸略大于基质沥青与SBS改性沥青,PPA改性沥青的整体图像明亮度也大于基质沥青与SBS改性沥青。通过表面承载系数(Sbi)与峰密度(Sds)分析得出,PPA改性沥青硬度较高,且表面更为均一。利用DSR对上述三种沥青进行测试,通过复数剪切模量(G*)、相位角(δ)和车辙因子(G*/sinδ)三个参数分析得出,PPA改性沥青具有更好的高温抗变形能力。     

高模量温拌改性剂对沥青基本指标和疲劳性能影响研究

为评价高模量温拌改性剂对基质沥青基本指标和疲劳性能的影响,在70#基质沥青中掺入不同剂量改性剂,采用动态剪切流变仪(DSR)对试验沥青进行动态扫描试验研究。首先制备了不同掺量高模量温拌改性剂改性沥青,随后评价其基本性能,并通过布氏粘度试验分析不同沥青的拌和温度与压实温度;再采用DSR对不同掺量高模量温拌改性剂改性沥青进行线性振幅(LAS)扫描试验和时间扫描试验。通过LAS试验和粘弹性连续损伤(VECD)模型分析不同掺量(0%,2%,3%,4%)改性沥青和SBS改性沥青的疲劳特性;基于动态扫描试验,应用耗散能原理探究不同掺量改性剂对沥青疲劳性能,同时把不同掺量改性70#沥青与SBS改性沥青的试验结果进行比对,并分析了改性剂的作用机理。试验结果表明：随着高模量温拌改性剂掺量增加,软化点增加,针入度和延度减少,3%掺量改性沥青软化点稍优于SBS沥青;改性沥青粘度随着改性剂增加先减后增,改性后沥青的拌和、碾压温度与70#基质沥青相当,均远小于SBS改性沥青,即改性后的沥青有良好的温拌效果;高模量温拌改性剂可不同程度提高沥青的疲劳性能,合适掺量改性沥青疲劳性能可与SBS改性沥青相当,高模量温拌改...     

反应性弹性体三元共聚物改性沥青及其混合料性能与机制

采用黏度试验和动态剪切流变试验研究了反应性弹性体三元共聚物（RET）对基质沥青与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青性能的影响,通过原子力显微镜（AFM）分析了SBS改性沥青和RET-SBS改性沥青的表面形貌特征,并采用车辙试验、低温弯曲试验、弯曲疲劳试验及加速加载试验评价了RET改性沥青混合料的各项技术性能,最后通过Weibull分布,分析了不同RET改性沥青混合料在不同失效概率下的疲劳性能。结果表明：RET的掺入提高了沥青的黏度和抗车辙因子,对沥青的高温性能有较大改善;通过掺入RET-SBS,增加了改性沥青中的黏性成分;相较于SBS改性沥青,RET-SBS改性沥青的表面粗糙度显著增大;RET改性剂能够明显改善沥青混合料的高温稳定性;RET与SBS改性剂复配,可有效弥补RET对沥青混合料低温性能的不足,明显改善沥青混合料的疲劳性能和高温长期稳定性。     

RET复配胶粉改性沥青流变特性与改性机理研究

采用动态剪切流变、重复蠕变和弯曲梁流变等试验,对胶粉、RET以及RET复配胶粉改性沥青在高低温状态下的流变特性进行了系统研究,并与SBS、SBR改性沥青进行了对比。通过DSC试验分析了RET复配胶粉、SBS、SBR等改性沥青的改性机理。结果表明:相比于SBS改性沥青,RET复配胶粉能够显著改善沥青的高温抗变形能力;SBS可大幅提高沥青的弹性变形恢复能力,而RET复配胶粉显著增加了沥青的粘度;通过RET复配胶粉,可有效改善RET改性沥青的低温性能;RET复配胶粉可以减小基质沥青的热流率,相比于SBS、SBR改性沥青,其玻璃态转化温度较低,热稳定性相对较好。     

聚氨酯预聚物改性沥青的制备及其流变行为

为了赋予基质沥青良好的物化性能,增强其在不同环境条件下的适应性,采用聚氨酯预聚物对基质沥青进行改性。基于选择的原材料,首先采用正交试验和直观分析法确定了聚氨酯预聚物改性沥青的最佳制备工艺参数,在此基础上,通过分析聚氨酯预聚物掺量对改性沥青3大指标、韧性、存储稳定性和粘度指标的影响,确定了聚氨酯预聚物改性剂的最佳掺量。其次,借助动态剪切流变试验(DSR)和弯曲梁流变试验(BBR),对比分析了聚氨酯预聚物改性沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青和基质沥青的流变行为。试验结果表明,聚氨酯预聚物改性沥青的最佳制备工艺参数为单位制备量400 g、剪切速率4 000 r/min、剪切温度150℃和剪切时间40 min;综合考虑改性沥青3大指标、韧性、存储稳定性、粘度指标和经济性,推荐聚氨酯预聚物改性剂最佳掺量为6%;较其它3种沥青,聚氨酯预聚物改性沥青在52～82℃温度区间内具有最优的高温性能,但其对温度的敏感性最强。同时,聚氨酯预聚物改性沥青在交变应力作用下的弹性性能略低于弹性性能最优的SBS改性沥青。此外,聚氨酯预聚物改性沥青的低温流变性能略低于低温性能最优的SBR改性沥青。     

沥青及沥青砂浆盐冻性能的灰色关联熵分析

盐冻循环极易引起沥青路面出现早期破坏,影响行车质量,导致路面使用寿命降低。对基质沥青、SBS改性沥青和胶粉改性沥青盐冻循环前后的3个基本指标(针入度指数、当量软化点和延度)进行了测试;对经历不同盐冻循环的基质沥青砂浆、SBS改性沥青砂浆和胶粉改性沥青砂浆试件进行单轴压缩蠕变试验;采用灰色关联熵分析法对盐冻融循环前后影响沥青及沥青砂浆性能的各因素进行了分析。结果表明,盐冻循环各因素对沥青的基本指标有一定影响,但是沥青自身基本指标对沥青使用性能影响更大;盐冻循环对沥青砂浆的力学性能影响明显,其中融雪剂溶液浓度对沥青砂浆力学性能影响最大;因此,在昼夜温差大或者北方寒冷地区修建道路时,要严格控制沥青基本指标和融雪剂的使用量以减少对路面结构的损坏。     

基于流变学的CNTs/SBS复合改性沥青性能及储存稳定性研究

为了探究碳纳米管(CNTs)对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青的高低温性能及储存稳定性的改善效果,采用动态剪切流变试验(DSR)与弯曲梁蠕变试验(BBR)对CNTs/SBS复合改性沥青的流变特性进行评价,并基于软化点差值、流变学指数和荧光显微镜图像分析胶结料中聚合物分散状态。结果表明：CNTs加入后进一步增强了SBS改性沥青的高温抗车辙性能,且随CNTs掺量增加,高温性能逐步提升。CNTs的加入对改性沥青低温蠕变性能有不利影响,1.0%CNTs掺量下复合改性沥青更具性能效益。CNTs可以显著地提升SBS在沥青中的分布状态,CNTs与SBS形成均匀网状结构,在提升储存稳定性的同时具备增强沥青抗变形的能力,且CNTs的最佳掺量为1.0%。     

SBS改性沥青高温流变性能与相态结构的关系

为量化表征SBS改性沥青网络化程度,确定控制其高温性能的形态学参数,采用荧光形态学方法、多重应力蠕变回复试验、频率扫描试验分别对5种掺量、6个剪切时间的线型SBS改性沥青在64℃下的荧光数字图像、不可恢复蠕变柔量、频率敏感性进行了定量分析。结果表明:通过增大改性剂掺量、延长剪切时间,SBS改性沥青高温流变性能得到改善。SBS掺量低于5%时,仅靠延长剪切时间无法形成网络结构;相同剪切时间下,增大SBS掺量即可形成网络结构。本文选取图像连通域和面积比率共同描述SBS改性沥青的相态变化特征,并建立了流变指标与形态学参数间的关系模型,为直接利用形态学方法预估、评价改性沥青高温性能提供理论依据。