水温耦合作用下沥青—集料界面黏附失效行为研究
发布时间：2020-08-08 09:21
【摘要】：沥青路面在使用过程中,常常伴随着松散、坑槽等一系列水损害的发生,是现阶段我国公路病害的主要形式之一。在高温多雨的夏季,水分会通过空隙渗入路面结构,与集料表面沥青膜发生置换,而高温会加剧水分子的运动,使得沥青极易从集料表面剥离。对于昼夜温差较大的地区,残留在空隙中的水分容易产生冻胀压力,加速沥青与集料的黏结失效,继而形成严重的水损害。因此,研究水和温度的耦合作用对沥青-集料界面黏附的影响,提出相关技术改善措施对于减少沥青路面的早期病害、延长其使用寿命具有重要意义。首先,本文结合水煮法和扫描电子显微镜,通过光电比色法研究了热水浴和冻融循环2种水温耦合作用对70#基质沥青、SBS改性沥青、高黏沥青3种沥青与玄武岩、石灰岩2种集料间黏附性的影响,解释了其黏附失效行为。结果表明,热水浴和冻融循环对其界面相的破坏模式不同,黏附性在热水浴作用下随水浴时间的增加呈逐渐下降趋势,而在冻融循环作用下随循环次数的增加呈现出高低起伏的变化趋势;高黏沥青在3种沥青中具有最好的长期抗水热及冻融环境影响的性能;光电比色法可以更加准确、可靠地评价热水浴作用下沥青与集料之间的黏附性能,但对于冻融循环作用下的黏附性变化,则需要结合扫描电镜结果才能更好地解释。其次,利用原子力显微镜研究了不同水温耦合作用下各沥青的表面形貌、粗糙度,以探针代替集料对其表面纳观黏附力进行了分析,并选取部分样本利用纳米压痕技术对界面处沥青胶浆的力学性能进行了测试。数据显示,热水浴作用下,沥青表面的蜂状结构会散落为细小的片段,而冻融循环作用下沥青蜂状结构呈现出消失与重构的交替变化行为;短暂的热水浴作用可以提高改性剂与基质沥青的相容性,而短期的冻融循环能够丰富沥青的表面形貌,相比之下沥青性能衰减更为缓慢;热水浴作用下,沥青模量和硬度减小,而冻融循环作用下均表现为增大。然后,利用分子动力学建立3种沥青与2种典型氧化物的界面组合模型,简单模拟水损害,在几种常见温度下进行动力学模拟,通过分析界面能与内聚能探究水温耦合作用对界面黏附性的影响,并给出了针对性的路面材料组成设计建议。结果表明:SBS改性剂能够改善沥青的低温黏附性,而其热稳定性较差,对于改善沥青的高温黏附性贡献很小,在高掺量时需要加入某些添加剂才能更好地发挥其作用;SBS改性剂分子在SBS改性沥青中处于氧化物晶体表面附近,而在高黏沥青中处于整个沥青分子的中间位置,这与其参与界面作用的形式有关。最后,采用大空隙沥青混合料特定的级配,对比研究了SBS改性沥青和高黏沥青对应的混合料在不同水温耦合作用下的水稳定性变化。结果表明:使用高黏沥青能够明显提高沥青路面的水稳定性,减少及预防水损害的发生;热水浴和冻融循环作用均会降低大空隙沥青混合料的水稳定性,但对其影响程度并无明显的强弱之分;浸水飞散试验可以更好地评价大空隙沥青混合料的水稳定性;对于排水路面的上面层,建议采用高黏沥青与玄武岩进行材料组成设计。
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414
【图文】：
第一章 绪论1.1 研究背景及意义随着我国道路交通系统的日益发展与完善，沥青混凝土路面已经成为了我国公路路的主要形式，尤其是在高速公路的应用中更为广泛。但已建成的沥青路面存在较多的问题其中以水损害最为典型。水损害，顾名思义，其发生离不开水的作用，路面降水是自然境中最普遍的因素，因此水损害在沥青路面的早期破坏中也最为常见。水损害的产生往伴随着其他一系列病害，如松散、坑槽、网裂、推移、车辙等，这些病害大大缩短了路的维修养护期，增加了路面成本，给车辆正常的出行带来极大的影响。所谓水损害，是指沥青路面在遇到降水时，水分由于受到车轮荷载的反复作用进入面空隙中，并产生动水压力，继而逐渐渗入到沥青与集料的界面处，使界面黏附性降低沥青从集料表面脱落，最终形成沥青路面松散、坑槽等一系列损坏的现象[1]，如图 1-1 示。水损害的形成与沥青与集料之间的界面黏附失效行为密切相关，也与水和温度等自环境条件的影响密不可分。
以氧化物建立集料分子模型，然后确定各沥青-集料界面模型，加入一定数量的水分子以简单模拟水环境，在几种典型温度下进行动力学模拟，通过分析界面能和内聚能来表征沥青-集料界面黏附性的强弱。（4）水温耦合作用下大空隙沥青混合料水稳定性研究：结合排水沥青路面的应用现状，选用高黏沥青与玄武岩的组合，对比 SBS 改性沥青，对特定级配的大空隙沥青混合料 OGFC-13 的水稳定性进行研究，通过分析水温耦合作用对混合料水稳定性的影响来从宏观角度解释沥青-集料界面的黏附失效行为。基于上述研究内容，本文采用的技术路线如图 1-2 所示。
Tab.2-2 Aggregate minerals physical properties indexes试验项目 玄武岩 石灰岩密度（g/cm3） 2.983 2.743洛杉矶磨耗损失（%） 12.7 16.9针片状含量（%） 8.9 7.4吸水率（%） 1.02 0.78.2 试验条件水和温度是影响沥青-集料界面黏附性的主要内部因素[50-53]，其中温度包括高温（温（冻融）两个方面。因此，水和温度的组合条件主要可以分为热水浴和冻融循类型。模拟 2 种环境条件所采用的试验仪器如图 2-1 所示。本研究采用恒温水浴箱作为试件热水浴的环境，分别对在 60℃水浴中浸泡 0d、、5d 后的试件进行对比研究，以模拟热水浴时间对界面黏附性的影响；采用可编温试验箱作为试件冻融循环的环境，分别对在-18℃—60℃环境中冻融循环 0 次、5 次、15 次后的试件进行对比研究，以模拟冻融循环次数对界面黏附性的影响。其-18℃水浴保温 3h+60℃水浴保温 3h 作为 1 次循环，升温和降温的过渡时间均为 极小值），以尽量排除变温速率对试验结果的影响。
本文编号：2785373
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414
【图文】：
第一章 绪论1.1 研究背景及意义随着我国道路交通系统的日益发展与完善，沥青混凝土路面已经成为了我国公路路的主要形式，尤其是在高速公路的应用中更为广泛。但已建成的沥青路面存在较多的问题其中以水损害最为典型。水损害，顾名思义，其发生离不开水的作用，路面降水是自然境中最普遍的因素，因此水损害在沥青路面的早期破坏中也最为常见。水损害的产生往伴随着其他一系列病害，如松散、坑槽、网裂、推移、车辙等，这些病害大大缩短了路的维修养护期，增加了路面成本，给车辆正常的出行带来极大的影响。所谓水损害，是指沥青路面在遇到降水时，水分由于受到车轮荷载的反复作用进入面空隙中，并产生动水压力，继而逐渐渗入到沥青与集料的界面处，使界面黏附性降低沥青从集料表面脱落，最终形成沥青路面松散、坑槽等一系列损坏的现象[1]，如图 1-1 示。水损害的形成与沥青与集料之间的界面黏附失效行为密切相关，也与水和温度等自环境条件的影响密不可分。
以氧化物建立集料分子模型，然后确定各沥青-集料界面模型，加入一定数量的水分子以简单模拟水环境，在几种典型温度下进行动力学模拟，通过分析界面能和内聚能来表征沥青-集料界面黏附性的强弱。（4）水温耦合作用下大空隙沥青混合料水稳定性研究：结合排水沥青路面的应用现状，选用高黏沥青与玄武岩的组合，对比 SBS 改性沥青，对特定级配的大空隙沥青混合料 OGFC-13 的水稳定性进行研究，通过分析水温耦合作用对混合料水稳定性的影响来从宏观角度解释沥青-集料界面的黏附失效行为。基于上述研究内容，本文采用的技术路线如图 1-2 所示。
Tab.2-2 Aggregate minerals physical properties indexes试验项目 玄武岩 石灰岩密度（g/cm3） 2.983 2.743洛杉矶磨耗损失（%） 12.7 16.9针片状含量（%） 8.9 7.4吸水率（%） 1.02 0.78.2 试验条件水和温度是影响沥青-集料界面黏附性的主要内部因素[50-53]，其中温度包括高温（温（冻融）两个方面。因此，水和温度的组合条件主要可以分为热水浴和冻融循类型。模拟 2 种环境条件所采用的试验仪器如图 2-1 所示。本研究采用恒温水浴箱作为试件热水浴的环境，分别对在 60℃水浴中浸泡 0d、、5d 后的试件进行对比研究，以模拟热水浴时间对界面黏附性的影响；采用可编温试验箱作为试件冻融循环的环境，分别对在-18℃—60℃环境中冻融循环 0 次、5 次、15 次后的试件进行对比研究，以模拟冻融循环次数对界面黏附性的影响。其-18℃水浴保温 3h+60℃水浴保温 3h 作为 1 次循环，升温和降温的过渡时间均为 极小值），以尽量排除变温速率对试验结果的影响。
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 吴靓臻;唐吉玉;马远新;孔蕴婷;文于华;陈俊芳;;SiO_2薄膜热应力模拟计算[J];华南师范大学学报(自然科学版);2009年01期
2 陈国明;谭忆秋;;基于粗集料表面纹理特性的沥青混合料性能研究[J];公路交通科技;2007年02期
3 周卫峰,张秀丽,原健安,戴经梁;基于沥青与集料界面粘附性的抗剥落剂的开发[J];长安大学学报(自然科学版);2005年02期
本文编号：2785373
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