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。     

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。     

基于红外光谱的短期老化SBS改性沥青再生微观机理

为探究不同再生剂类型和掺量对短期老化SBS改性沥青再生微观组成的影响,通过旋转薄膜烘箱(RTFOT)对SBS改性沥青进行短期老化,对其添加普通(西卡再生剂)、改性(信拓-3再生剂)两种不同类型以及不同掺量(4%、8%、12%)的再生剂制得再生沥青,同时对不同再生剂进行扩散试验。对原样、短期老化及再生沥青进行了宏观指标(针入度、延度、软化点)和红外光谱(FTIR)分析。结果表明:SBS改性沥青在短期老化过程中软化点升高,亚砜基特征峰和官能团指数增大,丁二烯(CH2=CH2)基特征峰、丁二烯基指数、针入度、延度减小,添加再生剂亚砜基特征峰、官能团指数、软化点减小,针入度、延度增大;普通再生剂在再生SBS改性沥青制备过程中基质沥青的老化及SBS改性剂的降解程度大于改性再生剂;再生剂掺量为8%时,对短期老化SBS改性沥青改善效果明显;再生剂在短期老化SBS改性沥青扩散过程中,改性沥青性能有一定的改善,但未恢复到原来水平,直接搅拌制备的再生SBS改性沥青性能明显优于再生剂在短期老化SBS改性沥青扩散形成的再生SBS改性沥青。     

盐冻循环条件下改性沥青的微观结构及重复蠕变特性

为考察在融雪盐环境下路面材料的性能变化情况,对内蒙古寒冷地区常用的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利用动态剪切流变仪(DSR)进行重复蠕变试验,利用原子力显微镜(AFM)进行微观结构观测,比较分析盐冻循环前后两种沥青的微细观结构以及流变学性能的变化,为寒冷地区道路路面材料的选择和使用提供参考依据。AFM测试发现,SBS改性沥青出现"蜂形"结构,冻融循环后,"蜂形"结构出现不同变化;胶粉改性沥青未出现"蜂形"结构,冻融循环后胶粉改性沥青表面形貌相差不大;重复蠕变试验结果显示:冻融循环前后SBS改性沥青和胶粉改性沥青永久变形与卸载瞬时应变的比值(εP/εL)在加载初期均随着加载次数的增加而增加,一定次数后达到稳定状态;冻融循环后SBS改性沥青的εP/εL降低,胶粉改性沥青的εP/εL基本不变;利用Burgers模型拟合得到蠕变劲度的黏性成分G_v,冻融循环后SBS改性沥青G_v值小于原样SBS改性沥青,胶粉改性沥青G_v值大于原样胶粉改性沥青,且两种沥青水冻循环与盐冻循环G_v值差别不大。胶粉改性沥青具有更好的高温使用性能。     

多聚磷酸改性沥青老化前后高温流变性能

基于动态剪切流变(DSR)试验,对老化前后三种改性沥青:多聚磷酸(PPA)改性沥青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青及SBS-PPA复合改性沥青的高温性能进行分析。结果表明:在不同温度及老化作用下,与SBS改性沥青相比,PPA改性剂对沥青高温流变性能的改善更为突出,沥青中黏性成分减小,弹性成分增加。在SBS改性沥青中添加PPA可以明显增强改性沥青的弹性,降低其黏性,SBS-PPA复合改性沥青的高温性能优于SBS改性沥青。在长期老化下,PPA和SBS-PPA复合改性沥青中由储存模量G′占主导作用转变为损失模量G″占主导作用的温度转化点都较高,温度转化点:PPASBS-PPASBS。对于SBS改性沥青,温度和频率比老化作用对复数模量G*和相位角δ的影响更大,而PPA和SBS-PPA复合改性沥青受老化影响较大,随着老化程度的加深,可以在较宽的温度和频率范围内保持一定的弹性来抵抗变形。PPA改性沥青在老化前后,不同温度和频率下都具有较高的车辙因子G*/sinδ,且老化后G*/sinδ增加的最多,高温抗车辙能力更强,其次是SBS-PPA复合改性沥青。     

多因素影响下苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性沥青性能分析

通过掺加不同含量糠醛抽出油、红油增塑剂与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性剂,分析其对SBS改性沥青各性能指标的影响,判断影响SBS改性沥青性能的主要因素。结果表明:改性沥青中SBS改性剂含量是提高软化点、弹性恢复的主要因素;糠醛抽出油含量增大则可明显提高其延度指标,且改善SBS改性沥青的离析程度;红油增塑剂含量增大可大幅提高SBS改性沥青的延度指标,但高温性能下降且离析严重,短期老化后指标下降幅度高于同等含量抽出油老化后指标。因此可在SBS含量确定的情况下,通过掺加适当的糠醛抽出油以改善SBS改性沥青的性能。     

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。     

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。     

硅藻土与蒙脱土协同改善SBS改性沥青性能的研究

为探明硅藻土与蒙脱土协同使用对SBS改性沥青性能的影响,本文通过熔融共混法制备了不同配比的硅藻土/蒙脱土/SBS改性沥青。采用常规物理性能测试、动态剪切流变实验、压力老化和紫外老化实验对硅藻土/蒙脱土/SBS改性沥青的物理、流变和老化性能进行了评价,并利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了老化过程中改性沥青化学结构的变化。研究表明,硅藻土与蒙脱土协同使用,不仅提高了SBS改性沥青的软化点与黏度,改善了SBS改性沥青的高温抗变形能力,而且有效降低了蒙脱土对SBS改性沥青低温抗裂性能的不利影响,并能够明显减小压力老化和紫外老化对SBS改性沥青软化点和黏度的负面影响,大幅度提高其延度保留率。蒙脱土掺量为1.5%时,硅藻土的适宜掺量为6%。FTIR分析表明,硅藻土与蒙脱土协同使用抑制了SBS改性沥青压力老化和紫外老化后羰基指数的增加与丁二烯指数的降低,增强了SBS改性沥青的抗老化能力。     

SBS改性沥青超热老化机理及疲劳特性

为了揭示不同超热温度对SBS改性沥青的微观机理及疲劳特性的影响,采用傅里叶变换红外光谱法和凝胶渗透色谱法(GPC)实时追踪扫描了细观尺度下SBS改性沥青在不同超热温度的分子基团的变化规律。通过红外光谱定量分析发现,SBS改性沥青在250℃的老化温度下,与163℃老化相比羰基峰高提高了17倍,峰面积提高了7倍;GPC分析结果表明,随着超热老化温度升高,SBS改性沥青的重均相对分子质量明显降低,GPC峰的扩展值逐渐增大,证明老化程度在增加,因此不同超热温度对SBS改性沥青老化影响显著;通过研究SBS改性沥青混合料组合结构疲劳特性发现,随着超热老化温度的升高,SBS改性沥青混合料的复合梁疲劳寿命逐渐减小,SBS改性沥青超热老化趋势明显,沥青胶结料明显硬化。因此,采取措施降低SBS改性沥青混合料的超热拌和温度,或开发新型抗氧能力强的改性剂替代传统SBS改性沥青的SBS改性剂,对提高SBS改性沥青混合料在钢桥面铺装中的使用寿命具有重要意义。     

Dynamic mechanical characterization of asphalt concrete mixes with modified asphalt binders

The primary objective of this work is to characterize and compare the dynamic mechanical behavior of asphalt concrete mixes with styrene butadiene styrene (SBS) polymer and crumb rubber modified asphalt binders with the behavior of mixes with unmodified viscosity grade asphalt binders. Asphalt binders are characterized for their physical and rheological properties. Simple performance tests like dynamic modulus, dynamic and static creep tests are carried out at varying temperatures and time. Dynamic modulus master curves constructed using numerical optimization technique is used to explain the time and temperature dependency of modified and unmodified asphalt binder mixes. Creep parameters estimated through regression analysis explained the permanent deformation characteristics of asphalt concrete mixes. From the dynamic mechanical characterization studies, it is found that asphalt concrete mixes with SBS polymer modified asphalt binder showed significantly higher values of dynamic modulus and reduced rate of deformation at higher temperatures when compared to asphalt concrete mixes with crumb rubber and unmodified asphalt binders. From the concept of energy dissipation, it is found that SBS polymer modification substantially reduces the energy loss at higher temperatures. Multi-factorial analysis of variance carried out using generalized liner model showed that temperature, frequency and asphalt binder type significant influences the mechanical response of asphalt concrete mixes. The mechanical response of SBS polymer modified asphalt binders are significantly correlated with the rutting resistance of asphalt concrete mixes.     

The low temperature properties of conventional and modified asphalt binders evaluated by the failure energy and secant modulus from direct tension tests

In our previous direct tension test (DTT) studies, SBS polymer modification was found to increase the failure stress values with increasing polymer levels. The predicted critical cracking temperatures (T_critical) in Superpave MP la specification were found to be 3 to 6°C lower than the bending beam rheometer (BBR) low temperature parameter according to Superpave MP1 specification. In this study, the DTT results were analyzed and compared in terms of the DTT failure energy and secant modulus instead of failure stress or failure strain values. As expected, the DTT secant modulus was found to increase with increasing hardness of the non-modified asphalt binder materials; however, the secant modulus decreases upon Styrene Butadiene Styrene (SBS) polymer modification. If the secant modulus were used to evaluate the stiffness of asphalt binder materials at low temperature, the SBS modified asphalt binders would not only have better low-temperature properties than predicted by the BBR low-temperature parameter in Superpave MP1 but also better than predicted by the T_critical in Superpave MP1a specification. The failure energy of SBS modified asphalt binder at T_critical was found to be invariably higher than the T_critical failure energy of non-modified asphalt binders, even though the T_critical of PMA was already 3–6°C lower than the T_critical of the non-modified asphalt binder. The elastic polymer network in the PMA probably contributes to higher DTT failure stress, failure strain and failure energy values.     

Evaluation and optimization of the engineering properties of polymer-modified asphalt

Polymers are increasingly being used to modify asphalt and enhance highway pavement performance. This paper reports the development of a procedure to evaluate and optimize a polymer-modified asphalt (PMA). Two asphalt cements and two styrene-butadiene-styrene (SBS) copolymers were mixed at ten concentration levels. The engineering properties and morphologies of the binders were investigated using a dynamic shear rheometer, scanning electron microscopy (SEM), and other rheological techniques. The morphology of the PMA was characterized by the SBS concentration and the microstructure of the copolymer. Polymer modification increased the elastic responses and dynamic moduli of asphalt binders. As the SBS concentration increased, the copolymer gradually became the dominant phase, accompanied by a change in engineering properties. Results from SEM demonstrated that, up to 6% concentration, good compatibility exists between SBS and asphalt binder. The modified binders show either a continuous asphalt phase with dispersed SBS particles or a continuous polymer phase with dispersed asphalt globules, or two interlocked continuous phases. The optimum SBS content was determined based on the formation of a critical network between asphalt and polymer.     

复合胶粉改性沥青的微观结构与流变特性

在基质沥青中加入18%的废胎橡胶粉和2%的SBS,通过湿法得到复合胶粉改性沥青（CCRMA）。采用扫描电镜（SEM）和动态力学的方法（DSR）研究了改性沥青的微观结构和较宽温度范围的流变性能;通过对复数模量主曲线的拟合,在更宽频率范围内研究该沥青的流变特性。结果表明,胶粉颗粒的表面网状结构可很好地吸附沥青,改性后的沥青...     

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。