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上海昌吉專業(yè)儀器分析瀝青材料微觀結(jié)構(gòu)與自愈

導(dǎo)讀:道路石油瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青3種不同類型的瀝青材料,采用熒光顯微鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析,采用DSR動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行自愈合性能測(cè)試及評(píng)價(jià)。


返回列表 來源:未知 發(fā)布日期:2019-10-29 15:44【
前 言

大量研究表明,在外界溫-濕-荷載等多場(chǎng)耦合因素作用下,瀝青材料會(huì)逐漸產(chǎn)生微觀損傷,造成分子結(jié)構(gòu)的裂變, 形成微觀裂紋,但由于瀝青材料屬于溫感性材料,在特定溫度條件下,瀝青材料的微觀結(jié)構(gòu)將會(huì)進(jìn)行自修復(fù),實(shí)現(xiàn)自愈合。 20 世紀(jì) 60 年代,美國(guó)率先開展路用瀝青材料自愈合特 性的研究,Bazin[探明了瀝青材料具有自愈合特性,Shen 等驗(yàn)證揭示了瀝青混合料的自愈合本質(zhì)是瀝青材料的自愈合, 美國(guó)伊利諾伊大學(xué)通過研究提出了一種自修復(fù)體系。之后 學(xué)者們對(duì)瀝青材料的特性開展了不同層次與方向的研究。在 自愈合機(jī)理上,包括了以微觀為基礎(chǔ)的表面能理論、分子擴(kuò)散 模型、相場(chǎng)模型理論,以及以宏觀力學(xué)為基礎(chǔ)的斷裂力學(xué)模型 理論和觸變模型理論,為解釋瀝青材料的自愈合行為提 供了良好的理論基礎(chǔ)。隨著研究的深入,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也在瀝青 材料自愈合能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)、技術(shù)手段、實(shí)施方式等方面取得并在利用瀝青混合料自愈合這一優(yōu)勢(shì)特性開 展了實(shí)體工程驗(yàn)證??傮w而言,通過前期的研究人們對(duì)瀝青材料的自愈合特性有了較多的認(rèn)識(shí),但改性瀝青復(fù)合材料的熱 力學(xué)微觀構(gòu)造變化規(guī)律、瀝青材料自愈合特性仍需進(jìn)一步進(jìn) 行深入及補(bǔ)充研究。

上海昌吉地質(zhì)儀器針對(duì) A-70# 道路石油瀝青、SBS 改性瀝青、橡膠改性 瀝青等 3 種不同類型的瀝青材料,進(jìn)行瀝青材料的微觀結(jié)構(gòu) 分析以及自愈合性能測(cè)試評(píng)價(jià),建立不同瀝青材料自愈合能 力與損傷率的指數(shù)方程,從相轉(zhuǎn)變及自愈合能壘角度解釋不 同瀝青材料產(chǎn)生自愈合效應(yīng)的熱力學(xué)條件。

試 驗(yàn)

1.1 原材料
(1)基質(zhì)瀝青:泰普克 A-70# 道路石油瀝青。
(2)SBS 改性瀝青:星形結(jié)構(gòu) SBS 改性劑,SBS 摻量為 5%,由苯乙烯組成的硬鏈段和丁二組成的軟鏈段共同構(gòu)成, SBS 大分子沒有交聯(lián)結(jié)構(gòu),相對(duì)分子質(zhì)量一般為10萬(wàn)~15萬(wàn),因此 SBS 比較容易溶于基質(zhì)瀝青中。
(3)橡膠改性瀝青:膠粉目數(shù)為 20~40 目,摻量為 20%, 橡膠粉大分子結(jié)構(gòu)中存在交聯(lián)結(jié)構(gòu),主要是—C—S—鍵和 —S—S—鍵,相對(duì)分子質(zhì)量一般為 30 萬(wàn)~50 萬(wàn),個(gè)別可以高 達(dá) 100 萬(wàn),因此橡膠粉很難溶于基質(zhì)瀝青中,在高溫下橡膠粉 只是與瀝青發(fā)生溶脹作用。

1.2 試驗(yàn)方案
(1)微觀結(jié)構(gòu)分析 主要采用 TSM600 熒光顯微鏡對(duì) SBS 改性瀝青和橡膠改 性瀝青進(jìn)行觀察,測(cè)試溫度為 50 ℃和 65 ℃,顯微鏡放大倍數(shù) 為 200 倍。
(2)自愈合性能分析 采用 Bolin ADS CVO-100 動(dòng)態(tài)剪切流變儀分別對(duì) A70# 道路石油瀝青、SBS 改性瀝青、橡膠改性瀝青進(jìn)行時(shí)間掃 描,采用應(yīng)變控制加載方式,加載頻率 10 Hz,平行板 8 mm, 板間距 2 mm,試驗(yàn)溫度為 30 ℃,并在試驗(yàn)過程中加入間歇 時(shí)間 300 s,用于模擬瀝青材料的自愈合過程。間歇時(shí)間點(diǎn)選 用了 4 種,分別在剪切復(fù)數(shù)模量損傷度為 15%、30%、45%和 60%,觀測(cè)不同瀝青材料在不同損失率條件下的剪切復(fù)數(shù)模 量-時(shí)間變化曲線,并計(jì)算比較自愈合指數(shù)。

2 結(jié)果與討論
2.1 瀝青材料微觀結(jié)構(gòu)分析
采用熒光顯微鏡對(duì) SBS 改性瀝青及橡膠改性瀝青進(jìn)行 微觀結(jié)構(gòu)分析,采用藍(lán)光照射,分別將熱 SBS 瀝青和熱橡膠 瀝青小心地滴在載玻片上,隨即在 50 ℃溫度下讓其自流平, 迅速放在熒光顯微鏡下觀察,隨后在 65 ℃下讓其自流平,再次在熒光顯微鏡下觀察。

2.2 瀝青材料自愈合特性分析
分析可知,HI1、HI2、HI3 這 3 個(gè)指標(biāo)考慮了間歇時(shí)間前 后動(dòng)態(tài)剪切復(fù)數(shù)模量的相對(duì)變化量,反映了瀝青材料在間歇 后復(fù)數(shù)模量存在增值的情況,即在一定程度上表征了瀝青材 料的自愈合性能。進(jìn)一步分析,瀝青材料的自愈合性能實(shí) 質(zhì)是與時(shí)間密切相關(guān)的,在加載時(shí)間內(nèi),瀝青材料在應(yīng)力或應(yīng) 變作用下實(shí)則是在同時(shí)發(fā)生著損傷與自愈合的兩種過程,自 愈合能力強(qiáng)的材料相比之下?lián)p傷程度小,即剪切復(fù)數(shù)模量的 衰減速率小,反之則衰減速率大。HI4 所反映的自愈合評(píng)價(jià)指 標(biāo)考慮了時(shí)間因素,更能反映瀝青材料的自愈合性能。因此本 文采用 HI4 計(jì)算公式作為瀝青材料自愈合性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
(1)從 31 ℃至 66 ℃,基質(zhì)瀝青從粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變至粘流態(tài), 這個(gè)溫度區(qū)間為 35 ℃,整個(gè)過程焓變?yōu)?2.160 J/g,基質(zhì)瀝青 的自愈合能壘近似為 2.160 J/g。
(2)從 31 ℃至 64 ℃,SBS 改性瀝青從粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變至粘流 態(tài),這個(gè)溫度區(qū)間為 33 ℃,整個(gè)過程焓變?yōu)?3.572 J/g,SBS 改 性瀝青的自愈合能壘近似為 3.572 J/g。
(3)從 32 ℃至 69 ℃,20%橡膠瀝青從粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變至粘流 態(tài),該溫度區(qū)間為 37 ℃,整個(gè)過程的焓變?yōu)?4.017 J/g,橡膠瀝 青的自愈合能壘近似為 4.017 J/g。 可以得出,橡膠改性瀝青的自愈合能壘最大,SBS 改性瀝 青次之,A-70# 道路石油瀝青的最小。反映橡膠瀝青發(fā)生自愈 合效應(yīng)需要更高的溫度條件與熱量補(bǔ)給,這也與橡膠瀝青高 溫穩(wěn)定性較好的觀點(diǎn)是一致的。

3 結(jié) 論
(1)在溫度熱作用下,SBS 改性劑以及橡膠粉發(fā)生分子結(jié) 構(gòu)變化,隨著溫度升高,與基質(zhì)瀝青逐漸趨于相溶狀態(tài)。SBS 與 70# 基質(zhì)瀝青的相溶性優(yōu)于橡膠粉顆粒。
(2)由于 SBS 改性瀝青和橡膠改性瀝青中改性劑能夠改 善分子內(nèi)部結(jié)構(gòu),增強(qiáng)分子抗變形能力,在熱作用下能更快地 發(fā)生彈性恢復(fù),微損傷也會(huì)在間歇時(shí)間內(nèi)得到有效愈合,自愈 合能力優(yōu)于 A-70# 道路石油瀝青。
(3)瀝青材料自愈合性能與損傷度成反比,損傷度越大, 材料的可恢復(fù)性越小,自愈合性能越不顯著。通過自愈合指 數(shù)方程,能夠較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同損傷度條件下瀝青材料的自愈 合能力。
(4)溫度高于瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),瀝青開始具有自 愈合能力。橡膠改性瀝青的自愈合能壘最大,SBS 改性瀝青次 之,A-70# 道路石油瀝青的最小,表明橡膠瀝青發(fā)生自愈合效 應(yīng)需要更高的溫度條件與熱量補(bǔ)給。