基于分子模拟的泡沫沥青冷再生混合料强度生成与失效机制

发布时间：2020-06-08 20:26

【摘要】：目前,沥青路面回收再利用已经是保护环境的必然要求,而为了更大程度降低对环境的影响,路面冷再生技术越来越受到各国学者和工程人员的青睐。在此背景下,泡沫沥青冷再生技术得到了更广泛的关注和应用,泡沫沥青冷再生混合料具有节约能源、降低沥青掺量与运输成本、兼具柔性与刚性路面的优点。但是泡沫沥青混合料在实际使用过程中由于沥青含量较低、且在拌和过程中掺加水,导致泡沫沥青混合料水稳定性较差,在水环境中容易破坏。同时泡沫沥青混合料组成复杂,含有路面铣刨料、水分、沥青、水泥,各组分之间的相互反应顺序决定了泡沫沥青混合料的成型机制和破坏机理,关于诸如此类的问题,当下没有学者做过明确的研究。基于如上研究背景,本文从水分对泡沫沥青混合料的影响入手,探究混合料强度生成与破坏机制。先进行泡沫沥青混合料基础性能试验,然后借助分子动力学模拟对混合料强度生成与破坏机制进行分析,最后通过添加外添剂改善混合料除水性能与路用性能,并从分子模拟和宏观试验两方面进行验证。最终对泡沫沥青混合料混合料的实际应用做出指导。首先,对泡沫沥青混合料进行基础性能试验,从RAP性能测试开始,对RAP进行抽提分离出石料和老化沥青,对其进行性能试验,评价原有路面的老化特性。进行泡沫沥青混合料实验设计,从沥青发泡性能测试开始,选取合适级配,并通过实验得出沥青发泡用水量、混合料拌和用水量,之后根据规范确定拌和最佳泡沫沥青用量。对成型的泡沫沥青混合料进行路用性能试验,主要包括:疲劳试验、低温性能试验、动态模量试验。其次,建立泡沫沥青混合料分子模型,分三部分建立:RAP分子模型、新沥青模型、水泥模型,之后将三个模型汇总在一起构成泡沫沥青混合料整体模型。最终选择合适的系综、边界条件、时间步长等条件,并编写代码用开源软件LAMMPS进行分子模拟,对输出的能量变化、原子轨迹等数据进行分析。同时为了更清晰地分析泡沫沥青混合料的破坏机制,建立界面剪切破坏模型对其进行分析。最后,由宏观性能试验及分子模拟可以看出水分对泡沫沥青混合料带来负面影响,且在北方地区冬季冻融循环作用下,对耐久性等产生的负面影响更大,因此本文通过添加外添剂提高泡沫沥青混合料在有水的条件下成型的路用性能,主要提出三种改性方式:用氧化锌替代部分矿粉、使用偶联剂溶液对RAP进行表面处理、往拌和沥青中添加抗剥落剂。对上述三种改性方式同样采用分子模拟和室内试验两种手段进行验证,首先进行微观模拟,在前述泡沫沥青混合料模型的基础上,分别往RAP模型中添加少量氧化锌分子、往RAP模型中添加少量偶联剂分子、往新沥青模型中添加少量抗剥落剂分子,对以上三种新模型进行分子动力学模拟和界面破坏过程模拟,最终将生成的结果与前述普通泡沫沥青混合料模拟结果进行横向对比。之后进行疲劳试验、低温性能试验、动态模量试验等宏观试验进行对比验证。最终得到了使用偶联剂改性RAP与往新沥青中添加抗剥落剂对泡沫沥青混合料路用性能提升较大。
【图文】：

60 80 100 120 140 1温度 (℃)图 2-2 旧沥青粘温曲线的老化沥青，本文采用动高温稳定性和低温抗裂性能力采用 DSR 测量老化沥青本文采用的仪器，该仪器

图 2-17 弯曲梁流变仪此实验分别对老化旧沥青和 90 号基质沥青进行测试，设定温度为-6℃、-12℃18℃，其中在-18℃时，老化旧沥青在加载后出现断裂现象，因此只有-6℃、-12数据，最终绘图如 2-18 所示。-18 -12 -60100200300400低温蠕变劲度（MPa）温度 (℃)基质沥青老化沥青图 2-18 新旧沥青的蠕变劲度对比从上图中可以发现，老化沥青的低温劲度模量高于 90 号沥青，，这表明老化老化严重，低温性能退化严重；且在-4℃时，老化沥青的蠕变劲度就已高于使准 200MPa，预计使用年限达到 10 年左右，因此老化沥青不能满足路面正常
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U414

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本文编号：2703600