盐冻融循环条件下沥青高温流变性能及微观结构

利用动态剪切流变仪(DSR)和原子力显微镜(AFM)对冻融循环前后的基质沥青和胶粉改性沥青进行测试,比较分析了不同盐浓度和冻融循环次数下两种沥青的动态黏弹参数及微观结构,并测试了冻融前后两种沥青的基本指标。结果表明:经历冻融循环后,基质沥青储存模量和车辙因子均增加,疲劳因子减小,而胶粉改性沥青没有明显变化,冻融循环增加了基质沥青的高温弹性性能,但显著降低了抗疲劳性能,而冻融循环对胶粉改性沥青的高温性能影响不大;AFM观测表明基质沥青出现"蜂形"结构,冻融循环后"蜂形"变大、变长,而胶粉改性沥青的结构几乎没有变化,因此北方寒冷地区使用胶粉改性沥青作为路面材料更具优势。     

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。     

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。     

盐冻循环条件下改性沥青的细观结构及低温流变性能

冬季由于低温路面经常会被冰雪覆盖,融雪盐是对路面进行融雪化冰的主要方式之一。为了研究盐冻循环前后的基质沥青、SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青和胶粉改性沥青的细观结构和低温流变性能变化,利用SEM和弯曲梁流变仪（BBR）对其测试。结果表明:改性剂以特定的结构形态存在于沥青中,二者具有良好的相容性,这种形态可以更好地吸附沥青,提高沥青的低温弹性或韧性,进而改善了沥青的低温性能。盐冻循环破坏了沥青的结构,影响了沥青的低温抗裂性能。经历盐冻循环后沥青的蠕变劲度模量增大、蠕变速率减小,低温抗裂和应力松弛能力降低,但改性沥青低温性能总体上优于基质沥青。因此建议北方等寒冷地区尽量选用改性沥青作为路面材料。      

老化对改性沥青微观结构及疲劳性能的影响

为了研究老化对改性沥青微观结构及疲劳性能的影响,通过沥青常规指标测试试验、动态剪切流变（DSR）试验和AFM测试试验,从宏细观角度分析了老化前后苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）改性沥青和胶粉改性沥青的针入度、延度和软化点及疲劳性能、微观结构的变化情况。结果表明：随着老化程度的加深,两种改性沥青的稠度、硬度增加,高温性能得到改善,而温度敏感性变低,低温抗裂性能变差。综合分析针入度比、延度比和软化点比得出胶粉改性沥青的抗老化性能优于SBS改性沥青;随温度的降低、频率的增大和老化程度的加深,两种改性沥青的抗疲劳性能变差;微观结构观测结果显示,SBS改性沥青具有"蜂型结构",老化后"蜂型结构"的体积增大、高度增加、数量减少;胶粉改性沥青没有"蜂型结构",胶粉颗粒与沥青在共混共融过程中发生溶胀、脱硫和降解等行为会影响沥青中"蜂型结构"的形成;老化前后胶粉改性沥青表面形貌粗糙度和高度变化不大;胶粉改性沥青的抗疲劳、抗老化和高温性能总体优于SBS改性沥青。     

盐冻循环条件下SBS改性沥青砂浆的力学性能分析?

在寒冷地区,冬季路面极易出现积雪结冰现象,常使用融雪盐对路面进行融雪除冰,融雪盐的使用会对沥青混合料产生侵蚀。沥青砂浆作为沥青混凝土材料的重要组成部分,在力学性能方面发挥了极其重要的作用。对 SBS 改性沥青盐冻循环前后的三大指标(针入度、软化点和延度)进行了测试,对经历不同盐冻循环的沥青砂浆试件进行单轴压缩蠕变实验,并通过扫描电镜(SEM)研究其微观结构的变化。结果表明,冻融循环和荷载应力会造成沥青砂浆力学性能的下降,因此在昼夜温差较大的北方寒冷地区的冬季应尽量限制重载车辆的通行量以及融雪盐的用量,以减少对路面结构的损坏。     

盐冻循环对沥青性能及其微观结构的影响

对基质沥青、SBS改性沥青和胶粉改性沥青在盐冻循环前后的3个基本指标进行了测试,采用极差分析法和灰色关联熵分析法对盐冻融循环前后影响沥青高低温性能的各因素进行了对比分析,并通过扫描电子显微镜对冻融循环前后的3种沥青试样的微观结构进行观测。结果表明,冰冻温度、盐溶液浓度和冻融循环次数都会影响沥青的温度敏感性,使沥青的高低温性能降低,并对沥青微观结构产生巨大影响,但是研究也发现沥青自身性能指标的影响更为显著,特别是沥青自身的针入度值。因此在寒冷地区修建道路时,沥青材料的选用要严格控制其基本指标。     

复杂气候条件下胶粉改性沥青的低温性能

我国北方地区夏季高温炎热,冬季寒冷冰冻。沥青路面在施工和使用的过程中,高温易导致老化,低温易发生冻融循环,都会对沥青的性能产生影响。本研究分别对基质沥青和胶粉改性沥青进行短期、长期热老化试验和盐冻循环试验,并对环境影响后的基质沥青和胶粉改性沥青进行弯曲梁流变试验(Bending beam rheometer,BBR),通过弯曲蠕变劲度S和蠕变速率m对比其低温性能的变化规律。同时对不同环境影响后的两种沥青进行原子力显微镜(AFM)观测,比较两种沥青微细观结构的变化情况。结果表明:基质沥青和胶粉改性沥青的低温抗裂性能和抗变形能力受热老化影响严重,季节性冰冻区沥青路面铺设和使用时要注意热老化的控制和预防,从而保证道路的使用寿命;与基质沥青相比,胶粉改性沥青盐冻循环和热老化后的抗变形能力和低温柔性得到改善,其更适合北方寒冷地区使用。     

盐冻循环条件下沥青高低温性能的灰关联熵分析

利用动态剪切流变仪(DSR)和弯曲梁流变仪(BBR)对冻融循环前后的三种沥青(沥青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青、胶粉改性沥青)进行测试,比较分析不同冰冻温度、融雪盐浓度、冻融循环次数下三种沥青的高低温性能变化规律,并对环境因素进行灰熵分析。结果表明:在盐冻循环条件下对沥青复合模量G*影响最大的因素是融雪盐溶液浓度,其次是10℃延度;对沥青相位角δ影响最大的因素是软化点,其次是25℃针入度;对沥青蠕变劲度模量S影响最大的因素是融雪盐溶液浓度,其次是10℃延度;对沥青蠕变速率m影响最大的因素是试验温度,其次是冰冻温度。     

两种沥青胶浆的疲劳及自愈合性能试验

为了研究沥青胶浆的疲劳及自愈合特性,利用动态剪切流变仪（DSR）进行时间扫描及疲劳-愈合-再疲劳测试,并通过原子力显微镜（AFM）对细观结构进行观测,比较分析了不同粉胶比下基质沥青胶浆和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青胶浆的疲劳性能,以及在常温（25℃）下3个不同间歇期的自愈合性能。试验发现：SBS沥青胶浆具有更好的疲劳和自愈合性能,两种沥青胶浆疲劳寿命均随粉胶比的增大而增加,同一粉胶比条件下,更长的间歇期有利于其自愈合,过大或者过小的粉胶比都会降低沥青胶浆的自愈合性能;AFM观测结果表明：基质沥青胶浆出现明显的"蜂状结构",粉胶比增加,矿粉吸附更多的沥青质,"蜂状结构"变多,与沥青界面内聚力作用增强,提高了抗疲劳性能,SBS改性剂与沥青相容性良好,改性沥青胶浆没有出现"蜂状结构",改性剂的加入增强了分子间内聚力,有助于提高抗疲劳性能,因此建议路面材料选用改性沥青胶浆。     

基于DSR直接拉伸试验的沥青高温粘聚性分析

采用动态剪切流变仪(DSR)直接拉伸试验研究了60℃时改性沥青老化(RTFOT)前、后的粘聚性。绘制了σ-ε关系曲线,并对曲线进行双指数拟合;采用应力峰值σmax、峰值对应位移ε0、拉力功W以及指数方程拟合参数A1、A2作为沥青高温粘聚性的评价指标。研究结果表明:老化前TPS高粘沥青粘聚性各项指标最优;改性剂来源不同、掺量相同的SBS改性沥青粘聚性差异较大,其中以791改性沥青粘聚性最好,1301次之,4303最差。橡胶粉/791SBS复合改性沥青的σmax、ε0、W以及拟合参数A1、A2均远小于791改性沥青;RTFOT老化后,改性沥青粘聚性发生了较大变化,1301改性沥青各项指标最优、其次为4303,TPS高粘沥青和791改性沥青的粘聚性较差,橡胶沥青的粘聚性远小于其它类型改性沥青。     

基于表面能理论研究盐冻循环对沥青-矿料界面粘附性的影响

根据表面能理论,采用接触角测量法测定盐冻循环前后苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、废胎胶粉（CR）和复合胶粉（CCR）3种聚合物改性沥青、石灰岩、玄武岩和花岗岩的表面自由能参数,分别计算出盐冻循环前后沥青-矿料系统的粘附功和剥落功,从而确定盐冻循环对沥青-矿料系统粘附和剥落特性的影响。结果表明:盐冻循环前后,沥青与矿料的粘附过程以及水侵入沥青-矿料界面的剥落过程的比表面自由能变化均为负值,说明沥青与矿料的粘附过程和剥落过程均自发进行;随着盐冻循环次数和盐浓度的增加,沥青-矿料系统粘附功逐渐减小,剥落功逐渐增大,粘附性和抗水损害能力逐渐减弱;当沥青种类相同时,沥青与石灰岩的粘附功最大,剥落功最小,沥青与花岗岩的粘附功最小,剥落功最大;当矿料种类相同时,CCR改性沥青与矿料的粘附功最大,剥落功最小,SBS改性沥青与矿料的粘附功最小,剥落功最大。      

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。     

基于数字散斑相关法的聚合物改性沥青混合料抗裂性能

为分析冻融循环对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）和橡胶粉（CR）改性沥青混合料抗裂性能的影响,首先,分别对盐溶液冻融循环和水溶液冻融循环改性沥青混合料进行了半圆试件弯拉试验,同时采用数字散斑相关法（DSCT）对加载过程试件表面的散斑图像进行处理,提取试件表面随着载荷变化的位移场和应变场信息;然后,通过分析变形场信息确定沥青混合料的抗裂性能,并与断裂韧性试验结果进行对比。结果表明:水平应变较适合用于对沥青混合料的抗裂性能开展特性研究;由水平应变-时间曲线可知,冻融循环后SBS和CR改性沥青混合料的抗裂性能均有所劣化,且盐溶液冻融循环对沥青混合料抗裂性能的影响要大于水溶液冻融循环的;与SBS改性沥青混合料相比,CR改性沥青混合料的抗裂性能较好。所得结论表明DSCT的分析结果与断裂韧性试验的分析结果一致,采用DSCT评价沥青混合料的抗裂性能是可行的。