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原文传递沥青与矿料界面作用机理及多尺度评价方法研究

论文题名：	沥青与矿料界面作用机理及多尺度评价方法研究
关键词：	路面材料;沥青;矿料;界面交互作用;抗剪切能力;吸附行为
摘要：	传统沥青路面材料研究集中在单质材料的性能和掺配比例设计，而异相材料间的界面相常常因为不易捕捉或复杂多变而被忽略。但实际经验表明界面相容易产生缺陷、发生应力集中显著影响着整体材料的寿命。沥青与矿料的交互作用是产生界面相的直接因素。基于以上原因，本研究通过分子动力学模拟、物理化学表征、动态力学分析、宏观界面测试等技术，从纳米、微米、毫米多个尺度对沥青混合料的界面交互作用机理及评价方法进行了研究。主要的研究工作包括以下几点：　　从纳米级尺度对沥青在矿料表面的吸附行为进行了研究。通过分子动力学模拟技术对沥青四组分和集料五种代表性矿物晶体进行了模型构建及合理性验证，进一步建立了沥青-矿料界面系统模型，对界面吸附、扩散行为进行了分子尺度模拟。结果表明：范德华力在粘附功中占主导作用，库仑静电力较弱，矿料成分对粘附功的影响大小排序为：CaO>MgO>SiO2>Al2O3>Fe2O3，沥青四组分对粘附功的影响大小排序为：芳香分>沥青质>胶质>饱和分，升高温度会提高沥青与矿料界面粘附功、加快沥青组分扩散速率使其分布更加均匀；沥青各组分在Al2O3表面的扩散速度要大于其余矿物晶体，CaO表面沥青各组分扩散系数的温度敏感性最大，沥青中各组分扩散速率大小排序为：饱和分>芳香分>胶质>沥青质；交互作用使得沥青四组分在垂直矿物表面方向上的浓度峰值高于平行矿物表面方向，峰值分布位置验证了沥青胶体结构模型：胶质包裹沥青质形成沥青质胶团分散在轻质油分中。　　从微观尺度对沥青在矿料表面的吸收行为开展了研究。通过设计试验及微纳观表征技术提出了结构沥青和自由沥青的分界标准，并对二者进行了分离及相应的力学、化学分析，揭示了沥青在矿料表面的吸收机理。结果表明：结构沥青厚度在1μm左右，该厚度以内沥青模量显著提高，表面蜂巢结构消失；甲苯作用会分散沥青的组成结构，加速沥青的老化，从而导致沥青复数模量的升高；矿粉对于胶浆模量增强的贡献主要是靠矿粉颗粒本身的强度，而不同种材料之间的增强程度差异主要是由于矿粉与沥青间交互作用水平不同所致；由于界面交互作用导致的沥青模量改变在高温或低频时更加显著；矿粉更易吸收沥青中的极性组分，如沥青质，且石灰岩比花岗岩的吸收能力更强；矿料表面的比表面积等物理性质是决定吸附沥青总量的主要因素，而矿物组成等化学性质会影响吸附层厚度。　　从微米级尺度对沥青与矿粉交互作用评价方法进行了研究。通过动态力学分析手段对不同种沥青与沥青胶浆的流变参数进行了测定，计算得到了沥青与矿粉间的交互作用水平；对交互作用参数进行了对比和改进；对沥青与填料间的交互作用影响因素进行了详细分析；建立了沥青-矿粉间交互作用水平与沥青胶浆粘弹特性之间的关系。结果表明：改进后的基于Palierne理论模型的交互作用参数C值灵敏度更高，更具统计学意义；温度升高，沥青中极性组分含量增多，矿粉比表面积变大，矿粉粒度组成变细，SiO2含量降低均会使得沥青与矿粉的交互作用能力增强；在25℃-45℃范围内时，复数模量、车辙因子和疲劳因子与交互作用参数C值之间具有十分显著的线性关系，在15℃和55℃时，线性关系显著，沥青胶浆的平均相位角只有在25℃和35℃时，与交互作用参数C值具有显著的线性关系。　　从毫米级尺度对沥青与集料交互作用评价方法开展了研究。开发了一套评价沥青与集料交互作用能力的测试系统，提出了相应指标IP值并验证了有效性，实现了沥青与集料间交互作用能力的量化；利用该系统分析了沥青-普通集料和沥青-人造再生集料间交互作用能力的影响因素；对交互作用水平与界面剪切性能之间的关联性进行了分析。结果表明：提高温度或延长界面作用时间可以提高沥青-人造再生矿料间的交互作用能力；沥青与普通集料的交互作用能力随服役时间的延长呈先增加后下降的趋势，石灰岩与沥青之间的最大交互作用水平强于花岗岩；当测试频率为5Hz或1Hz时，交互作用水平与界面抗剪切能力之间有着显著的相关性。　　从纳米、微米、毫米多尺度对交互作用尺度关联性进行了研究。基于分子动力学模拟技术和表面能方法分别从分子尺度、矿粉尺度和集料尺度对沥青与矿料之间的界面粘附功进行了测算，分析了界面粘附功的尺度相关性；通过动态力学分析和界面测试系统分别对沥青与矿粉间的交互作用和沥青与集料间的交互作用进行了测试，并分别在各自尺度对粘附功和交互作用的相关性进行了研究；对沥青与矿料交互作用的尺度关联性进行了分析。结果表明：界面粘附功从分子尺度到矿粉尺度扩大2.64到2.68倍，从分子尺度到集料尺度扩大2.08到3.16倍；沥青与矿粉在单位比表面积的交互作用参数C值与界面粘附功存在相关性；C值和IP值具有相关性，IP值较C值更为敏感。
作者：	郭猛
专业：	交通运输工程
导师：	谭忆秋
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文