详情

原文传递 MWCNTs对SBS改性沥青的性能影响与增韧机理研究

论文题名：	MWCNTs对SBS改性沥青的性能影响与增韧机理研究
关键词：	路用复合改性沥青;多壁碳纳米管;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯;流变性能;增韧机理
摘要：	纳米材料具有独特的物理性质和优异的化学性能，与沥青共混后可以改变其微观结构和路用性能，近年来，碳纳米管等纳米材料在道路沥青改性领域的研究日益受到重视。本文通过共混工艺将多壁碳纳米管(MWCNTs)与SBS改性沥青混合制备MWCNTs/SBS复合改性沥青，研究不同掺量的MWCNTs对复合改性沥青微观结构和路用性能的影响，结合分子模拟的方法研究MWCNTs、SBS与沥青的相互作用，揭示了MWCNTs/SBS复合改性沥青的增韧机制。　　本文采用高速剪切法，以0.2%为间隔，制备了MWCNTs掺量为0%~1.0%的MWCNTs/SBS复合改性沥青，试验研究了MWCNTs的掺量对沥青的针入度、软化点、延度和布氏粘度的影响。结果表明随着MWCNTs掺量的增加，复合改性沥青的软化点和布氏粘度增大，针入度减小，延度值略有减小，高温性能和温度敏感性得到改善。　　通过剪切流变试验（DSR），对不同掺量的复合改性沥青进行频率扫描和温度扫描，绘制了复数剪切模量主曲线。DSR试验结果表明，加入MWCNTs后改性沥青的复数剪切模量(G)提高,相位角(δ)减小,且G随着MWCNTs掺量增加先增大后减小MWCNTs可以提高SBS改性沥青的高温性能，对低温性能的影响较小；与SBS改性沥青相比，MWCNTs/SBS复合改性沥青的高温抗剪切变形能力更强，具有更好的抗车辙能力，MWCNTs的掺量为0.4%时，复合改性沥青的改性效果最佳。　　利用弯曲梁流变试验（BBR）研究了复合改性沥青的低温蠕变性能，发现添加少量的MWCNTs可以提高改性沥青的低温抗变形能力。　　对不同掺量的复合改性沥青样品进行黏韧性试验，可知，复合改性沥青的黏韧性和韧性随着MWCNTs掺量的增加而先增大后减小。在外力作用下，复合改性体系受拉变形过程中所消耗的能量大于SBS改性沥青，复合改性沥青具有更好的抗裂性能，在掺量为0.6%时MWCNTs的增韧最佳。　　为了研究复合改性沥青的增韧机理，本文采用多种技术手段研究了复合改性沥青的微观结构。采用荧光显微镜观察MWCNTs/SBS复合改性沥青的分散性；采用傅里叶红外光谱和拉曼光谱研究复合改性沥青分子间的作用；通过透射电镜、扫描电镜观察MWCNTs及改性剂与复合改性沥青界面的形貌；通过原子力显微镜得到复合改性沥青的三维形貌，分析微观结构特性。结果表明，复合改性沥青的分散性较好，改性过程只发生物理变化；MWCNTs的C=C会与沥青和SBS之间会产生相互作用，MWCNTs掺量的增加，各组分之间的作用增强，当掺量大于0.8%时相互作用会减弱；MWCNTs与SBS混合时，部分MWCNTs会插入SBS中，增加了界面的粗糙度，连接SBS相与沥青相，形成更加致密的网络结构。　　借助分子动力模拟方法研究沥青性能与微观结构的联系，建立了12组分模型基质沥青模型，计算了模型密度、溶解度参数、径向分布函数等指标验证了基质沥青模型的有效性；在基质沥青模型的基础上，添加改性剂，建立SBS改性沥青分子模型和MWCNTs/SBS复合改性沥青模型，分析改性剂与沥青的共混效应，结果表明，SBS改性剂分子与基质沥青的饱和分、芳香分和沥青质都会发生聚集，对饱和分的聚集能力最强；MWCNTs的加入改变了SBS改性沥青体系的分子分布，MWCNTs易与SBS分子形成π-π共轭体系，易与沥青组分中的烷烃链缠绕，增强了界面分子间的相互作用。　　本文还模拟了MWCNTs从改性沥青体系中拔出的过程，结果表明，MWCNTs运动过程中体系的静电能变化不大，体系的总势能、范德华能及剪应力呈双峰变化，说明在体系受到外力作用时MWCNTs通过运动消耗部分外力做的功，缓解沥青界面破坏。　　MWCNTs不仅改善了SBS改性沥青的高温性能，还使得SBS相与沥青相之间形成更加紧密的网络结构，体系更加稳定，分子间相互作用增强，提高SBS改性沥青的抗拉强度，使其具有更好的韧性。
作者：	谢佳雯
专业：	建筑与土木工程
导师：	吴旷怀
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广州大学
学位年度：	2022