瀝青與礦料界面作用機(jī)理及多尺度評(píng)價(jià)方法研究.pdf

1、傳統(tǒng)瀝青路面材料研究集中在單質(zhì)材料的性能和摻配比例設(shè)計(jì)，而異相材料間的界面相常常因?yàn)椴灰撞蹲交驈?fù)雜多變而被忽略。但實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明界面相容易產(chǎn)生缺陷、發(fā)生應(yīng)力集中顯著影響著整體材料的壽命。瀝青與礦料的交互作用是產(chǎn)生界面相的直接因素?；谝陨显?，本研究通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬、物理化學(xué)表征、動(dòng)態(tài)力學(xué)分析、宏觀界面測(cè)試等技術(shù)，從納米、微米、毫米多個(gè)尺度對(duì)瀝青混合料的界面交互作用機(jī)理及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。主要的研究工作包括以下幾點(diǎn)：
　　從納米

2、級(jí)尺度對(duì)瀝青在礦料表面的吸附行為進(jìn)行了研究。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)對(duì)瀝青四組分和集料五種代表性礦物晶體進(jìn)行了模型構(gòu)建及合理性驗(yàn)證，進(jìn)一步建立了瀝青-礦料界面系統(tǒng)模型，對(duì)界面吸附、擴(kuò)散行為進(jìn)行了分子尺度模擬。結(jié)果表明：范德華力在粘附功中占主導(dǎo)作用，庫(kù)侖靜電力較弱，礦料成分對(duì)粘附功的影響大小排序?yàn)椋篊aO>MgO>SiO2>Al2O3>Fe2O3，瀝青四組分對(duì)粘附功的影響大小排序?yàn)椋悍枷惴?瀝青質(zhì)>膠質(zhì)>飽和分，升高溫度會(huì)提高瀝青與礦料界面

3、粘附功、加快瀝青組分?jǐn)U散速率使其分布更加均勻；瀝青各組分在Al2O3表面的擴(kuò)散速度要大于其余礦物晶體，CaO表面瀝青各組分?jǐn)U散系數(shù)的溫度敏感性最大，瀝青中各組分?jǐn)U散速率大小排序?yàn)椋猴柡头?芳香分>膠質(zhì)>瀝青質(zhì)；交互作用使得瀝青四組分在垂直礦物表面方向上的濃度峰值高于平行礦物表面方向，峰值分布位置驗(yàn)證了瀝青膠體結(jié)構(gòu)模型：膠質(zhì)包裹瀝青質(zhì)形成瀝青質(zhì)膠團(tuán)分散在輕質(zhì)油分中。
　　從微觀尺度對(duì)瀝青在礦料表面的吸收行為開(kāi)展了研究。通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)及

4、微納觀表征技術(shù)提出了結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青的分界標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)二者進(jìn)行了分離及相應(yīng)的力學(xué)、化學(xué)分析，揭示了瀝青在礦料表面的吸收機(jī)理。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)瀝青厚度在1μm左右，該厚度以內(nèi)瀝青模量顯著提高，表面蜂巢結(jié)構(gòu)消失；甲苯作用會(huì)分散瀝青的組成結(jié)構(gòu)，加速瀝青的老化，從而導(dǎo)致瀝青復(fù)數(shù)模量的升高；礦粉對(duì)于膠漿模量增強(qiáng)的貢獻(xiàn)主要是靠礦粉顆粒本身的強(qiáng)度，而不同種材料之間的增強(qiáng)程度差異主要是由于礦粉與瀝青間交互作用水平不同所致；由于界面交互作用導(dǎo)致的瀝青模量改

5、變?cè)诟邷鼗虻皖l時(shí)更加顯著；礦粉更易吸收瀝青中的極性組分，如瀝青質(zhì)，且石灰?guī)r比花崗巖的吸收能力更強(qiáng)；礦料表面的比表面積等物理性質(zhì)是決定吸附瀝青總量的主要因素，而礦物組成等化學(xué)性質(zhì)會(huì)影響吸附層厚度。
　　從微米級(jí)尺度對(duì)瀝青與礦粉交互作用評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析手段對(duì)不同種瀝青與瀝青膠漿的流變參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，計(jì)算得到了瀝青與礦粉間的交互作用水平；對(duì)交互作用參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比和改進(jìn)；對(duì)瀝青與填料間的交互作用影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析；

6、建立了瀝青-礦粉間交互作用水平與瀝青膠漿粘彈特性之間的關(guān)系。結(jié)果表明：改進(jìn)后的基于Palierne理論模型的交互作用參數(shù)C值靈敏度更高，更具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；溫度升高，瀝青中極性組分含量增多，礦粉比表面積變大，礦粉粒度組成變細(xì)，SiO2含量降低均會(huì)使得瀝青與礦粉的交互作用能力增強(qiáng)；在25℃-45℃范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)數(shù)模量、車(chē)轍因子和疲勞因子與交互作用參數(shù)C值之間具有十分顯著的線性關(guān)系，在15℃和55℃時(shí)，線性關(guān)系顯著，瀝青膠漿的平均相位角只有在25

7、℃和35℃時(shí)，與交互作用參數(shù)C值具有顯著的線性關(guān)系。
　　從毫米級(jí)尺度對(duì)瀝青與集料交互作用評(píng)價(jià)方法開(kāi)展了研究。開(kāi)發(fā)了一套評(píng)價(jià)瀝青與集料交互作用能力的測(cè)試系統(tǒng)，提出了相應(yīng)指標(biāo)IP值并驗(yàn)證了有效性，實(shí)現(xiàn)了瀝青與集料間交互作用能力的量化；利用該系統(tǒng)分析了瀝青-普通集料和瀝青-人造再生集料間交互作用能力的影響因素；對(duì)交互作用水平與界面剪切性能之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：提高溫度或延長(zhǎng)界面作用時(shí)間可以提高瀝青-人造再生礦料間的交互作用

8、能力；瀝青與普通集料的交互作用能力隨服役時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增加后下降的趨勢(shì)，石灰?guī)r與瀝青之間的最大交互作用水平強(qiáng)于花崗巖；當(dāng)測(cè)試頻率為5Hz或1Hz時(shí)，交互作用水平與界面抗剪切能力之間有著顯著的相關(guān)性。
　　從納米、微米、毫米多尺度對(duì)交互作用尺度關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究?；诜肿觿?dòng)力學(xué)模擬技術(shù)和表面能方法分別從分子尺度、礦粉尺度和集料尺度對(duì)瀝青與礦料之間的界面粘附功進(jìn)行了測(cè)算，分析了界面粘附功的尺度相關(guān)性；通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析和界面測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)