基于原子力显微镜的沥青微观自愈机理研究和定量分析

摘要

沥青的自愈特性对沥青混凝土路面的寿命预测和设计有极其重要的影响，但是现阶段关于沥青自愈机理的研究较为匮乏。本论文利用原子力显微镜(Atomic ForceMicroscopy，简称AFM)观测沥青微观尺度下的存在状态，分析沥青微观结构的产生机理及其随环境条件变化规律，采用傅里叶红外光谱试验研究沥青官能团，通过接触角测试分析表面能分量，由此定量分析沥青组分与分离相之间的关系，在此基础上认识沥青的自愈过程并阐述沥青微观自愈机理。
　　首先，比选各种研究沥青微观结构的试验方法，认为原子力显微镜避免了传统观测方法在观测过程中对材料表面造成损伤的缺点，适用于沥青微观研究。同时，阐述了原子力显微镜的观测原理，并通过试验确定了制样方法和试验参数。
　　其次，利用原子力显微镜分析了沥青种类、短期老化及冷却速度对沥青微观结构（命名为“蜂状结构”）的影响，利用旋节线分解理论分析了沥青微观相分离行为，并探讨不同相的物质组成及不同相之间的相互作用关系。观测结果发现不同沥青的蜂状结构尺寸不尽相同，而且对短期老化敏感性不一，同时制样冷却速度对观测结果有着重要影响;而沥青中沥青质和胶质对蜡晶的分散效果以及沥青质的成核作用是影响沥青微观结构形态的重要因素。
　　然后，通过一系列定量试验验证了“沥青中（沥青质+胶质）/蜡的比值是影响微观结构形态的重要因素”的观点:傅里叶红外光谱试验(Fourier Transforminfrared spectroscopy，FTIR)的试验结果显示50号沥青在老化再生过程中极性组分与非极性组分的比例先增大后减小，而50号沥青的蜂状结构也经历了先变小后变大的过程;70号沥青和SBS改性沥青的表面能数据可以表示极性组分与非极性组分之比，随着SBS的加入，蜂状结构也随之变小变分散。
　　最后，本论文根据原子力显微镜观测结果利用Stitch-Welding机理对沥青自愈机理进行分析，认为蜂状结构在沥青裂缝愈合中起到的作用可以分为两个部分:当温度低于蜂状结构的玻璃转化点时，蜂状结构由于处于固体状态对界面愈合起不利作用;而当温度高于蜂状结构的玻璃转化点时，蜂状结构将会熔化从而流动性能大大增强，而且这类分子具有长链短支结构，能够自由地变化键角进行扩散，同时，这类分子在温度降低时将会通过结晶提高沥青界面的强度，该分析结果与已有部分试验结果相吻合。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 论文研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1自愈对路用性能影响分析

1．2．2 沥青材料宏观自愈性能评价方法

1．2．3 沥青自愈机理研究

1．2．4 沥青微观结构与自愈关系分析

1．2．5 现有研究不足分析与思考

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第二章 原子力显微镜观测原理与方法

2．1 沥青微观研究方法比选

2．2 原子力显微镜观测原理

2．2．1 原子力显微镜结构

2．2．2 原子力显微镜成像模式

2．3 沥青微观结构研究概述

2．3．1 沥青元素组成

2．3．2 沥青组分分析

2．3．3 沥青微观结构

2．4 原子力显微镜观测方法

2．4．1 试验设备

2．4．2 试验参数

2．4．3 制样方法

2．5 本章小结

第三章 基于原子力显微镜的沥青微观结构研究

3．1 材料性质及试验方案

3．2 原子力显微镜观测结果分析

3．2．1 原子力显微镜观测结果

3．2．2 沥青微观结构特征分析

3．3 沥青微观结构形成机理分析

3．3．1 相变理论

3．3．2 沥青相变过程分析

3．3．3 蜂状结构形成机理分析

3．3．4 分离相组分分析

3．4 本章小结

第四章 沥青微观相形成机理定量表征

4．1 方案设计

4．2 方案实施

4．2．1 材料与试剂

4．2．2 测试仪器

4．3 结果与讨论

4．3．1 再生过程分析

4．3．2 聚合物改性过程分析

4．4 本章小结

第五章 基于沥青微观结构的自愈机理研究

5．1 传统沥青自愈机理研究不足分析

5．1．1 基于FTIR结果的沥青自愈性能研究

5．1．2 基于表面能的沥青自愈性能研究

5．1．3 分析与思考

5．2 基于沥青微观结构的自愈机理分析

5．3 对沥青材料设计建议

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2展望

参考文献

致谢

附录