沥青、集料的表面自由能及水分在沥青中的扩散研究

摘要

沥青路面的水损害是路面损害的主要形式之一。目前主要应用表面自由能理论对沥青-集料体系的抗水损害性能进行研究，并已取得一些研究成果。但是当前该研究仅局限于利用表面自由能理论对沥青-集料的抗水损害能力进行评价，没有系统地对沥青表面自由能与其化学组成的关系进行研究，同时对于引起粘聚破坏的水分在沥青中的扩散行为和扩散机理研究也较少。为此，本文首先确定了沥青的表面自由能，然后以23种美国战略公路研究计划(Strategic Highway Research Program，SHRP)中的沥青为研究对象，考察了沥青的化学组成与其表面自由能的关系，同时还探索了沥青的短期和长期老化以及多聚磷酸、SasobitR石蜡和抗剥落剂对沥青表面自由能影响的规律，并分析了表面自由能的变化机制，探讨了沥青水敏感性的变化。此外还用躺滴法确定了集料的表面自由能，考察了沥青-集料粘附性能。最后用电化学阻抗方法研究了水分在沥青中的扩散过程，并结合红外光谱分析结果初步探讨了水分在沥青中的扩散机理。通过以上研究和分析，取得了如下的研究成果： 以Owens-Wendt理论为基础，结合躺滴法确定的沥青与不同极性液体之间的接触角，可以计算得到沥青表面自由能的极性和色散分量，进而得到沥青的表面自由能。与其他方法相比较，躺滴法具有简单易行的优点。沥青的表面自由能中色散分量占主要部分，反映沥青主要由非极性碳氢化合物组成。 沥青的化学组成与其表面自由能的单因素分析结果表明，沥青的四组分含量和蜡含量中，饱和分、芳香分含量和蜡含量与沥青表面自由能的线性相关系数较低，但总的趋势为表面自由能随三者含量的增加而减小，即负相关；胶质含量与沥青的表面自由能成线性正相关，相关系数为0.826；沥青质含量的自然对数与沥青的表面自由能负相关，相关系数为0.892；胶质/沥青质含量比值的自然对数与沥青的表面自由能正相关，相关系数为0.905；胶体指数与沥青的表面自由能正相关，相关系数为O.800；沥青的表面自由能分别与碳、氮和硫含量之间有着较好的二次方程关系，相关系数分别为0.745、0.807和0.803；但是与氢、氧以及镍、钒含量之间的相关性不显著。多元回归分析结果表明沥青的表面自由能与四组分含量的回归关系显著，沥青的表面自由能与四组分含量及蜡含量的回归关系也较显著，而沥青的表面自由能与元素含量的回归关系显著性较差，沥青的表面自由能与四组分含量、蜡含量以及元素含量的回归关系的显著性非常好。 老化过程对沥青表面自由能的影响比较复杂，基本无规律性；多聚磷酸加入后，沥青表面自由能的变化与原样沥青中沥青质的含量有关。低沥青质的沥青在与多聚磷酸作用之后，其表面自由能出现先上升后下降的结果；而沥青质含量高的沥青在加入多聚磷酸之后，其表面自由能的变化基本为下降的趋势。抗剥落剂的加入造成沥青的表面自由能增加；加入SasobitR石蜡可提高沥青疏水性，降低沥青表面自由能。 电化学阻抗法可用来研究水分在沥青中的传输过程，该过程可以使用2个等效电路模型进行描述。研究结果显示该扩散过程可分为2个阶段：水分与沥青作用形成扩散通道的阶段和水分在沥青中较快扩散的阶段。前者进展缓慢，为整个扩散过程的速率控制步骤。水分在沥青中的扩散依靠水分子与沥青中的极性基团和电负性强的原子之间的氢键作用力、取向力和诱导力等作用，形成微活化中心，进而形成水分富集和渗入的毛细通道在沥青体系中进行传输。含极性基团和氧氮杂原子多的沥青抗水损害能力较弱。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

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论文创新点摘要

第1章前言

1.1研究背景

1.2表面自由能表征沥青-集料的水敏感性

1.3沥青表面自由能／表面张力的确定方法

1.3.1直接方法

1.3.2间接方法

1.4集料表面自由能的确定方法

1.4.1接触角法

1.4.2热量法

1.4.3吸附法

1.5沥青粘聚性

1.6沥青-集料粘附性

1.6.1沥青-集料粘附理论

1.6.2沥青与集料粘附性试验分析

1.6.3沥青与集料粘附性影响因素

1.6.4沥青-集料粘附性改善措施

1.7水分在沥青中的扩散

1.7.1重量法

1.7.2红外光谱-衰减全反射（Fourier-Transform Infrared-Attenuated Fotal Reflectance，FTIR-ATR)

1.7.3 Diffusion-Through试验

1.8研究思路与主要内容

第2章 躺滴法表征沥青表面自由能

2.1前言

2.2表面自由能

2.3躺滴法(Sessile Drop Method)

2.4实验部分

2.4.1沥青样品

2.4.2样品的制备

2.4.3接触角的测量

2.5结果与讨论

2.5.1接触角

2.5.2表面自由能

2.6老化与沥青的表面自由能

2.6.1实验部分

2.6.2结果与讨论

2.7粘聚功与Pull-off强度

2.7.1 Pull-off强度

2.7.2粘聚功与Pull-off强度的关系

2.8本章小结

第3章沥青化学组成与表面自由能的关系

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1实验沥青

3.2.2接触角的测定和表面自由能的确定

3.3结果与讨论

3.3.1接触角

3.3.2表面自由能

3.3.3单因素分析

3.3.4多因素分析

3.4本章小结

第4章改性对沥青表面自由能的影响

4.1前言

4.2多聚磷酸改性沥青

4.2.1多聚磷酸改性沥青简介

4.2.2实验部分

4.2.3结果与讨论

4.3抗剥离剂的影响

4.3.1抗剥落剂简介

4.3.2实验部分

4.3.3结果与讨论

4.4 Sasobit@温拌沥青

4.4.1温拌沥青

4.4.2实验部分

4.4.3结果与讨论

4.5本章小结

第5章躺滴法表征集料表面自由能

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1试验材料

5.2.2样品的制备与表征

5.3结果与讨论

5.3.1沥青与液体的接触角及其表面自由能

5.3.2集料与液体的接触角及其表面自由能

5.3.3沥青的粘聚功和沥青-集料的粘附功

5.4本章小结

第6章电化学阻抗研究水分在沥青中的扩散

6.1前言

6.2电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)

6.2.1简介

6.2.2 EIS研究水分在涂层中的传输行为

6.2.3等效电路模型

6.3实验部分

6.3.1沥青

6.3.2样品制备

6.3.3实验仪器及表征方法

6.4结果与讨论

6.4.1阻抗谱图与阻抗模型

6.4.2水在沥青中的传输行为

6.4.3水分在沥青中的扩散机理探讨

6.4.4扩散系数

6.4.5 FTIR分析

6.4.6表面形态分析

6.5本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

作者简介