纳米蒙脱土改性沥青老化自愈合性能及机理研究

发布时间：2020-05-14 09:06

【摘要】：中国高速公路建设突飞猛进地发展,路用沥青的生产以及使用对国家公路交通建设发展具有重要意义。中国地幅辽阔,南北气候环境差异巨大,因此,置于自然条件下的沥青材料应具有良好的环境适应性。内蒙古自治区位于中国正北方,具有纬度高、气候干燥、紫外线照射强烈、太阳辐射量高等特点,因此需要具有良好抗老化性能的改性沥青作为路面材料。此外,在沥青路面实际使用中发现,损伤破坏后的沥青路面在自然条件下会发生性能恢复的现象,这一现象被称为沥青的自愈合,有利于延长沥青路面的使用寿命。因此,研究改性沥青的抗老化性能及自愈合性能对沥青及沥青路面的使用寿命及路用效果都具有重要意义。本文采用纳米蒙脱土作为沥青改性剂,通过高速剪切流变仪分别与基质沥青和SBS改性沥青共混,制备MMT改性沥青和SBS/MMT复合改性沥青。通过原子力显微镜观测(AFM)、弯曲梁流变试验(BBR)、三大指标、布式粘度试验和延度愈合试验(DTH)等试验方法,对老化前后纳米改性沥青的微观结构和宏观性能进行了分析,比较了MMT对基质、SBS两种沥青高温、低温、抗老化以及自愈合性能的影响,为纳米蒙脱土改性沥青的路用价值提供依据。BBR试验表明:JZ沥青和SBS改性沥青在掺入MMT改性剂,低温性能总体均呈现下降趋势,但SBS/MMT复合改性沥青在长期老化后的低温性能要强于SBS改性沥青,这是SBS/MMT复合改性沥青良好的抗老化性能引起的。此外,引入劲度模量变化率S_V,与残留针入度比、软化点增量、残留延度比共同评价纳米蒙脱土改性沥青的抗老化性能,研究结果表明:添加MMT改性剂,使沥青的抗老化性能显著提升;S_V作为评价指标,可以更全面的了解老化后的沥青在低温环境的表现,可以较好的反映沥青的抗老化性能,但应充分考虑沥青的低温性能。沥青旋转粘度试验表明:MMT会提高沥青的高温性能,MMT改性沥青的高温性能要明显高于同掺量的SBS改性沥青,MMT对SBS改性沥青同样具有改善效果,MMT\SBS复合改性沥青具有更好的高温性能;粘温曲线的拟合结果说明,MMT虽然能大幅提高沥青的粘度,提高沥青的高温性能,但也会由于拌合温度过高提高施工难度,使用时应保证高温性能的前提下适当减小MMT的外加掺量;通过粘温指数VTS发现,MMT改性沥青、SBS改性沥青的温度敏感性要低于基质沥青,MMT\SBS复合改性沥青最小,老化作用下4类沥青的温度敏感性都减弱,高温性能增强。DTH试验结果表明:MMT作为沥青改性剂会降低基质沥青和SBS改性沥青的自愈合性能,SBS改性沥青的自愈合性能最好,其次是基质沥青,MMT改性沥青最差,此外,MMT对SBS改性沥青自愈行为的抑制作用也十分显著;老化后基质沥青的自愈合性能减弱,而蒙脱土改性沥青老化后自愈合性能有所提高,这意味着结合老化作用研究蒙脱土改性沥青的愈合性能更具意义。AFM观测结果表明:掺入MMT对沥青的微观结构有显著影响,随着MMT掺量的增加,AFM形貌图所呈现的“蜂状结构”逐渐消失,形成纳米复合结构,而MMT片层及形成的纳米复合结构是延缓老化的主要原因。通过AFM相移图发现:随着MMT掺量的增加,两相之间的界面逐渐融合,致使两相之间微裂痕减少,沥青的自愈合性能减弱;老化后沥青中纳米复合结构破坏,随着MMT片层脱落,“蜂状结构”重新出现,两相之间的分界线变的明显,界面重新分离,微裂痕增多,改性沥青的自愈合性能反而提升。上述结果表明,MMT作为沥青改性剂,与沥青形成纳米复合结构,显著增强了沥青的抗老化性能以及老化后的自愈合性能,但低温性能有所减弱。蒙脱土改性沥青具有广阔的发展空间和应用前景,可与其他改性剂共同作用从而更为全面的改善沥青性能。
【图文】：

示意图,沥青,弯曲梁,流变试验

沥青同样为 140℃。微观试样的载体为载玻片，先将载玻片预热到融态的沥青浇在载玻片上，随后保持热诱导温度 2～5min，使滴在沥青样品在重力作用下逐渐摊平，沥青微观样品要求无尘、均匀平的成型要求极高，应尽可能使冷却后的沥青表面呈现镜面状态。曲梁流变试验沥青试样制备弯曲蠕变劲度试验，又称弯曲梁流变仪法，是美国公路战略研究计测沥青低温性能的试验，通过弯曲梁流变仪（BBR）得到蠕变劲度m 评价沥青的低温性能，这一试验结果对评价沥青在低温环境下的适义。沥青样品的成型参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程（11）》[35]的要求，利用金属模具成型尺寸为127mm 2.0 mm、宽12.7 m 0.1mm 的沥青小梁，成型过程中采用的隔离片为耐热塑料片，用属模具中间，厚度为 0.08~0.15mm，此外，还需在隔离片上涂抹一混合物，为使沥青梁与金属模具不粘连，使沥青梁在模具中容易脱离意图如下：

试验原理,劲度

寒冷条件下，沥青材料作为弹塑性材料会呈现弹化，因此沥青路面在工作时比较容易出现低温开裂的情况，研性能对寒冷条件下沥青路面的使用具有重要意义。本文以基质、MMT 改性沥青和 MMT\SBS 复合改性沥青 4 大类沥青作为研蠕变劲度试验对 4 类沥青的低温性能测试，从而通过对比分析MT\SBS 改性沥青的低温蠕变性能有更为深入的认识。曲蠕变劲度试验曲蠕变劲度试验原理与方法蠕变劲度试验又被称为弯曲梁流变仪法，简称为 BBR 试验，箱中按试验要求放置的沥青小梁完成的，试验中沥青小梁处于器悬杆的作用为施加压力并能测试压力产生的荷载和位移，，和蠕变斜率 m，其中蠕变劲度 S 反映的是沥青抵抗荷载的能荷载作用下沥青劲度的变化，借此评价沥青的应力松弛性能图 4-1：
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414

【参考文献】