活化煤矸石改性沥青胶浆粉胶比确定及粘温特性研究

煤矸石是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一,但鲜见其活化以改善沥青性能的研究成果。采用动态剪切流变仪(DSR)、弯曲梁流变仪(BBR)和布氏粘度仪(BV)对活化煤矸石改性沥青胶浆的流变特性进行测试,分析了重复蠕变劲度的粘性部分Eμ和蠕变劲度模量S与粉胶比之间的关系,通过流变学手段及双直线简化模型,得到活化煤矸石改性沥青胶浆的合理粉胶比范围及最佳粉胶比;借助扫描电镜(SEM)和红外光谱试验仪(IR)对其作用机理进行分析。研究结果表明,确定出的活化煤矸石改性沥青胶浆粉胶比能较好地平衡沥青胶浆的高低温性能;活化煤矸石可有效改善沥青胶浆的温度敏感性,其改性沥青胶浆粘温特性的效果较矿粉更为显著;平均粒径小、比表面积大及表面多孔层状结构是主要原因。研究成果为拓宽固体废弃物煤矸石在沥青路面工程中的资源化利用途径提供了依据。     

活化煤矸石改性沥青胶浆流变性能实验研究

煤矸石是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一,以粉体煤矸石为填料对沥青进行改性在国内外鲜有研究涉及。采用锥入度实验、动态剪切流变实验(DSR)和弯曲梁流变实验(BBR),研究了不同粉胶比条件下活化煤矸石改性沥青胶浆的剪切强度及高、低温流变性能变化规律,并与矿粉改性沥青胶浆进行对比;在此基础上,初探了活化煤矸石改性沥青胶浆作用机理。结果表明,采用活化煤矸石替代矿粉后,沥青胶浆的抗剪强度和高温性能大幅提高,低温性能则基本相当。研究成果为活化煤矸石替代矿粉作为沥青混合料填料的可行性提供了依据。     

两种沥青胶浆的疲劳及自愈合性能试验

为了研究沥青胶浆的疲劳及自愈合特性,利用动态剪切流变仪（DSR）进行时间扫描及疲劳-愈合-再疲劳测试,并通过原子力显微镜（AFM）对细观结构进行观测,比较分析了不同粉胶比下基质沥青胶浆和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青胶浆的疲劳性能,以及在常温（25℃）下3个不同间歇期的自愈合性能。试验发现：SBS沥青胶浆具有更好的疲劳和自愈合性能,两种沥青胶浆疲劳寿命均随粉胶比的增大而增加,同一粉胶比条件下,更长的间歇期有利于其自愈合,过大或者过小的粉胶比都会降低沥青胶浆的自愈合性能;AFM观测结果表明：基质沥青胶浆出现明显的"蜂状结构",粉胶比增加,矿粉吸附更多的沥青质,"蜂状结构"变多,与沥青界面内聚力作用增强,提高了抗疲劳性能,SBS改性剂与沥青相容性良好,改性沥青胶浆没有出现"蜂状结构",改性剂的加入增强了分子间内聚力,有助于提高抗疲劳性能,因此建议路面材料选用改性沥青胶浆。     

高粘沥青胶浆动态剪切流变特性

针对探索不同类型的高粘沥青胶浆动态剪切流变特性,有利于完善多孔沥青混合料配合比设计。分析材料组成、粉胶比、温度等对高粘沥青胶浆动态剪切流变特性的影响,结果表明,沥青粘度高、矿粉比表面积大,形成的高粘沥青胶浆相位角相对较小,抗车辙因子较大;与矿粉类型相比,沥青性质对胶浆抗车辙因子影响显著,对改善胶浆抗高温变形能力起主导作用;粉胶比增大,抗车辙因子随之增大,并随温度变化呈幂函数关系变化趋势。提高改性沥青粘度或增大矿粉比表面积,均可有效降低高粘沥青胶浆抗车辙因子的温度敏感性,改善高粘沥青胶浆高温抗变形性能。     

矿粉对沥青胶浆流变性能影响及微观分析

为探究矿粉对沥青胶浆流变特性的影响规律,采用动态剪切流变仪分别对四种矿粉组成的沥青胶浆进行了不同加载模式下的流变试验,采用低温弯曲梁流变仪对胶浆进行低温小梁弯曲试验,分析了粉胶比、温度、荷载频率对沥青胶浆高低温流变特征参数的影响。借助X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM),测试矿粉岩性特征和胶浆的微观形貌。结果表明:花岗岩矿粉对胶浆的增效行为最强,石灰岩胶浆的高低温性能最佳;矿粉的比表面积对胶浆的流变性能影响大于其矿料酸碱性组分对胶浆的流变性能影响;随着粉胶比的增加,沥青胶浆的复数剪切模量随之增加,但相位角变化微小;推荐四种胶浆的合理粉胶比为1.2;最佳粉胶比状态下,胶浆微观界面粘结状况最好。研究结果可为不同种类的填料在沥青路面的应用提供技术指导和理论支撑。     

填料对橡胶沥青胶浆高低温性能的影响

为研究填料对橡胶沥青胶浆高低温性能的影响,选取矿粉和水泥作为填料,制备不同粉胶比(矿粉为0.25,0.4,0.6和0.8;水泥为0.4,0.6)的橡胶沥青胶浆。通过蠕变恢复实验和弯曲梁流变实验对橡胶沥青胶浆的高温性能和低温性能进行研究。结果表明,随着粉胶比的增加,矿粉和水泥均能使橡胶沥青胶浆的高温性能得到提高,并且矿粉比水泥的改善效果好;随着粉胶比的增加,矿粉橡胶沥青胶浆和水泥橡胶沥青胶浆的低温性能均逐渐降低,在低温-12和-18℃时,矿粉使橡胶沥青胶浆的低温性能降幅更大。为了均衡橡胶沥青胶浆的高低温性能,矿粉橡胶沥青胶浆的最佳粉胶比范围宜为0.4~0.6。     

泡沫温拌沥青胶浆的流变特性及微观机制分析

为了全面探究泡沫温拌沥青(以下简称泡沫沥青)胶浆的流变特性,分别针对不同粉胶比的泡沫沥青胶浆进行温度和频率两种扫描模式下的动态剪切流变(DSR)和弯曲梁流变(BBR)试验,分析了粉胶比对泡沫沥青胶浆高、低温性能的影响,利用van Gurp Palmen(vGP)图分析了泡沫沥青胶浆时温等效原理的有效性,基于此建立了泡沫沥青胶浆在频率扫描模式下的主曲线,并运用此主曲线分析了其在较宽的温度和频域下的流变特性。此外,通过扫描电子显微镜(SEM)的微观结构识别和差示扫描量热(DSC)的热特性测试分析了泡沫沥青胶浆的微观机制。结果表明:矿粉的添加对泡沫沥青的高、低温性能均有显著影响,随着粉胶比的增大,泡沫沥青胶浆的高温性能逐渐增强,低温性能逐渐降低;泡沫沥青胶浆适用于时温等效原理,在较宽的温度域及频率域内,泡沫沥青胶浆较基质沥青胶浆具有更优的高温性能。此外,泡沫沥青胶浆与基质沥青胶浆的低温等级温度基本一致;泡沫沥青胶浆中矿粉的分散性优于基质沥青胶浆中矿粉的分散性,且泡沫沥青胶浆中含有更多的微孔洞;基质沥青较泡沫沥青具有更好的热稳定性,但在相同的粉胶比下,泡沫沥青胶浆较基质沥青胶浆具有更好的热稳定性;粉胶比不大于1.0时,泡沫沥青胶浆较基质沥青胶浆具有更高的玻璃化转变温度。综合流变特性及微观机制分析得到泡沫沥青胶浆的粉胶比不宜大于1.0。     

基于流变学的SEBS/橡胶粉复合改性沥青低温性能研究

为提高橡胶沥青在寒冷地区的路用性能,选用SEBS改性剂对橡胶沥青进行复合改性,在保持橡胶粉掺量一定的情况下制备不同SEBS掺量的复合改性沥青,通过弯曲梁流变仪(BBR)对沥青低温性能进行测定,并引入蠕变速率劲度比(m/S)和低温连续分级温度(T_(LC))对不同SEBS掺量的复合改性沥青低温性能进行评价。结果表明,SEBS改性剂可显著降低沥青蠕变劲度,使沥青低温柔性得到改善,且温度越低改善效果越明显;短期老化后复合改性沥青的柔性和应力松弛能力均未出现明显降低,表明短期老化后沥青仍能保持较好的低温性能,SEBS对沥青抗老化性能具有改善作用;掺加SEBS改性剂后,m/S值有所提高,低温连续分级温度显著降低,表明SEBS/橡胶粉改性沥青具有优越的低温性能,通过综合比选得出SEBS最佳掺量为6%。     

聚合物复合改性沥青及其胶浆流变性能

采用动态剪切的流变试验、弯曲梁的流变试验和测力延度试验等流变力学实验方法,对未老化复合改性沥青及其胶浆性能开展试验研究。结果表明复合改性沥青的高温流变力学性能优于常规SBS改性沥青。兼顾高、低温性质的复合改性沥青胶浆适宜的粉胶比为1.4粉胶比上限范围为1.6。     

复掺钢丝绒纤维/水镁石纤维沥青胶浆性能研究

通过改变纤维总掺量和两种纤维的体积比,采用廷度试验、锥入度试验、布氏旋转粘度试验和动态剪切流变试验研究了混杂纤维沥青胶浆的低温延展性能、抗剪切性能、粘度特性及高温流变特性,同时借助扫描电镜(SEM)对其试样断面进行观察分析.结果表明:沥青胶浆的低温延展性随纤维掺量的增大而降低;在6％纤维总掺量范围内,随着纤维掺量的增大粘度逐渐增大,且增大的幅度减小;当钢丝绒纤维与水镁石纤维体积比为6/4时,沥青胶浆的车辙因子(G*/sinδ)、抗剪强度达烈最佳值;将两种纤维混杂掺入沥青胶浆中,充分分散,其与沥青粘结良好,发挥了增粘和桥接作用,提高了沥青胶浆的整体稳定性和抵抗永久变形的能力.     

纳米粘土/聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物复合改性沥青短期老化前后性能研究

为探究纳米粘土与聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)复合改性沥青的流变特性和抗老化性能,采用物理试验、动态剪切流变(DSR)、多应力蠕变回复试验(MSCR)和弯曲梁流变试验(BBR),对旋转薄膜烘箱加热老化试验(RTFOT)前后的不同纳米粘土掺量的纳米粘土/SBS复合改性沥青进行对比,探讨短期老化前后不同纳米粘土掺量下纳米粘土/SBS复合改性沥青的抗老化性能。结果表明:添加纳米粘土能明显地提高SBS改性沥青的高温、低温性能和抗老化性能;随着纳米粘土掺量的增加,纳米粘土/SBS复合改性沥青短期老化后的抗车辙因子、不可恢复蠕变柔量等性能指标不同程度改善;十六烷基三甲基溴化铵活化的纳米粘土表现出较好的化学活化效果和抗老化性能。     

盐冻循环条件下改性沥青的细观结构及低温流变性能

冬季由于低温路面经常会被冰雪覆盖,融雪盐是对路面进行融雪化冰的主要方式之一。为了研究盐冻循环前后的基质沥青、SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青和胶粉改性沥青的细观结构和低温流变性能变化,利用SEM和弯曲梁流变仪（BBR）对其测试。结果表明:改性剂以特定的结构形态存在于沥青中,二者具有良好的相容性,这种形态可以更好地吸附沥青,提高沥青的低温弹性或韧性,进而改善了沥青的低温性能。盐冻循环破坏了沥青的结构,影响了沥青的低温抗裂性能。经历盐冻循环后沥青的蠕变劲度模量增大、蠕变速率减小,低温抗裂和应力松弛能力降低,但改性沥青低温性能总体上优于基质沥青。因此建议北方等寒冷地区尽量选用改性沥青作为路面材料。      

降黏型温拌胶粉改性沥青高低温性能试验

通过动态剪切流变试验(DSR)和小梁弯曲蠕变劲度试验(BBR),对添加不同掺量(1%、2%、3%)有机降黏剂(LP)的胶粉改性沥青(CR)高低温性能进行研究。结果表明:LP的添加使胶粉改性沥青的高温性能得到改善,复数剪切模量G*增大,相位角δ减小,且随着LP掺量的增加,其高温抗变形能力逐渐增强。对于低温性能,LP的添加可以提高胶粉改性沥青的低温性能,但不同温度下,随着降黏剂LP掺量的增加,其低温抗裂性能呈减小趋势,对改善胶粉改性沥青低温性能有一定的负面影响,且随着温度的降低,LP对胶粉改性沥青的低温性能改善效果减小,不同掺量对其影响相差不大。     

SBS改性沥青高温流变性能与相态结构的关系

为量化表征SBS改性沥青网络化程度,确定控制其高温性能的形态学参数,采用荧光形态学方法、多重应力蠕变回复试验、频率扫描试验分别对5种掺量、6个剪切时间的线型SBS改性沥青在64℃下的荧光数字图像、不可恢复蠕变柔量、频率敏感性进行了定量分析。结果表明:通过增大改性剂掺量、延长剪切时间,SBS改性沥青高温流变性能得到改善。SBS掺量低于5%时,仅靠延长剪切时间无法形成网络结构;相同剪切时间下,增大SBS掺量即可形成网络结构。本文选取图像连通域和面积比率共同描述SBS改性沥青的相态变化特征,并建立了流变指标与形态学参数间的关系模型,为直接利用形态学方法预估、评价改性沥青高温性能提供理论依据。     

反应性弹性体三元共聚物改性沥青及其混合料性能与机制

采用黏度试验和动态剪切流变试验研究了反应性弹性体三元共聚物（RET）对基质沥青与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青性能的影响,通过原子力显微镜（AFM）分析了SBS改性沥青和RET-SBS改性沥青的表面形貌特征,并采用车辙试验、低温弯曲试验、弯曲疲劳试验及加速加载试验评价了RET改性沥青混合料的各项技术性能,最后通过Weibull分布,分析了不同RET改性沥青混合料在不同失效概率下的疲劳性能。结果表明：RET的掺入提高了沥青的黏度和抗车辙因子,对沥青的高温性能有较大改善;通过掺入RET-SBS,增加了改性沥青中的黏性成分;相较于SBS改性沥青,RET-SBS改性沥青的表面粗糙度显著增大;RET改性剂能够明显改善沥青混合料的高温稳定性;RET与SBS改性剂复配,可有效弥补RET对沥青混合料低温性能的不足,明显改善沥青混合料的疲劳性能和高温长期稳定性。     

沥青砂浆多次损伤自愈合性能

沥青砂浆由沥青、细骨料及填料三部分组成,对沥青混合料的性能具有重要影响。为对比分析自愈温度、自愈时间、老化程度及损伤程度对两种沥青砂浆愈合性能的影响,采用四因素三水平正交试验方法设计沥青砂浆小梁弯曲损伤愈合试验,选出最显著影响因素,进行多次间歇期的损伤自愈合试验。利用J积分理论对沥青砂浆的愈合程度进行价评,将断裂韧性J_c作为沥青砂浆损伤愈合的评价指标。试验结果表明：断裂韧性J_c能够表征沥青砂浆内部能量释放过程,可以很好的评价沥青砂浆的愈合能力;老化程度是影响沥青砂浆愈合性能的主要因素,与基质沥青砂浆相比,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性沥青砂浆在多次损伤自愈合后的愈合性能更好;随着损伤次数的增大两种沥青砂浆的愈合度都显著下降。试验结果可为沥青混合料性能研究及路面养护提供参考依据。     

基于黏弹性理论的多聚磷酸改性沥青低温性能

基于黏弹性理论,对不同质量分数(0.5wt%,1.0wt%,1.5wt%,2.0wt%)的多聚磷酸改性沥青及基质沥青进行低温弯曲流变试验(BBR),结合Burgers模型对低温弯曲梁流变试验得到的蠕变数据进行非线性拟合,利用Burgers模型的四个参数(E_1、η_1、E_2、η_2分别是Maxwell和Kelvin模型中弹性模量和黏性系数)确定出低温性能指标,对多聚磷酸改性沥青低温性能进行分析。结果表明:多聚磷酸的添加使沥青中的黏性和弹性都得到了一定的改善,沥青中松弛时间减少,储存能减少,耗散能增加,应力松弛能力得到提高。在相同温度下,多聚磷酸改性沥青延缓了沥青进入蠕变稳定期的时间,但随着温度的降低,达到蠕变稳定期的时间缩短。多聚磷酸改性剂的添加可以提高沥青低温性能,且随质量分数的增加,低温改善效果更好;但随着温度的降低,多聚磷酸对沥青的低温改善程度减小,且不同质量分数对其影响的差异也减小,在-24℃以上适合使用多聚磷酸改性,而在-24℃以下掺入多聚磷酸改性沥青意义不大。     

盐冻循环条件下沥青高低温性能的灰关联熵分析

利用动态剪切流变仪(DSR)和弯曲梁流变仪(BBR)对冻融循环前后的三种沥青(沥青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青、胶粉改性沥青)进行测试,比较分析不同冰冻温度、融雪盐浓度、冻融循环次数下三种沥青的高低温性能变化规律,并对环境因素进行灰熵分析。结果表明:在盐冻循环条件下对沥青复合模量G*影响最大的因素是融雪盐溶液浓度,其次是10℃延度;对沥青相位角δ影响最大的因素是软化点,其次是25℃针入度;对沥青蠕变劲度模量S影响最大的因素是融雪盐溶液浓度,其次是10℃延度;对沥青蠕变速率m影响最大的因素是试验温度,其次是冰冻温度。     

Mechanism and behavior of fiber-reinforced asphalt mastic at high temperature

Abstract

The rheological behaviour and reinforcement mechanism of asphalt mastic mixed with fibres at high temperature were investigated in this study. Fibres, including basalt, polyester and glass, were added to asphalt mastic. Repeated creep and multi-stress creep tests were conducted to characterise the high-temperature properties of the mastic, and numerical simulation was performed with ABAQUS software to analyse the reinforcement effect of fibres. Test results indicate that the fibres have excellent reinforced performance; for example, the accumulated strain and its change rate decrease, and its creep stiffness modulus increases after the fibres are mixed into the mastic. The creep recovery rate increases, and its creep residual value decreases at a high stress level. The creep stiffness modulus under different loading cycles can be expressed by a power function. Numerical simulation shows that the fibres effectively absorb mastic stress; hence, creep strain in the mastics decreases. The Burgers model was utilised to present the rheological behaviours of mastics with fibres; the model parameters were estimated.