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再生剂在老化沥青中扩散行为及再生效果评价
| 论文题名： | 再生剂在老化沥青中扩散行为及再生效果评价 |
| 关键词： | 老化沥青;再生剂;扩散系数;特征官能团;流变参数 |
| 摘要： | 沥青路面的再生技术是生态保护及资源节约的可靠选择，是实现我国公路建设可持续发展策略的必要手段，其中再生剂与老化沥青的扩散行为及再生效果评价是再生技术的关键。本文以室内模拟老化沥青为研究对象，首先从物理性能、化学组分及流变特性的角度对沥青老化程度进行评价，其次采用理论分析方法及试验测试手段对再生剂扩散行为进行研究，最后对老化沥青的再生效果进行评价并获取再生剂最佳掺量。研究成果可为沥青路面的热再生技术提供理论基础与技术支撑，论文完成的主要工作及所得研究结论如下： （1）通过对不同老化沥青黏温特性、官能团含量及流变参数进行测试，建立了特征官能团含量量化分析方法，并结合复数剪切模量G*、相位角δ、车辙因子G*sinδ、疲劳因子G*sinδ、复数黏度η*、应变恢复率R、不可恢复柔量Jnr及连续递增应变下的应力峰值σP与沥青老化程度的变化规律，对沥青老化程度进行评价。结果表明，沥青老化后，化学组分发生变化，特征官能团含量变化显著，1700cm-1羰基（C=O）及1030cm-1亚砜基（S=O）表现突出，可通过特征官能团指数变化对沥青老化程度进行量化评价；沥青老化后受组分变化影响，粘弹性比例失调，流变参数发生显著变化，高温稳定性能提高，低温抗裂性能及疲劳性能下降，可分别通过G*、δ、G*sinδ、G*sinδ、η*、R、Jnr及应力峰值σP变化状况对沥青老化程度进行评价。 （2）通过DSR频率扫描测试方法，获取不同老化沥青复数剪切模量及相位角，并利用时温等效原理建立主曲线；结合WLF数学变换方程，依据移位因子数值变化，获取了老化沥青玻璃化转变温度Tg；探寻了Tg与老化沥青特征官能团指数及流变参数的关联性，综合评价了沥青的老化程度。结果表明，Tg表征沥青低温性能，受沥青老化程度影响而变化显著；Tg分别与羰基及亚砜基特征官能团指数及其变化率（IC=O、IS=O、WC=O、WS=O）呈线性分布状况，且数值变化均表现为正相关；Tg分别与流变特性参数（G*、δ、G*sinδ、G*sinδ、η*、R、Jnr）呈线性分布状况，且数值变化与G*、G*sinδ、G*sinδ、η*及R呈正相关，与δ及Jnr呈负相关；通过该关联性分析可对沥青老化程度进行评价，本研究范围内，40h长期老化沥青其老化程度最大。 （3）基于Vrentas-Duta自由体积理论建立了再生剂与老化沥青扩散行为理论分析方法，并对再生剂扩散系数进行了理论表征；通过对模型参数计算分析，探寻了再生剂扩散的主要影响因素，并指出了再生工艺的关键问题及技术措施；基于该扩散模型对再生剂和不同老化沥青的扩散系数进行了预测。结果表明，基于Vrentas-Duta自由体积模型可对再生剂扩散系数进行表征，通过模型参数分析得知，选用小分子类再生剂、增大再生剂初始含量、升高体系温度及降低沥青老化程度均是提高扩散速率的有利途径；通过该理论模型可对再生剂扩散系数进行有效预测，结果表明，在60～160℃的温度范围内，扩散系数随温度变化满足3次多项式分布状况，其中老化沥青力学状态界限温度100℃+Tg2是扩散系数的突变点，该温度下老化沥青进入粘流态，扩散系数显著增大。 （4）根据自行设计的扩散试验，采用示踪法对再生剂在老化沥青中的扩散行为进行试验研究；结合扩散试验，建立了再生剂扩散系数分析方法，对扩散行为进行量化分析，并对扩散理论模型的可靠性进行验证；对实际RAP沥青膜分布状况下再生剂扩散行为进行预估，从而对施工生产条件的合理性进行判别。结果表明，CTBN和SBS用作示踪剂，表征再生剂扩散行为具有可行性，其最佳标记量分别为10%和3%；通过建立标准曲线，以特征吸收峰面积比A1739/A1458为判断依据，可有效反映再生剂在老化沥青中的扩散量，同条件下升高温度、延长时间及降低沥青老化程度能有效提高再生剂扩散量；在本研究范围内，随温度的升高，再生剂扩散系数与累积扩散量随温度变化速率一致，符合Fick第二定律；预设条件下，再生剂扩散系数的理论预测值与试验计算值基本相近，通过Vrentas-Duta自由体积模型预测再生剂扩散系数，具有一定精度；再生沥青混合料生产所规定的拌和时间完全满足于再生剂与老化沥青薄膜的扩散、混溶行为，并使老化沥青具备了再生的前提条件。 （5）采用FTIR量化分析方法，建立了特征官能团含量与再生剂掺量的变化关系，并获取了该条件下再生剂的合理掺量；采用DSR、MSCR及LAS测试方法，建立了再生剂掺量与流变参数的变化关系，并获取了该条件下再生剂合理掺量；综合上述各研究方法的分析结果，对不同老化沥青满足性能要求的再生剂最佳掺量进行了确定。结果表明，再生是老化的逆过程，再生剂添加后，特征官能团及流变参数均发生显著变化，且变化趋势与沥青老化过程相反，再生效果逐渐显现；通过FTIR方法，以特征官能团恢复状况判定再生剂最佳掺量，不具备可靠性；本研究范围内，85min老化沥青及40h长期老化沥青，再生剂最佳掺量分别为11.303%和15.790%，该条件下老化沥青再生效果表现良好。 |
| 作者： | 毛昱 |
| 专业： | 土木工程材料 |
| 导师： | 李萍 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 兰州理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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