硅烷白炭黑改性沥青及沥青混合料的粘弹性研究

发布时间：2020-06-08 03:22

【摘要】：沥青路面主要是由沥青材料做结合料粘结矿料组成的,包括修筑面层与各类基层和垫层。与水泥路面相比,沥青路面表面平整耐磨舒适,沥青混合料增强了矿料间的粘结力,提高了强度、稳定性、使用性、耐久性能等。我国的沥青路面发展迅猛,在公路中所占的比重逐渐增加。由于近些年来,公路交通量日益增大,车流量增加,超载和重载的现象时有发生,环境降水和沥青材料老化的影响,加速了沥青路面的病害,使路面过早的出现变形、开裂、疲劳、老化、泛油等现象。由于沥青是一种典型的粘弹性材料,沥青路面的病害均与其粘弹性在本质上有关。本文提出用硅烷白炭黑改性基质沥青,提高路面的粘弹性,进而提高沥青路面的路用性能。简单介绍粘弹性的一般理论,其基本力学行为是蠕变、松弛和回复。在经典力学中,象征弹性的基本元件是弹簧,代表粘性的基本元件是粘壶,粘弹性模型就是在这两种元件的不同串联并联的简单组合而成,并决定采用Burgers模型来研究沥青材料粘弹性行为。本文主要研究内容及结论如下:(1)从沥青的化学组成来研究沥青的粘弹性,在沥青四组分的基础上利用现代胶浆理论结合针入度和粘度试验,确定沥青的胶体结构,分析硅烷白炭黑的加入对沥青的温度敏感性及粘度的影响,分析粘度与温度之间的关系。结果表明:硅烷白炭黑使沥青的针入度降低,提高沥青的粘度,降低温度敏感性;胶体属于溶—凝胶型沥青,粘度和温度呈简单的指数关系。(2)动态剪切流变实验是研究沥青粘弹性行为的基本试验方法,进行频率扫描,分析基质沥青和3%硅烷白炭黑改性沥青的流变学指标。结果表明:复数剪切模量G*、弹性剪切模量G`、粘性剪切模量G``、抗车辙因子G*/sin?随温度的升高而降低,加入硅烷白炭黑,使其结果发生明显的升高,但相位角?减小;在DSR试验基础上,根据时温等效原理,按照WLF公式计算位移分子,画出不同流变学指标的主曲线,通过主曲线和位移因子分析频率和温度对材料的影响,全面评价材料的粘弹性能;结合粘弹性本构模型,利用目标函数的方法,求解Burgers模型参数。(3)采用静载蠕变实验来研究硅烷白炭黑改性沥青混合料的粘弹性,蠕变可以分为三部分:瞬时弹性部分、延迟弹性部分及粘性流动部分,应变随温度的增加而加大,但增速随时间变缓;加入硅烷白炭黑,可以明显降低相同温度下的应变值。根据基于最小二乘法的L-M优化算法求得burgers模型参数,把力学试验参数转化为Prony级数,利用有限元软件ABAQUS模拟沥青混合料的静载蠕变实验,建立三维可变模型,定义边界条件和荷载状态,划分网格,使用ABAQUS/Standard非线性求解。结果表明:Abaqus模拟静载蠕变实验误差在5%以内,满足精度要求,体现了理论的可靠性和实际应用价值。(4)在动态蠕变试验数据的基础上,将burgers模型的时间参数转化为动载试验的作用次数,利用粘弹性材料的Boltzmann线性叠加原理,推导动载蠕变试验下的永久变形公式,将蠕变试验和车辙实验联系起来,通过车辙实验的动稳定度实验值和理论值,验证模型的的准确性,对各种模型参数进行敏感性分析,探究哪种参数对模型的粘弹性影响较为显著。结果表明:粘滞系数1η对车辙实验动稳定度的影响最大。
【图文】：

胶体结构,分散模型,石油沥青

饱和分由直链烃和支链烃所共同组成，是一种非极性稠状油类，对温度较为敏感，质量在沥青中占 5%~20%。芳香分和饱和分都可以作为油分，在沥青中起着柔软和润滑作用。油分的含量越多，沥青的软化点越低，针入度越大，稠度降低。饱和族对温度很敏感，故含量不宜过大。2.1.2 沥青的胶体结构石油沥青的结构有高分子溶液理论和胶体理论两种。其中现代胶体理论认为，沥青按四组分解释，液态的油分（芳香分和饱和分）可视为分散介质，固态微粒的沥青质是分散相，胶质能够使分散相很好的胶溶在分散介质中。在整个胶体系统中，沥青质是核心，一些化学性质相似的沥青质聚集在一起，胶质吸附在其表面，并逐渐向外扩散，使沥青质的胶核溶于油分分散介质中，由此结构胶体的组成结构单元叫做胶团。胶体结构分散模型如图 2.1，胶体结构分类见图 2.2。

胶体结构,沥青质,分散模型,分散介质

微粒的沥青质是分散相，，胶质能够使分散相很好的胶溶在分散介质中。在整个胶体系统中，沥青质是核心，一些化学性质相似的沥青质聚集在一起，胶质吸附在其表面，并逐渐向外扩散，使沥青质的胶核溶于油分分散介质中，由此结构胶体的组成结构单元叫做胶团。胶体结构分散模型如图 2.1，胶体结构分类见图 2.2。图 2.1 石油沥青的胶体结构分散模型
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414

【参考文献】