基于DMA方法对沥青粘弹性能的研究

摘要

动态力学分析(DMA)是研究粘弹性材料在周期性变化的应力(或应变)作用下的力学行为,是研究沥青粘弹性能的重要手段。通过DMA方法,可以得到不同应力、应变、时间、温度和频率范围内沥青的动态粘弹性能,因此采用DMA方法可以全面的评价沥青的粘弹性能。聚合物的粘弹性能与其组分间的相互作用、相形态密切相关,流变响应能准确反映其形态结构的变化,而形态结构也在很大程度上决定着它的使用性能。DMA通常在小应变条件下进行测定,其过程不会对材料本身结构造成影响或破坏,并且高分子材料呈现的线性粘弹性响应对相态结构的变化十分敏感,研究表明DMA方法可以很好的研究均相聚合物和多组分、多相聚合物的相态结构。因此可以通过DMA对沥青、改性沥青及沥青矿粉胶浆的相态结构、相容性以及沥青与矿粉的界面作用进行分析,并根据相态结构的变化规律来分析沥青的粘弹性力学行为。本文是基于DMA方法对沥青粘弹性能进行研究,对沥青的相态结构和动态粘弹性能进行了分析,深入探讨了沥青的相态结构和动态粘弹性能之间的关系。本文的研究改进了目前DMA方法在沥青粘弹性能中的应用,为今后的工程实际应用奠定了理论基础。主要研究内容包括:采用DMA对沥青及改性沥青的相态结构分析,分别采用Han曲线的温度依赖性、动态粘弹参数与频率的变化曲线来分析,Han曲线出现温度依赖性表明相态结构分离,研究结果表明沥青与改性沥青的相态结构明显不同,沥青可以近似看为均相聚合物,而改性沥青在所测温度和频率范围内为多相聚合物。根据DMA频率扫描结果对沥青和改性沥青的时温等效原理进行了研究,从沥青和改性沥青的相态结构对时温等效原理的适用性进行了分析,当均相聚合物的相态结构出现分离时,时温等效原理失效,对于多相聚合物,时温等效原理也是不满足的。并且对不同沥青的移位因子和低温下的移位因子进行了分析,采用WLF方程进行拟合,结果表明沥青的移位因子与加载方式无关,而不同的沥青的移位因子明显不同。沥青矿粉胶浆由于矿粉填料的加入,形成了多组分聚合物,改变了沥青的相态结构,特别是对于改性沥青矿粉胶浆,由于沥青、矿粉与SBS改性剂间的复杂的相互作用,使其相态结构变得更加复杂。因此采用DMA方法对沥青矿粉胶浆和改性沥青矿粉胶浆的相态结构研究,并且根据沥青及沥青矿粉胶浆的损耗因子tanδ计算出参数A,用来分析沥青与胶浆的界面粘结程度,研究表明了改性沥青矿粉胶浆的相态结构的复杂性。为了对沥青的动态粘弹性能进行分析,对沥青的动态粘弹性能的本构关系进行了研究,分别采用了广义Maxwell模型和分数阶导数Maxwell模型对动态粘弹性能进行拟合,并对两种模型的拟合结果进行分析。研究结果表明广义Maxwell模型在曲线两端拟合效果较差,因此广义Maxwell模型的拟合结果不适合外延,且广义Maxwell模型的拟合结果没有明确的物理意义;分数阶导数Maxwell模型的拟合效果较好,且拟合得到的参数具有一定的物理意义,可以定量的评价沥青的动态粘弹性能。根据广义Maxwell模型的拟合结果对沥青的动静态粘弹函数的转换关系进行了研究。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 DMA 方法在沥青中的应用现状

1.2.2 沥青及沥青胶浆结构研究现状

1.2.3 沥青粘弹性能本构关系研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第2章 应用DMA 研究沥青及改性沥青的相态结构

2.1 DMA 应用理论基础

2.1.1 DMA 测试原理

2.1.2 DMA 温度谱和频率谱

2.1.3 均相聚合物线性粘弹理论模型

2.1.4 多相聚合物DMA 应用理论基础

2.2 试验材料及试验仪器

2.3 Han 曲线温度依赖性分析

2.3.1 Han 曲线的温度依赖性与相行为的关系

2.3.2 沥青Han 曲线的温度依赖性

2.3.3 改性沥青Han 曲线的温度依赖性

2.4 动态粘弹性能的频率依赖性分析

2.4.1 储存模量、损失模量的频率依赖性

2.4.2 相位角的频率依赖性

2.5 本章小结

第3章 应用DMA 对时温等效原理的研究

3.1 时温等效原理

3.1.1 自由体积理论

3.1.2 时温等效原理

3.2 时温等效原理的适用性分析

3.2.1 沥青时温等效原理适用性

3.2.2 改性沥青时温等效原理适用性

3.3 沥青移位因子的研究

3.3.1 沥青移位因子的计算方法

3.3.2 沥青移位因子分析

3.3.3 沥青低温移位因子分析

3.4 本章小结

第4章 应用DMA 对沥青矿粉胶浆相态结构的研究

4.1 沥青矿粉胶浆性能研究

4.1.1 沥青矿粉胶浆微观结构研究

4.1.2 沥青矿粉胶浆粘弹性能研究

4.1.3 沥青矿粉胶浆性能预测研究

4.2 DMA 对沥青矿粉胶浆相态结构的研究

4.2.1 试验材料

4.2.2 填料类聚合物DMA 应用理论基础

4.2.3 Han 曲线温度依赖性分析

4.2.4 时温等效原理适用性分析

4.2.5 动态粘弹性能频率依赖性分析

4.3 DMA 对沥青与矿粉界面性质的研究

4.3.1 多组分聚合物界面作用分析方法

4.3.2 沥青与矿粉界面作用分析

4.4 本章小结

第5章 应用DMA 对沥青粘弹性能本构关系研究

5.1 线性粘弹性模型

5.1.1 广义Maxwell 模型和Kelvin 模型

5.1.2 广义Maxwell 模型拟合结果分析

5.2 广义Maxwell 模型和Kelvin 模型应用

5.2.1 动静态粘弹函数转换关系

5.2.2 低温松弛模量的预测

5.3 非线性粘弹性模型

5.3.1 非线性粘弹本构理论

5.3.2 分数阶导数本构方程

5.3.3 分数阶导数模型拟合结果

5.3.4 分数阶导数模型拟合结果分析

5.4 本章小结

结论

一、主要结论

二、创新点

三、展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历