【摘要】：天然巖瀝青是一種優(yōu)質(zhì)的路用瀝青改性劑，能有效地改善瀝青材料及其混合料的路用性能。深入研究北美巖瀝青的細觀結(jié)構(gòu)、改性機理、粘彈特性以及路用性能，對提高瀝青路面的使用性能和北美巖瀝青改性劑的推廣應(yīng)用，具有重要的意義。在前人的基礎(chǔ)上，本文采用理論分析、室內(nèi)綜合參數(shù)測定試驗研究、以及北美巖瀝青試驗段實體工程的現(xiàn)場鋪筑和現(xiàn)場檢測分析相結(jié)合的方法，對北美巖瀝青及其混合料路用性能進行系統(tǒng)全面的研究，以期進一步提高北美巖瀝青的作用屬性認識水平和工程應(yīng)用水平。主要研究內(nèi)容與成果如下： （1）通過對不同摻量北美巖瀝青制備巖瀝青改性瀝青的系統(tǒng)試驗研究，分析了北美巖瀝青對基質(zhì)瀝青感溫性、高溫性、低溫性、耐久性的影響，結(jié)果表明北美巖瀝青能明顯改善瀝青的感溫性、高溫穩(wěn)定性和抗老化性能，但對瀝青的低溫性能無改善作用。 進一步地，綜合采用熒光顯微鏡、元素分析、紅外光譜、差示掃描量熱、凝膠滲透色譜、核磁共振波譜、表面自由能等細觀分析測試手段，探尋北美巖瀝青的作用機理及改性效果，深層次地揭示了北美巖瀝青有效降低瀝青溫度敏感性、提高瀝青高溫穩(wěn)定性、提高瀝青抗老化能力、改善瀝青黏附性能和水穩(wěn)定性能的根本原因。北美巖瀝青對基質(zhì)瀝青的改性作用主要表現(xiàn)是：①北美巖瀝青與基質(zhì)瀝青混合后，巖瀝青顆粒分散存在于瀝青中，瀝青與巖瀝青顆粒相互包容，顆粒表面包有瀝青，而瀝青又滲透于巖瀝青顆粒中，形成一種彼此交錯的兩相分散結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了北美巖瀝青改性瀝青具有良好的流變性能和熱儲存穩(wěn)定性能。經(jīng)過北美巖瀝青改性后的瀝青的氫碳摩爾比減少，芳碳率提高，瀝青的芳香組分比例增大，膠質(zhì)比例減少，瀝青質(zhì)量得到很大提升。②北美巖瀝青對基質(zhì)瀝青的改性不僅僅是北美巖瀝青在基質(zhì)瀝青中簡單分散的物理改性，而是存在化學(xué)鍵明顯的減弱或消失，即北美巖瀝青對基質(zhì)瀝青的改性可能存在一定程度的化學(xué)改性作用，也就是說北美巖瀝青對基質(zhì)瀝青可能存在物理改性和化學(xué)改性的雙重改性作用。北美巖瀝青將-OH羥基峰帶入到基質(zhì)瀝青中，產(chǎn)生新的官能團，該官能團使瀝青的黏附性增強；同時，北美巖瀝青將O-Si-O帶入到基質(zhì)瀝青中，使瀝青內(nèi)聚力增強，軟化點升高，延展性降低。③北美巖瀝青的摻入能增大基質(zhì)瀝青的分子量，提高分子間相互作用力，使瀝青軟化點升高，針入度降低，粘度增加，深層次揭示了北美巖瀝青改善基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性的原因所在。由于北美巖瀝青的選擇性吸附及溶脹作用使基質(zhì)瀝青的組分構(gòu)成不再連續(xù)，巖瀝青改性瀝青的吸熱量下降，其聚集態(tài)轉(zhuǎn)化數(shù)量減少，瀝青的分子間作用力增強，狀態(tài)穩(wěn)定，受溫度影響小，，從而揭示了北美巖瀝青改善瀝青感溫性的原因所在。④北美巖瀝青和基質(zhì)瀝青之間不是單純的物理作用，還發(fā)生了部分交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致改性瀝青的烷基取代基種類減少。基質(zhì)瀝青中烷基取代基的長度較大，容易在老化過程中發(fā)生失氫或碳鏈斷裂，從而影響瀝青的老化性能。然而，隨著北美巖瀝青的加入增加了改善瀝青抗老化性能的可能性。⑤將北美巖瀝青摻入基質(zhì)瀝青中，瀝青與水的接觸角增加，瀝青的憎水性增強，表面自由能降低，瀝青與集料的黏附性增強，表明北美巖瀝青能改善基質(zhì)瀝青的抗水損害性能。北美巖瀝青中氧、氮、硫等雜原子含量較高，這些雜原子都是極性很強的官能團，能夠在巖石表面產(chǎn)生強吸附力，其吸附自由能以及在巖石表面的吸附量，均比基質(zhì)瀝青高出數(shù)倍，顯著提高集料的抗剝落性和粘附性。 （2）動態(tài)剪切流變儀溫度掃描試驗研究揭示：北美巖瀝青改性瀝青的車轍因子G*/sinδ提高、動粘度η增大，正切損失tanδ減小，疲勞因子G*sinδ增大，瀝青的高溫抗車轍性能得到明顯改善，疲勞性能有所降低。瀝青膠漿溫度掃描結(jié)果表明，北美巖瀝青的最佳摻量為12～15%。摻入北美巖瀝青后，瀝青的PG高溫等級升高，北美巖瀝青摻量每增加3%，PG高溫等級基本上升1個等級；瀝青的蠕變勁度S增大，蠕變速率m值變小，瀝青的松弛能力有所降低，摻量9%～18%的北美巖瀝青改性瀝青PG低溫等級比基質(zhì)瀝青降低了一個等級。 （3）“干法”添加工藝獲得的混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能優(yōu)于“濕法”添加工藝。北美巖瀝青粉末的加工粒徑會影響瀝青混合料的體積指標(biāo)和路用性能，粒徑越細，成型混合料更容易擊實，也能節(jié)省瀝青，用其改性后的混合料性能更優(yōu)。 （4）在相同的集料、礦料級配與拌和工藝下，對比分析了不同摻量北美巖瀝青改性混合料以及使用不同瀝青改性劑的混合料路用性能，研究結(jié)果表明，北美巖瀝青能夠顯著改善混合料的高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性能，但會降低混合料的低溫抗裂性能。 （5）采用四點彎曲試驗方法在應(yīng)變控制模式下和應(yīng)力控制模式下，對北美巖瀝青改性瀝青混合料的疲勞性能進行系統(tǒng)的試驗研究。研究結(jié)果表明，北美巖瀝青能明顯提高混合料的疲勞壽命。疲勞壽命預(yù)測模型表明，北美巖瀝青改性瀝青混合料的疲勞壽命與應(yīng)變水平具有十分良好的線性關(guān)系，應(yīng)變水平越高，混合料疲勞壽命越短。 基于本研究成果設(shè)計與鋪筑的北美巖瀝青試驗段實體工程，驗證了北美巖瀝青的優(yōu)良使用效果。北美巖瀝青運輸儲存方便，使用工藝簡單，生產(chǎn)及施工工藝與常規(guī)瀝青混合料工藝一致，無需增加昂貴的機械設(shè)備，也無需改變拌和生產(chǎn)流程。本文研究成果對于提高北美巖瀝青路面的設(shè)計與施工水平，具有理論參考與工程應(yīng)用指導(dǎo)的作用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U414

【參考文獻】

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本文編號：2447432