煤矸石粉与沥青的交互作用评价及其微观机理研究

矿料与沥青的交互作用决定着沥青混合料的路用性能,为了评价煤矸石粉与沥青的交互作用能力并揭示交互作用机理,利用动态剪切流变仪(DSR)对煤矸石粉沥青胶浆的流变性能进行了测试,运用广义sigmoidal函数和WLF方程构建了沥青胶浆动态剪切模量主曲线。基于Palierne模型系数C对煤矸石粉与沥青的交互作用进行评价,提出了参数拟合法以减弱C值对煤矸石粉体积分数的依赖性,借助扫描电镜和原子力显微镜对交互作用的微观机理进行了分析。研究结果表明：通过交互作用评价系数C值比较得出煤矸石粉与沥青的交互作用强于石灰岩粉,煤矸石粉的粗糙表面及开口孔隙更容易与沥青形成嵌锁的界面结构,煤矸石粉与沥青发生交互作用后产生更多数量的“蜂状结构”,形成了密集交织的网状结构体系,从而使煤矸石粉与沥青具有更强的交互作用。     

基于关联性的玄武岩纤维沥青胶浆及其混合料性能研究

为全面提升玄武岩纤维沥青混合料性能,研究了纤维类型及玄武岩纤维长度、掺量等因素对沥青胶浆抗裂性能、抗剪性能及流变特性的影响规律;基于纤维胶浆与纤维沥青混合料性能的关联性分析,揭示了玄武岩纤维对沥青混合料性能的细观增强机制。结果表明:玄武岩纤维对沥青胶浆的抗裂性能及流变特性影响显著,其极限拉力和车辙因子分别达到原沥青胶浆的4.5倍及1.08倍;纤维沥青胶浆高温流变特性与其沥青混合料高温稳定性变化规律存在差异,而前者抗裂性能与后者低温抗裂性能关联性较强;玄武岩纤维与沥青胶结料、集料之间形成三维网状结构,有利于抑制裂缝扩展。     

复掺钢丝绒纤维/水镁石纤维沥青胶浆性能研究

通过改变纤维总掺量和两种纤维的体积比,采用延度试验、锥入度试验、布氏旋转粘度试验和动态剪切流变试验研究了混杂纤维沥青胶浆的低温延展性能、抗剪切性能、粘度特性及高温流变特性,同时借助扫描电镜(SEM)对其试样断面进行观察分析。结果表明:沥青胶浆的低温延展性随纤维掺量的增大而降低;在6%纤维总掺量范围内,随着纤维掺量的增大粘度逐渐增大,且增大的幅度减小;当钢丝绒纤维与水镁石纤维体积比为6/4时,沥青胶浆的车辙因子(G*/sinδ)、抗剪强度达到最佳值;将两种纤维混杂掺入沥青胶浆中,充分分散,其与沥青粘结良好,发挥了增粘和桥接作用,提高了沥青胶浆的整体稳定性和抵抗永久变形的能力。     

基于细观力学的沥青混合料动态模量预测

为了建立能够表征组分材料性能及细观结构特征的沥青混合料动态模量预测模型, 根据复合材料细观力学理论, 将沥青混合料视为由沥青胶浆包裹的集料颗粒嵌入于有效沥青混合料介质中的复合材料, 考虑集料尺寸、级配组成和空隙的影响, 建立了沥青混合料动态模量三相细观力学预测模型。结合组分材料性能研究, 应用该预测模型求解得到了动态模量, 其与试验值比较结果表明, 预测值较试验值小, 产生此差异的原因可归结为模型的适用条件与真实细观结构的差别;据此对预测模型进行了修正, 提出了考虑沥青膜厚度的动态模量细观力学分析方法;鉴于集料与沥青胶浆之间的力学特性差异, 简化了预测模型求解参数, 给出了参数值的范围。     

基于测力-延度曲线分析的沥青胶浆低温流变性能评价指标

研究沥青胶浆低温性能对于优化沥青混合料抗裂设计具有重要意义。本研究定性分析了两种基质沥青及其改性沥青的测力延度试验的力-延度曲线特征;在此基础上,开展在固定粉胶比条件下不同温度和不同拉伸速率下的力-延度曲线特征研究,进而探索不同粉胶比下沥青胶浆低温性能评价指标演化规律;运用离差最大化法计算沥青胶浆低温性能评价指标权重,借助弯曲梁流变仪验证低温性能评价指标的合理性。研究结果表明,10℃、5 cm/min可作为沥青胶浆测力延度试验测试条件,其峰值力演化符合指数函数模型;基于沥青与填料交互作用,确定填料在沥青胶浆中的临界体积分数为33.07%～37.07%,该条件下混合料断后伸长率与弯曲梁试验低温性能评价指标存在较好的相关性且权重最大,可作为沥青胶浆低温性能评价指标。     

矿粉性能及其对浇注式沥青胶浆高温性能的影响分析

浇注式沥青混合料的矿粉含量较高,0.075 mm筛孔通过率为20%～30%,为满足混合料施工流动性而确定矿粉用量后,可提高其高温稳定性的措施除了沥青结合料,主要取决于矿粉的质量。通过六种矿粉样本的性能测试,并与浇注式沥青混合料常用的聚合物复合改性沥青配制沥青胶浆,进行200℃旋转黏度及60～95℃的动态剪切流变试验。基于随机森林法,对与沥青胶浆性能相关的矿粉关键性能指标影响程度进行分析,并建立两者之间的相关性,最后采用遗传算法,确定了沥青胶浆性能在较优条件下的沥青和矿粉关键指标组合取值范围。结果表明,同为石灰岩磨制的矿粉,化学组成差异较大,其塑性指数、细度及比表面积有一定的相关性,并与SiO₂含量成为矿粉性能的四项关键指标,其中比表面积对沥青胶浆的车辙因子及黏度影响最大;当聚合物复合改性沥青的指标软化点为113～117℃、针入度为20.3～21(0.1 mm)、黏度为87 3.9～893.7 MPa·s时,矿粉的比表面积控制在1.7～1.8 m²/g、细度D50控制在10～12μm、塑性指数控制在2.6～5、SiO₂含量...     

基于离散元方法的沥青混合料抗裂性能分析

为了研究沥青结合料性质、集料表面特性和加载条件对沥青混合料抗裂性能的影响,利用离散元方法生成马歇尔数字试件,以伺服控制机理施加荷载,分析了粘结刚度比、粘结强度比、颗粒摩擦系数和加载速率4种细观参数对应力-应变曲线、劈裂强度、配位数和微裂缝的影响,给出了荷载作用后试件内部颗粒的细观响应。模拟结果表明:粘结强度比引起劈裂强度、配位数和微裂缝数的变异性最大,劈裂强度和配位数的变异系数分别为56.9%和5.9%,微裂缝数相差43条,加载速率引起劈裂强度、配位数和微裂缝数的变异性最小,劈裂强度和配位数的变异系数分别为2.3%和1.7%,微裂缝数仅相差1条,从细观角度验证了沥青结合料性质对沥青混合料抗裂性能的贡献率占主导地位。     

脱油沥青复合改性沥青混合料性能评价研究

利用脱油沥青(DOA)生产道路沥青是行之有效的技术方案。考察了制备方式对DOA/苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)复合改性沥青混合料性能的影响,评价了复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及疲劳性能,并分析了其经济性。结果表明,掺入DOA能提高沥青混合料的高温性能,但对混合料的低温抗裂性、疲劳性能和水稳定性有消极影响;DOA改性沥青与SBS复合后,混合料的低温性能、水稳定性及疲劳性能均有所改善,高温性能更为优异。综合考虑混合料的路用性能,确定合理的DOA掺量为20%(质量分数)。DOA/SBS复合改性沥青不但保证了路用性能要求,而且还能有效地降低成本,经济效益显著,可以应用于公路工程。     

高粘沥青胶浆动态剪切流变特性

针对探索不同类型的高粘沥青胶浆动态剪切流变特性,有利于完善多孔沥青混合料配合比设计。分析材料组成、粉胶比、温度等对高粘沥青胶浆动态剪切流变特性的影响,结果表明,沥青粘度高、矿粉比表面积大,形成的高粘沥青胶浆相位角相对较小,抗车辙因子较大;与矿粉类型相比,沥青性质对胶浆抗车辙因子影响显著,对改善胶浆抗高温变形能力起主导作用;粉胶比增大,抗车辙因子随之增大,并随温度变化呈幂函数关系变化趋势。提高改性沥青粘度或增大矿粉比表面积,均可有效降低高粘沥青胶浆抗车辙因子的温度敏感性,改善高粘沥青胶浆高温抗变形性能。     

细粒式薄表层沥青混合料中粗集料的骨架特性

为研究薄表层沥青混合料的骨架特性,同时为保证公称最大粒径9. 5 mm(UTL-10)矿料级配的稳定性,在4. 75 mm与9. 5 mm筛孔中间增设7. 5 mm筛孔,通过捣实密度试验分析了不同粗集料配比的集料骨架间隙率(VCA)。同时,提出了利用粗集料-沥青胶浆试件的单轴贯入试验来研究不同组合的粗集料抗剪强度相关参数,确定了薄表层粗集料的级配设计控制指标,最终给出了薄表层粗集料的推荐配比范围。结果表明:集料内摩阻角φ能够很好地反映粗集料级配的骨架强度稳定性;采用VCA和内摩阻角φ双重指标可以有效控制薄表层沥青混合料的粗集料配比设计;公称最大粒径为13. 2 mm(UTL-13)矿料级配三档集料含量的推荐范围分别为12. 5%～22. 2%,37. 5%～44. 4%,33. 3%～50%;UTL-10三档集料含量的推荐范围分别为10%～16. 7%,40%～50%,33. 3%～50%。     

粗集料压碎后沥青混合料性能的评价

沥青路面施工过程中,粗集料压碎后沥青混合料的性能发生了重大改变,严重影响了沥青混合料性能和使用品质。提出了粗集料压碎后沥青混合料性能的测试方法;通过试验测试了粗集料被压碎前、后沥青混合料高温抗变形性能和水稳定性的差异性。研究结论为沥青路面施工质量的控制提供了有力的依据。     

活化煤矸石改性沥青胶浆粉胶比确定及粘温特性研究

煤矸石是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一,但鲜见其活化以改善沥青性能的研究成果.采用动态剪切流变仪(DSR)、弯曲梁流变仪(BBR)和布氏粘度仪(BV)对活化煤矸石改性沥青胶浆的流变特性进行测试,分析了重复蠕变劲度的粘性部分Eμ和蠕变劲度模量S与粉胶比之间的关系,通过流变学手段及双直线简化模型,得到活化煤矸石改性沥青胶浆的合理粉胶比范围及最佳粉胶比;借助扫描电镜(SEM)和红外光谱试验仪(IR)对其作用机理进行分析.研究结果表明,确定出的活化煤矸石改性沥青胶浆粉胶比能较好地平衡沥青胶浆的高低温性能;活化煤矸石可有效改善沥青胶浆的温度敏感性,其改性沥青胶浆粘温特性的效果较矿粉更为显著;平均粒径小、比表面积大及表面多孔层状结构是主要原因.研究成果为拓宽固体废弃物煤矸石在沥青路面工程中的资源化利用途径提供了依据.     

活化煤矸石改性沥青胶浆流变性能实验研究

煤矸石是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一,以粉体煤矸石为填料对沥青进行改性在国内外鲜有研究涉及。采用锥入度实验、动态剪切流变实验(DSR)和弯曲梁流变实验(BBR),研究了不同粉胶比条件下活化煤矸石改性沥青胶浆的剪切强度及高、低温流变性能变化规律,并与矿粉改性沥青胶浆进行对比;在此基础上,初探了活化煤矸石改性沥青胶浆作用机理。结果表明,采用活化煤矸石替代矿粉后,沥青胶浆的抗剪强度和高温性能大幅提高,低温性能则基本相当。研究成果为活化煤矸石替代矿粉作为沥青混合料填料的可行性提供了依据。     

有机缓凝剂对水泥改性乳化沥青胶浆的改善效果研究

将适量的萘系减水剂(Naphthalene superplasticizer,NSP)加入到改性乳化沥青(Modified asphalt emulsified,MAE)中能够实现水泥和改性乳化沥青的直接拌和。当NSP的掺量为4%(质量分数,下同)时,水泥沥青胶浆(Cement asphalt mastic,CAM)工作性能不佳。本试验所使用的沥青和三种有机缓凝剂分别为:改性乳化沥青、海菜粉、聚丙烯酰胺(PAM)、葡萄糖酸钠。试验结果表明:海菜粉对CAM的改善效果最好。当海菜粉掺量为0.03%时,CAM 7 d内的强度增量比较大; 28 d的抗拉强度和抗压强度最高,凝结时间最短,干缩变化幅度较小。随着海菜粉掺量的增加,CAM的抗拉强度和抗压强度有所降低。PAM由于其自身有很强的粘稠度和絮凝作用,因而对CAM的粘弹性有很大影响;当PAM掺量为0.02%时,CAM的粘度最大,坍流度最小;当PAM掺量由0.01%增加到0.03%时,CAM的粘度、干缩量和抗压强度呈现先增大后减小的规律,坍流度和凝结时间呈现先减小后增大的规律,而抗拉强度随掺量的增加而增大。葡萄糖酸钠对CAM的改善效果最差,虽然加入葡萄糖酸钠能改善CAM的流动性、粘度等非力学性质,但会引起CAM试块较大幅度的体积收缩和干缩,抗拉强度和抗压强度明显降低,凝结时间过长,试件表面出现裂缝等不良现象。     

沥青基球状活性炭对胆红素吸附性能的初步研究

研究了三种具有不同孔径结构的沥青基球状活性炭对胆红素的吸附行为,结果表明三种沥青基球状活性炭对胆红素均具有较好的吸附性能,平衡吸附率达９０％以上。随沥青基球状活性炭中中孔含量的增加,其对胆红素吸附速度加快,达到吸附平衡的时间缩短;且对结合态胆红素的吸附量及吸附速度都较游离态低。     

基于温拌沥青性能的不同温拌剂效能评价

为研究不同温拌剂对沥青性能的影响,促进温拌沥青技术的推广应用,选择Sasobit、Aspha-min、ZYF三种温拌剂和SK90#沥青、SBS改性沥青,通过针入度、软化点、延度试验、旋转黏度试验、动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验系统地研究不同温拌剂对沥青性能的影响,并根据沥青指标的变化确定ZYF温拌剂的合理掺量。结果表明:Sasobit和Aspha-min可以改善沥青的高温性能,但对低温性能不利;ZYF温拌剂略微降低沥青的高温性能,但能显著改善其低温性能;Sasobit和ZYF温拌剂可显著降低沥青的高温粘度,Aspha-min温拌沥青的粘度略微增大;ZYF温拌剂的合理掺量为沥青用量的4%。     

沥青混合料汉堡车辙试验评价研究综述

为规范使用汉堡车辙试验(Hamburg wheel-track device,HWTD)评价沥青混合料的高温抗车辙性能和水稳性能,科学地指导试验操作程序、相关数据处理和评价指标计算等,总结和探讨了HWTD相关的试验条件、圆柱型试件影响因素、车辙深度预测模型、点位选取原则、评价指标的获取与计算方法等的现状和存在的问题,并展望了进一步的研究方向。研究结果表明,试验条件直接影响着混合料的性能评价,其试验温度、评价标准和荷载作用次数等的确定与选取应充分考虑沥青等级和环境气候的差异;并基于圆柱型试件拼接缝对混合料受力特性和车辙深度点位选取的影响,提出了相应的改善措施。相关评价指标计算模型的引入弥补了现有个别评价指标求取不明确的缺陷,为混合料性能的科学评价和区分提供指导,也为我国相关HWTD规范的制定奠定基础。     

基于人工神经网络的微弧氧化膜层厚度预测模型的建立

在硅酸钠电解液体系中,采用微弧氧化技术在铝合金表面制得了均匀的陶瓷膜。将人工神经网络应用于微弧氧化工艺研究中,借助MATLAB神经网络工具箱,建立了具有4-12-1结构的BP神经网络模型,该模型很好地学习了微弧氧化电解液参数和膜层厚度之间的映射关系;对膜层的厚度进行了预测,并采用正交试验对电解液参数进行了优化。结果表明,该网络收敛速度较快,预测值与实际值基本吻合,平均预测误差仅为1.93%。当Na2SiO3质量浓度为6g/L、H3BO3质量浓度为1.5g/L、KOH质量浓度为0.5g/L、H2O2质量浓度为0.6g/L时,膜层的厚度达到最大值183μm。     

基于Palierne模型的TPU改性沥青-煤矸石交互评价研究

为了评价TPU改性沥青与煤矸石的交互作用能力,揭示其交互作用影响机理,并促进废弃煤矸石在公路工程领域的综合利用,本研究利用动态剪切流变仪(DSR)测试了TPU改性沥青胶浆的流变性能,采用广义sigmoidal函数和WLF方程构建了TPU改性沥青胶浆的动态剪切模量主曲线。利用Palierne模型对TPU改性沥青-煤矸石的交互作用能力进行评价,通过微观及物理化学试验对交互作用能力的影响机理进行了分析。结果表明：煤矸石与TPU改性沥青的交互作用能力优于石灰岩和花岗岩;TPU改性沥青与煤矸石混合后并未产生新的产物,两者之间主要发生物理吸附作用;矿粉的孔外比表面积是影响交互作用能力的关键指标,煤矸石的开口孔隙更容易与沥青紧密嵌锁,可提升其对TPU改性沥青的吸附能力,从而使煤矸石与TPU改性沥青具有更强的交互作用能力。