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。      

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。     

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。     

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。      

橡胶/混凝土盐冻循环后性能劣化及微观结构

制备普通混凝土(Normal concrete,NC)和橡胶/混凝土基体(Rubber/NC),研究盐冻循环60次内,表观现象、剥落量、抗压强度损失等性能指标劣化过程,采用超声波无损检测法评价混凝土盐冻循环破坏前后超声参数变化,建立相对波速、损伤度与抗压强度的关系,利用SEM观察盐冻循环损伤前后试件微结构变化。结果表明:随盐冻循环次数增加,混凝土试件表面剥蚀愈显著,剥落量增加,内部损伤、强度损失逐渐加剧,超声参数与抗压强度具有密切相关性;混凝土经历盐冻破坏后,内部结构呈疏松絮状,孔隙、裂纹愈加显现,密实度下降,造成宏观力学性能劣化。但弹性橡胶细集料掺入后有效缓解结冰压引起的内部开裂和孔隙扩大,各阶段橡胶/混凝土基体劣化程度均优于普通混凝土,以橡胶掺量 (与胶凝材料质量比) 10% (10%Rubber/NC)各性能指标最优,经历60次盐冻循环后,普通混凝土抗压强度损失率为58.5%,10%Rubber/NC抗压强度损失率为48.0%。      

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。     

冻融条件下纤维混凝土的力学性能及损伤模型研究

以聚丙烯纤维(PP)为增韧材料,通过硝酸和超声协同处理对纤维表面进行了氧化处理,制备出了纤维混凝土,在氯化钠盐渍溶液中进行了快速冻融试验,研究了纤维表面处理时间对混凝土力学性能和抗冻性能的影响,建立了混凝土冻融损伤模型。结果表明,硝酸和超声协同处理后在纤维表面引入了更多的含氧基团,提高了纤维表面的化学活性,纤维表面出现了较多的凸起,表面粗糙度增加,纤维和混凝土基质的粘结性增强,混凝土的强度和韧性提高。纤维表面处理3 h的混凝土的抗压强度和抗折强度达到最大值,分别为40.9和5.16 MPa。以纤维混凝土的相对动弹性模量、质量损失率分别与冻融次数进行了拟合并建立了冻融损伤模型,结果发现混凝土质量损失率与冻融次数的模型更为敏感,纤维表面处理3 h的混凝土的使用寿命最长为17.83年,所有模型的拟合优度均超过0.95,损伤模型能够较准确地反映出观测数据的变化,可用于预测混凝土在冻融循环下的寿命。     

养护条件对次轻混凝土强度及抗盐冻性能的影响

研究了养护条件对不同水胶比次轻混凝土强度及盐冻性能的影响,并通过对其内部相对湿度、孔结构及水化产物的测试分析探究其作用机理。结果表明,自然养护条件下,掺50%体积轻骨料次轻混凝土早期强度较低,而其在7～28 d龄期内增长率高;特别是低水胶比混凝土,其14 d龄期强度超过标准养护与水中养护条件下试件强度。对于低水胶比混凝土,水中养护和标准养护可中止或减缓混凝土内水分向外界迁移,水泥的充分水化导致水泥石结构更致密,混凝土抗盐冻性能较好。对于高水胶比混凝土,自然养护条件下混凝土28 d龄期的内部相对湿度仍有90%,其内部存在充足水分供给水泥水化,水泥石孔结构良好;当处于盐溶液中时,相比于含水率较高的水中养护与标准养护下混凝土,自然养护条件下混凝土的水饱和程度低,故其抗盐冻性能最好。     

粉煤灰陶粒混凝土的抗盐冻性能

为了评价桥面铺装中应用的轻骨料混凝土长期耐久性,利用R ILEM推荐混凝土抗盐冻性能试验标准(CDF)研究了粉煤灰陶粒混凝土与普通混凝土的抗盐冻性能.结果表明:相同强度等级的掺加矿物掺合料的粉煤灰陶粒混凝土的抗盐冻性能明显优于普通混凝土的抗盐冻性能.复掺矿物掺合料混凝土的抗盐冻性能优于单掺矿物掺合料混凝土的抗盐冻性能.与普通混凝土相比,通过SEM-EDXA的分析,掺与未掺矿物掺合料陶粒与水泥石之间的界面过渡区的范围明显变小,这是粉煤灰陶粒混凝土抗除冰盐性能优良的重要原因.     

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。     

沥青砂浆多次损伤自愈合性能

沥青砂浆由沥青、细骨料及填料三部分组成,对沥青混合料的性能具有重要影响。为对比分析自愈温度、自愈时间、老化程度及损伤程度对两种沥青砂浆愈合性能的影响,采用四因素三水平正交试验方法设计沥青砂浆小梁弯曲损伤愈合试验,选出最显著影响因素,进行多次间歇期的损伤自愈合试验。利用J积分理论对沥青砂浆的愈合程度进行价评,将断裂韧性J_c作为沥青砂浆损伤愈合的评价指标。试验结果表明：断裂韧性J_c能够表征沥青砂浆内部能量释放过程,可以很好的评价沥青砂浆的愈合能力;老化程度是影响沥青砂浆愈合性能的主要因素,与基质沥青砂浆相比,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性沥青砂浆在多次损伤自愈合后的愈合性能更好;随着损伤次数的增大两种沥青砂浆的愈合度都显著下降。试验结果可为沥青混合料性能研究及路面养护提供参考依据。     

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.     

老化沥青砂浆损伤愈合性能研究

为研究老化作用对基质沥青砂浆和SBS改性沥青砂浆损伤自愈性能的影响,从内部条件和外部环境两方面,选取不同的影响因素,进行四因素三水平的正交试验设计,采用UTM-100万能试验机对两种沥青砂浆进行损伤—愈合—再损伤试验,选取破坏应变和断裂韧性作为自愈合评价指标对其进行分析。试验结果表明:以破坏应变作为愈合指标评价基质沥青砂浆的愈合性能不够准确全面,而断裂韧性能更合理的呈现两种沥青砂浆在不同条件下的愈合规律和差异;在4个影响因素中,老化程度对两种沥青砂浆损伤愈合影响最大;在相同的试验条件下,SBS改性沥青砂浆有较好的抗疲劳和抗开裂的能力,而与基质沥青砂浆相比愈合效果不明显,愈合温度、愈合时间、老化程度、损伤程度四个影响因素下基质沥青砂浆拥有更好的愈合能力。     

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。