多壁碳纳米管改性沥青性能与微观结构研究

发布时间：2020-06-05 00:38

【摘要】：纳米技术的普及为道路学者提供了新的路面材料设计与评价的方向,使得纳米改性剂与纳米级微观表征方法在路面工程得到了广泛的应用。本文选择了不同长径比的三种多壁碳纳米管(GT300,GT350,GT400)作为研究对象,采用高速剪切的制备方法(5000转,180℃,30分钟)制备了不同掺量(0.5wt%,1.5wt%,2.5wt%)的三种MWCNTs改性沥青,分析不同MWCNTs对改性沥青的储存稳定性、基本物理性质、温度敏感性以及高温流变性的影响,并采用微观表征方法对其微观结构与作用机理进行了研究。最后,评价了MWCNTs改性沥青混合料的基础路用性能与热电特性。首先,通过聚合物改性沥青的离析试验,评价了不同掺量下三种MWCNTs改性沥青的储存稳定性,并对其软化点、针入度、延度以及旋转黏度等指标进行了测试,并分析了MWCNTs掺量与尺寸对沥青性质的影响。试验结果表明,MWCNTs的加入明显提升了沥青的高温稳定性与黏稠度,但削弱了其低温下的变形能力,影响MWCNTs改性沥青的储存稳定性与物理性质的主要因素为MWCNTs的掺量与长度。GT300改性沥青在0.5wt%时,离析指数SI最小,而GT400与GT350(长度相同,半径不同)改性沥青在1.5wt%时,离析指数SI最小,且两者物理性能随掺量有类似的变化趋势。此外,短粗型的MWCNTs在高温区间(130℃)减小沥青温度敏感性的效果更好,在中温区,少量(0.5wt%)的MWCNTs未起到改善感温性的预期。对比温度扫描与多应力蠕变恢复试验的相关指标:动态模量,相位角,车辙因子,不可恢复蠕变柔量以及蠕变恢复率,两种MWCNTs改性沥青的高温性能均得到改善,抗永久变形能力大幅提升。而细长型MWCNTs(GT300)的动态剪切模量未随掺量的增加而变化,0.5wt%的MWCNTs的改性效果已经达到“饱和”,短粗型MWCNTs的最佳掺量在1.5wt%。MWCNTs的加入增强了沥青的非线性粘弹性行为,且与MWCNTs掺量,MWCNTs长径比正相关。其次,根据X射线衍射以及拉曼光谱两种微观表征试验的结果,在XRD图谱中没有发现新的物相,说明MWCNTs与沥青混合后,没有发生化学反应,其改性机理仅为物理共混,并且MWCNTs/沥青复合材料的微观结构(沥青质与MWCNTs石墨原子层)层间距都随着MWCNTs掺量的增加而逐渐变大,说明MWCNTs与沥青的相互作用增强。此外,通过比较两种改性沥青拉曼特征峰的变化发现,GT400改性沥青的D模和G模强度随MWCNTs的掺量线性增大,而GT300改性沥青的线性相关性较差,说明GT400MWCNTs在沥青中的分散更加均匀。当MWCNTs的掺量超过1.5wt%时,检测到了MWCNTs的无序性增强(I_D/I_G增大),说明过量的MWCNTs无法与沥青很好地结合,而倾向于相互缠绕和团聚。最后,根据MWCNTs改性沥青的试验结果与分析,选择添加量为1.5wt%的GT400MWCNTs改性沥青,在沥青含量与级配类型都一样的情况下,对普通沥青混合料与MWCNTs改性沥青混合料的基础路用性能与热电性能进行了评价。试验结果验证了MWCNTs改性沥青高温稳定性增强的结论,而其低温抗裂性与普通沥青混合料相比没有明显的差异。此外,MWCNTs改性沥青混合料的热电动势率仅有微弱的提升,而导热性明显地增强。
【图文】：

研究尺度,沥青混凝土

图 1-1 说明了不同研究尺度下，所对应的沥青混凝土研究内容，如从从宏观的足度试验段，到室内混凝土试件的尺度，再到微观、纳米级、量子尺度的演变[7]。沥青料微观结构的变化直接影响沥青混凝土的宏观性质，纳米改性沥青为道路研究人员提了优于其他沥青改性方式的新思路。

复合改性沥青,微观

图 1-3 CNTs/SBS 复合改性沥青的 AFM 测试结果[35]微观表征方法为评估纳米改性沥青的性能是否达到预期，仅适用宏观的试验设备不足以深入米材料改性沥青的微观结构和改性机理，以及区分不同纳米材料之间的差别。为要引入相应的纳米级微观表征测试手段。目前，，应用在纳米材料改性沥青的微观表征试验方法主要有微观机械性能的测原子力显微镜（AtomicForce Microscope，AFM）、纳米压痕（Nano Indentation）谱学技术，如红外光谱（transform infrared spectroscopy，FTIR）、拉曼光谱（Raectra）、X 射线衍射（X-ray diffraction，XRD）等；光学显微技术（以电子为光扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，SEM）和透射电子显微镜（Transmictron Microscopy，TEM）。以下为几种典型的微观表征方法：（1）X 射线衍射
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414

【相似文献】