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《苏州科技大学》 2017年
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全气候老化沥青的组分和AFM微观结构研究

代震  
【摘要】:目前,沥青路面越来越多的出现于各级公路,这与沥青性能的不断改善有极大关系,但因沥青老化而导致沥青路面破坏的问题时常发生。沥青老化后会变得硬且脆,这将严重影响到沥青路面的使用性能。此外,沥青路面的翻修养护,不仅需要消耗大量的沥青资源,而且会延长过往车辆的在途时间。沥青胶结料微观结构的变化必然是由其化学组分含量发生改变引起,而其组分含量改变又会直接影响沥青胶体结构的类型,进而对沥青的各项性能产生重要影响。沥青的化学组成、微观结构和宏观路用性能间的联系是道路沥青材料研究的关键问题。因此,利用沥青的化学组分和原子力显微镜(AFM)微观结构来探究沥青老化的机理是非常重要且有意义。本研究选用全气候老化OGFC-13沥青混合料回收的基质和SBS改性两种沥青为研究对象。沥青经过混合料的抽提和蒸馏后,结合沥青的四组分试验、AFM试验和美国战略公路研究计划(SHRP)流变性能试验,来研究沥青的老化机理。全气候老化时间分别为0、1000、2000和3000小时。此外,还做了SHRP老化基质和SBS改性沥青的对比试验。首先,研究了两种不同老化方式下,沥青流变性能的变化以及SBS改性沥青混合料路用性能的变化。其次,分析了两种不同老化方式下基质和SBS改性沥青四组分的变化规律,并与其流变性能以及SBS改性沥青混合料的路用性能做线性相关分析。最后,用AFM技术对老化后沥青的微观结构进行分析,同时对两种不同老化方式下沥青的化学组分和其AFM微观结构形貌间的关联作了探讨。研究结果表明:(1)随着老化时间的增加,两种全气候老化沥青的沥青质和胶质含量均增加,芳香分和饱和分则降低,且线性相关系数R2均很高,两种沥青的胶体不稳定指数Ic不同但基本无变化。两种SHRP老化沥青四组分的变化规律一样,但SBS改性沥青的Ic从0.411逐渐上升至0.734。(2)随着老化时间的增加,两种全气候老化沥青的3个AFM因子:展平面积差(ISAD)、高度均方根(Rq)和极大与极小高度差(Rmax)均增加。SHRP老化沥青也是一样,但两种不同老化方式下,沥青微观结构中“蜂状结构”数量的变化规律相反。(3)两种全气候老化沥青四组分的含量和其流变性能指标均有较高的线性关联,其沥青质和胶质含量增加的越多,饱和分和芳香分减少的越多,流变性能劣化得就越严重,两种SHRP老化沥青的四组分也有相同的规律。此外,发现沥青四组分的含量和其混合料冻融劈裂强度比间的关联系数明显相对较低,说明沥青的性能和其混合料水损害的关联程度较低。(4)两种全气候老化沥青的3个AFM因子增加,其旋转黏度、抗车辙因子和疲劳开裂因子均增加。沥青微观结构中“蜂状结构”三维尺寸的增大,会造成其流变性能的劣化,两种SHRP老化沥青也是一样。此外,ISAD和Rmax与混合料冻融劈裂强度比间的关联性比四组分更差。(5)两种全气候老化沥青沥青质和胶质含量的增加,其3个AFM因子均线性增加,轻组分即芳香分和饱和分则有相反规律。沥青质和胶质含量升高,也会造成其微观结构中“蜂状结构”三维尺寸的增大,两种SHRP老化沥青也有一样的规律。两种不同老化方式下,改性剂SBS均能减缓沥青四组分的变化对其微观结构的影响,即减小两者之间的线性相关系数。
【关键词】:全气候老化 沥青混合料 沥青四组分 原子力显微镜 流变性
【学位授予单位】:苏州科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TE626.86
【目录】:
  • 中文摘要6-8
  • Abstract8-13
  • 第一章 绪论13-22
  • 1.1 研究背景、内容和意义13-17
  • 1.2 国内外的研究现状17-20
  • 1.2.1 沥青老化的宏观流变性能研究17-18
  • 1.2.2 沥青混合料老化的宏观路用性能研究18-19
  • 1.2.3 沥青老化的化学组分研究19
  • 1.2.4 沥青老化的微观研究19-20
  • 1.2.5 沥青老化宏观和微观间关联的研究20
  • 1.3 研究目的、思路和技术路线20-22
  • 1.3.1 研究目的20-21
  • 1.3.2 研究思路和技术路线21-22
  • 第二章 材料和实验方法22-34
  • 2.1 主要原材料22-26
  • 2.1.1 基质沥青和SBS改性沥青22
  • 2.1.2 OGFC-13 基质沥青混合料22-23
  • 2.1.3 OGFC-13 SBS改性沥青混合料23-26
  • 2.1.4 其他原材料26
  • 2.2 实验方法26-33
  • 2.2.1 沥青混合料全气候老化加速试验26-27
  • 2.2.2 沥青SHRP模拟老化RTFOT和PAV试验27-28
  • 2.2.3 沥青混合料的抽提和蒸馏试验28-29
  • 2.2.4 沥青流变性能试验29-30
  • 2.2.5 沥青混合料的路用性能试验30
  • 2.2.6 沥青的四组分试验30-32
  • 2.2.7 沥青微观性能试验32-33
  • 2.3 本章小结33-34
  • 第三章 OGFC-13 沥青混合料路用性能及其回收沥青流变性能34-48
  • 3.1 全气候老化OGFC-13 基质沥青混合料的路用性能34
  • 3.2 全气候老化OGFC-13 SBS改性沥青混合料的路用性能34-38
  • 3.2.1 冻融劈裂试验34-36
  • 3.2.2 高温车辙试验36-37
  • 3.2.3 低温小梁弯曲试验37-38
  • 3.3 全气候老化沥青混合料回收沥青的流变性能38-41
  • 3.3.1 基质和SBS改性沥青的旋转黏度38-39
  • 3.3.2 基质和SBS改性沥青的动态剪切流变性能39-41
  • 3.4 全气候老化SBS改性沥青混合料路用性能与其回收沥青流变性能间的关联41-44
  • 3.5 SHRP老化沥青的流变性能44-46
  • 3.5.1 基质和SBS改性沥青的旋转黏度44-45
  • 3.5.2 基质和SBS改性沥青的动态剪切流变性能45-46
  • 3.6 本章小结46-48
  • 第四章 关于全气候老化沥青混合料回收沥青四组分的研究48-63
  • 4.1 全气候老化沥青的四组分研究48-58
  • 4.1.1 基质和SBS改性沥青的四组分以及SBS对其的影响48-51
  • 4.1.2 基质和SBS改性沥青四组分与其流变性能间的关联51-55
  • 4.1.3 全气候老化 OGFC-13 SBS 改性沥青混合料路用性能与其回收沥青四组分关联性55-58
  • 4.2 SHRP老化沥青的四组分研究58-61
  • 4.2.1 基质和SBS改性沥青的四组分以及SBS对其的影响58-60
  • 4.2.2 基质和SBS改性沥青四组分与其流变性能间的关联60-61
  • 4.3 本章小结61-63
  • 第五章 关于全气候老化沥青混合料回收沥青AFM的研究63-82
  • 5.1 全气候老化沥青微观AFM研究63-76
  • 5.1.1 基质和SBS改性沥青的AFM微观结构以及SBS对其的影响63-69
  • 5.1.2 基质和SBS改性沥青AFM微观结构与其流变性能间的关联69-74
  • 5.1.3 全气候老化SBS改性沥青AFM微观结构与其混合料路用性能间的关联74-76
  • 5.2 SHRP老化沥青微观AFM研究76-81
  • 5.2.1 基质和SBS改性沥青的AFM微观结构以及SBS对其的影响76-79
  • 5.2.2 基质和SBS改性沥青AFM微观结构与其流变性能间的关联79-81
  • 5.3 本章小结81-82
  • 第六章 全气候老化沥青的化学组分和AFM微观结构间的关联82-92
  • 6.1 全气候老化沥青混合料回收沥青82-86
  • 6.1.1 基质沥青82-84
  • 6.1.2 SBS改性沥青84-86
  • 6.2 SHRP老化沥青86-90
  • 6.2.1 基质沥青86-88
  • 6.2.2 SBS改性沥青88-90
  • 6.3 本章小结90-92
  • 第七章 结论、创新点和展望92-94
  • 7.1 结论92-93
  • 7.2 创新点93
  • 7.3 展望93-94
  • 参考文献94-98
  • 图表目录98-104
  • 致谢104-105
  • 作者简历105

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