详情

原文传递改性纤维乳化沥青冷再生混合料增强机理及性能研究

论文题名：	改性纤维乳化沥青冷再生混合料增强机理及性能研究
关键词：	道路路面;冷再生混合料;乳化沥青;玄武岩纤维;增强效果;损伤演化
摘要：	乳化沥青冷再生技术可大幅度提升回收沥青混合料利用率，具有降低资源消耗和路面养护成本的优势。但目前乳化沥青冷再生混合料存在抗裂性能差、早期强度不足、粘结性较弱等技术难题，且对乳化沥青冷再生混合料的断裂及损伤失效行为研究不够深入。为进一步改善乳化沥青冷再生混合料力学性能和抗裂性能，需要对乳化沥青冷再生混合料的材料组成和强度行为特征开展深入研究。研究表明，玄武岩纤维（Basalt fiber,BF）较其他纤维具有力学性能优势，对混合料性能的增强效果较好。但玄武岩纤维存在表面光滑，与基体材料之间的附着力不足等问题，表面改性处理将显著提高玄武岩纤维的粗糙度和界面结合能力。研究表明改性玄武岩纤维（Modified Basalt Fiber,MBF）对乳化沥青冷再生混合料的力学性能增强作用具有重要意义。鉴于此，本文引入表面活化纤维为增强相，旨从多尺度表征改性纤维对乳化沥青冷再生混合料的增强效果和断裂损伤演化行为。　　本文主要从以下几个方面展开研究：　　（1）采用硅烷偶联剂（γ-氨丙基三乙氧基硅烷，H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3，KH550）对玄武岩纤维进行表面处理，以增强玄武岩纤维与乳化沥青冷再生混合料的界面结合能力。玄武岩纤维的断裂强度及断裂伸长率随着硅烷偶联剂KH550溶液浓度及浸润时间的增长呈现先上升后下降的趋势，推荐硅烷偶联剂最佳处理浓度为1.0%，最佳浸润时间为60min。微观试验（SEM、EDS、XRD）表明硅烷偶联剂成功接枝在玄武岩纤维表面。硅烷偶联剂使纤维表面粗糙度增加，且不会劣化玄武岩纤维的晶体结构。致密的硅烷网络结构改善了纤维表面较为光滑的问题，从而增强与乳化沥青基体的粘聚力。　　（2）采用网篮吸附试验、表面能接触角试验和差示扫描热法分析改性前后玄武岩纤维对乳化沥青的吸附性能、界面结合能力和热稳定性能。结果表明，MBF比BF具有更好的乳化沥青吸持能力。MBF具备更高的表面自由能，且与乳化沥青基体的界面结合能力更佳。MBF影响乳化沥青团聚状态的转变范围，使乳化沥青不易发生相态变化，其温度敏感性下降。　　（3）采用动态剪切流变试验（DSR）、测力延度试验（FDT）和弯曲梁流变试验（BBR）研究MBF对乳化沥青高低温流变性能的影响。结果表明，MBF改性乳化沥青在抗车辙能力、抗永久变形性能方面表现出良好的性能。随着MBF掺量的增加，乳化沥青蒸发残留物的抗车辙性能得到明显改善。对低温流变性能有略微劣化，但影响幅度较小。适量的SBR胶乳可提升硅烷偶联改性纤维乳化沥青的低温性能。　　（4）通过荧光显微（FM）和傅里叶红外光谱（FTIR）试验分析SBR在MBF乳化沥青的复合改性机理和官能团变化。结果表明，SBR胶乳在乳化沥青中形成物理交联三维网状结构，具有提高基体延展性和柔韧性的作用。从官能团的波峰变化得出MBF相较于BF能更好的吸附乳化沥青中的轻质组分和不饱和烃链，对乳化沥青的稳定效果更优。　　（5）通过车辙试验、低温小梁弯曲试验和浸水马歇尔试验，以聚酯纤维（PET）作为对照组，探究适用于乳化沥青冷再生混合料的最佳纤维种类和掺量。结果表明，在最佳掺量下，MBF和PET均能提升乳化沥青冷再生混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能和水稳定性能。掺入SBR能进一步提升纤维乳化沥青冷再生混合料的低温抗裂性能。MBF的弹性模量与集料更为接近，能够做到与集料协同变形，从而比PET更能适应混合料基体的张力和裂缝发展，提高混合料的柔韧性。综合力学性能和路用性能指标，MBF比PET对乳化沥青冷再生混合料性能提升效果更好。推荐掺量为混合料质量的0.3%。　　（6）通过半圆试件（SCB）断裂能指标、声发射技术（参数变化），多尺度探究最佳掺量下纤维在乳化沥青冷再生混合料中的损伤演化和阻裂机理。结果表明，声发射参数将断裂过程分为三个阶段。I稳定阶段，II微裂缝聚集到宏观裂缝产生阶段，III快速损伤阶段。其中Ⅱ阶段表示微裂缝萌生、发展到逐渐贯通形成宏观裂缝的过程。Ⅱ阶段声发射信号参数的变化可视为试件宏观破坏的前兆特征。声发射检测技术被运用分析纤维乳化沥青冷再生混合料破坏机制，通过声学参数定性表征了纤维混合料的损伤断裂过程，定量表征复杂断裂行为下纤维对乳化沥青冷再生混合料的阻裂效果。　　（7）通过扫描电镜(SEM)观察纤维在乳化沥青冷再生混合料断裂截面的分布、拔出失效状态、界面结合效果等微观结构和微观形貌。结果表明，纤维可以增加乳化沥青冷再生混合料的温度稳定性和结构稳定性。从在微观尺度上解释了纤维在乳化沥青冷再生混合料中的吸附、桥接、稳定、加筋、锚固和增韧等作用。　　研究结果为纤维引入乳化沥青冷再生混合料中增强材料的选用提供了参考。为纤维乳化沥青冷再生混合料的规模化应用提供了有效的技术参数。
作者：	孔林
专业：	交通运输工程
导师：	陆兆峰;何兆益
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022