微纳米材料改性沥青结合料与混合料性能研究

摘要

沥青路面病害一直是影响道路路面质量和寿命的主要因素，而改性沥青的研究则正是为了提高和改善路面的质量和寿命。微纳米材料因其独特的特性，而被广泛地应用于全球的各个专业领域。由此本文改性沥青研究主要是采用与选用了五种微纳米材料（微米碳纤维、高聚物改性纳米粘土、非改性纳米粘土、I44P系列纳米粘土和纳米硅）对普通沥青PG58-34进行改性研究。本文实验部分主要是将2％和4％微米碳纤维(MCF)，2％和4％高聚物改性纳米粘土(PMN)，2％和4％非改性纳米粘土(NMN)，2％和4％ I44P系列纳米粘土(NI.44P)，4％和6％纳米硅(NS)分别作为改性剂掺加到PG58-34普通沥青中进行改性研究;且本论文结合料试验部分主要是应用SuperpaveTM沥青结合料测试规范来衡量改性沥青结合料性能，其主要是采用沥青结合料试验（旋转粘度RV试验，动态剪切DSR试验和弯曲梁流变BBR试验）来评价其改性沥青高低温及流变性能，同时也对短期老化(RTFO)和长期老化(PAV)后的改性沥青和普通沥青进行性能测试。本文还通过计算沥青结合料动态剪切试验的每个加载周期能量消散来更好的评价改性沥青的抗车辙和裂缝性能;并应用扫描式电子显微镜(SEM)来观察微纳米材料的微观结构和沥青结合料微观性能及改性剂分布情况;同时还采用傅里叶变换红外线光谱分析仪(FTIR)来改性沥青结合料和普通沥青结合料分子结构及不同元素间键的结合情况，且通过比较老化前后的老化因子等其他元素间键在改性沥青中的量变化来判断改性剂是否对延缓老化有帮助。本文混合料试验部分还应用SuperpaveTM旋转压实仪成型普通沥青和改性沥青混合料，并对其进行沥青混合料性能试验测试，其中包括沥青混合料动态模量试验、沥青路面车辙分析试验、沥青混合料流动数试验和间接拉伸试验等试验测试方法。本文数值模拟部分主要是应用离散元方法来模拟沥青结合料弯曲梁流变试验。通过微纳米材料改性沥青结合料及混合料性能试验结果来评价微纳米材料对普通沥青的改性效果，其研究成果如下：
　　⑴微纳米沥青结合料高低温及流变性能研究。根据普通沥青和改性沥青结合料的旋转粘度试验和动态剪切试验结果来看，在添加微米碳纤维、非改性纳米粘土和I44P系列纳米粘土到普通沥青中后，其改性沥青的粘度与复数剪切模量值都得到一定程度的提高，而添加高聚物改性纳米粘土和纳米硅到普通沥青中，其改性沥青的粘度与复数剪切模量将会有有所下降;根据普通沥青和改性沥青结合料的弯曲梁流变试验结果可知，在添加微米碳纤维、高聚物改性纳米粘土、非改性纳米粘土、I44P系列纳米粘土和纳米硅到普通沥青中后，微纳米材料改性沥青的蠕变模量都得到少量的升高，但是其影响范围不足以造成沥青PG等级的更改，因此，微纳米材料改性沥青的低温性能基本上没有降低。
　　⑵微纳米改性沥青结合料微观性能及化学分析。由微纳米材料、普通沥青和改性沥青结合料的扫描式电子显微镜(SEM)图像和傅里叶变换红外线光谱分析仪(FTIR)结果可知微米碳纤维、高聚物改性纳米粘土、非改性纳米粘土、I44P系列纳米粘土和纳米硅等改性剂的颗粒尺寸以及微纳米材料改性沥青中的化学键组合的量变化;根据普通沥青和改性沥青FTIR实验结果来看，微米碳纤维、高聚物改性纳米粘土、非改性纳米粘土、I44P系列纳米粘土和纳米硅五种改性剂能够延缓和弱化其改性沥青的老化过程和影响。
　　⑶微纳米改性沥青混合料性能研究。根据普通沥青和改性沥青混合料的动态模量试验、沥青路面车辙分析试验、流动数试验和间接拉伸试验结果可知，在添加微米碳纤维、高聚物改性纳米粘土、非改性纳米粘土、I44P系列纳米粘土和纳米硅到普通沥青中后，微纳米材料改性沥青混合料的动态模量、流动数、回弹模量、干燥拉伸强度与抗车辙能力等都能够得到较大程度的提高。
　　⑷沥青结合料弯曲梁流变试验离散元模拟研究。数值模拟研究主要是应用离散元数值模拟方法来建立三维离散元梁模型模拟沥青结合料弯曲梁流变BBR试验。本次数值模拟主要是通过沥青弯曲梁流变试验值来获取其模型的输入参数，且验证其离散元模型，并开展数值模拟得出结果。其结果显示，采用离散元广义马克斯维尔模型回归参数来进行模拟时，沥青弯曲梁劲度模量模拟值与试验值最为接近。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 本文研究的意义

1．2 国内外研究概况

1．3 本文研究内容

1．3．1 微纳米材料沥青结合料高低温及流变性能研究

1．3．2 微纳米材料改性沥青结合料微观性能及化学分析研究

1．3．3 微纳米材料改性沥青混合料性能研究

1．3．4 沥青结合料弯曲梁流变试验离散元模拟研究

1．4 研究方法及技术路线

1．5 创新点

第二章 实验材料与性能试验计划

2．1 实验材料

2．1．1 普通沥青PG58-34

2．1．2 微米碳纤维

2．1．3 高聚物改性纳米粘土

2．1．4 非改性纳米粘土

2．1．5 144P系列纳米粘土

2．1．6 纳米硅

2．2 沥青结合料与沥青混合料性能试验安排

2．2．1 沥青结合料的旋转粘度试验(RV)

2．2．2 沥青结合料的动态剪切试验(DSR)

2．2．3 沥青结合料的弯曲集流变试验(BBR)

2．2．4 沥青老化试验

2．2．5 沥青结合料的电场发射扫描式电子显微镜测试(FE-SEM)

2．2．6 沥青结合料的傅里叶变换红外光谱测试(FTIR)

2．2．7 沥青混合料的动态模量试验

2．2．8 沥青混合料的沥青路面车辙分析试验(APA)

2．2．9 沥青混合料的流动数试验(FN)

2．2．10 沥青混合料的间接拉伸试验(ITT)

2．3 本章小结

第三章 沥青结合料高低温及流变性能研究

3．1 微纳米改性沥青的制作

3．2 微纳米改性沥青的旋转粘度试验研究

3．3 微纳米改性沥青的动态剪切试验研究

3．3．1 非改性纳米粘土与高聚物纳米粘土

3．3．2 144P系列纳米粘土与微米碳纤维

3．3．3 钠米硅

3．4 微纳米改性沥青的弯曲梁流变试验研究

3．4．1 非改性纳米粘土与高聚物纳米粘士

3．4．2 144P系列纳米粘土与微米碳纤维

3．4．3 纳米硅

3．5 本章小结

第四章 沥青结合料微观性能和化学分析研究

4．1 微纳米沥青结合料的微观性能研究

4．2 微纳米沥青结合料的化学分析研究

4．3 本章小结

第五章 改性沥青混合料力学和路用性能研究

5．1 微纳米沥青混合料的制作

5．2 微纳米沥青混合料的动态模量研究

5．3 微纳米沥青混合料的抗车辙能力研究

5．4 微纳米沥青混合料的流动数试验研究

5．5 微纳米沥青混合料的间接拉伸试验研究

5．6 本章小结

第六章 沥青结合料弯曲梁流变试验的离散元模拟

6．1 前言

6．2 目的与意义

6．3 离散元模型

6．4 离散元模型的验证

6．5 试验测试结果与数据分析

6．6 沥青结合料弯曲梁流变BBR试验时间依存性的离散元模拟

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 本文研究主要结论

7．1．1 微纳米沥青结合料高低温及流变性能试验研究

7．1．2 微纳米改性沥青结合料微观性能及化学分析研究

7．1．3 微纳米改性沥青混合料性能试验研究

7．1．4 沥青结合料弯曲梁流变试验离散元模拟研究

7．2 本文研究创新点

7．3 进一步研究与展望

参考文献

致谢

博士期间的主要科研成果

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