夏热冬寒地区纳米改性沥青研究

摘要

延志吴高速公路地处于延安市,所经地区为夏热冬寒地带,年平均温度9.7℃,极端最高气温39.7℃,极端最低气温-28.5℃,非常容易使路面产生车辙与开裂病害,对于沥青混合料的高温和低温性能均提出了很高的要求。传统的沥青材料很难同时满足抵抗车辙和开裂的性能,尤其是对于夏热冬寒地区更为突出。因此,本文采用纳米材料/聚合物复合改性沥青来同时提高沥青高温抵抗车辙,低温抵抗缩裂的能力,使之适用于高、低温环境下的路面地区,具有非常重要的实际意义。
　　首先,本文初选纳米A、纳米B、纳米C、纳米D、纳米E五种纳米材料,采用适宜的活化剂对其表面进行活化改性,通过亲油化度试验及红外光谱研究活化剂对不同无机纳米粒子材料表面活化改善效果的影响。亲油化度测试纳米粒子表面修饰前后的结果表明,每种纳米粒子表面的亲油化度程度都得到提高;红外光谱分析表明,活化剂已通过化学键接到了无机纳米粒子的表面,证明活化剂对纳米材料表面改性是有效可行的。
　　其次,采用搅拌+高速剪切的方法分别制备纳米改性沥青与聚合物改性沥青,通过常规指标对纳米材料及聚合物进行比选,筛选出性能较优的改性剂。以同样的制备工艺,采用三因素正交试验及两因素互补试验方案制备纳米/聚合物复合改性沥青,分别用极差分析法和对比法筛选出两种方案的各种改性剂最佳组合。对每种组合采用性能、造价综合对比分析,比选出最佳的纳米复合改性沥青,有3％A+0.5%C+3.7%SBS、5%B+1%C+3%SBR、3%A+4%SBR、5%B+4%SBR、5%A+4.2%SBS。
　　然后,对比选出的纳米复合改性沥青进行老化性能、DSR、BBR、离析试验研究。在老化性能试验中,采用质量损失、针入度比、延度对纳米复合改性沥青的抗老化性能进行评价。DSR试验通过复变剪切模量G*、相位角δ和车辙因子G*/sinδ评价纳米复合改性沥青的高温性能;BBR试验采用弯曲蠕变劲度模量S和蠕变曲线的斜率m两个参数来评价纳米复合改性沥青低温抗裂性能。从而终选出适合夏热冬寒地区的三种纳米复合改性沥青,为3%A+0.5%C+3.7%SBS、5%B+4%SBR、5%A+4.2%SBS,研究表明无论抗老化性能还是高、低温性能都得到了显著提高。同时对终选的纳米复合改性沥青进行离析试验分析,表明经过表面活化的纳米材料的加入可以明显改善复合改性沥青的相容性。
　　最后,通过扫描电镜和荧光显微镜直接观测终选的纳米复合改性沥青中纳米和聚合物改性材料在沥青中的分布状态以及与沥青两者间的界面结合情况,用红外光谱仪分析纳米复合改性沥青微观改性机理。同时研究纳米材料和聚合物加入到基质沥青中的相互作用机理,进而来探讨纳米材料/聚合物复合改性沥青的技术性能,以期望达到良好的改性效果,促进纳米材料改性沥青的发展与应用。

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第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2纳米改性沥青国内外研究现状

1.3本文的研究内容和技术路线

第二章 夏热冬寒地区纳米复合改性沥青材料初选

2.1基质沥青

2.2纳米材料改性剂

2.3聚合物改性剂

2.4 本章小结

第三章 无机纳米粒子表面修饰及效果分析

3.1 无机纳米粒子特点

3.2无机纳米粒子表面修饰

3.3纳米粒子表面活化的制备

3.4无机填料表面修饰效果检测

3.5本章小结

第四章 夏热冬寒地区纳米复合改性沥青试验研究

4.1制备方法

4.2纳米粒子比选

4.3聚合物改性效果分析

4.4正交试验设计

4.5正交试验结果与分析

4.6两因素补充试验研究

4.7最佳组合方案确定

4.8本章小结

第五章 夏热冬寒地区纳米复合改性沥青性能研究

5.1薄膜烘箱老化试验

5.2 SHRP试验性能分析

5.3离析试验及分析

5.4本章小结

第六章 夏热冬寒地区纳米复合改性沥青机理研究

6.1纳米复合改性沥青微观结构表征

6.2共混机理分析

6.3本章小结

结论与展望

参考文献

致谢