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原文传递温拌橡胶沥青流变行为及微观特性研究

论文题名：	温拌橡胶沥青流变行为及微观特性研究
关键词：	道路工程;温拌橡胶沥青;流变行为;微观特性
摘要：	温拌橡胶沥青技术将温拌和橡胶沥青技术相结合，在全面提高路用性能的同时，还能回收利用大量废旧轮胎橡胶，并降低传统橡胶沥青混合料的生产施工温度，从而获得良好的经济和环境效益。橡胶沥青具有独特的“胶粉-沥青”两相结构，力学行为十分复杂。当前研究广泛采用的经验性或基于线性黏弹性的试验方法，难以精准、客观评价橡胶沥青的力学特性和使用性能。鉴于此，本文以温拌橡胶沥青为主要研究对象，针对其路用性能以及流变行为特性展开系统研究，同时为了解释复杂流变行为的微观机理，将橡胶沥青视作两相体系，研究温拌橡胶沥青的微观特性。本文主要内容如下：　　（1）为了克服传统橡胶沥青施工温度高、稳定性差等问题，本研究引入了温拌技术，并优化了制备流程，对采用新工艺制取的温拌橡胶沥青常规性能与施工和易性展开试验评价，探究温拌剂与胶粉对沥青材料常规性能、温拌效果以及储存稳定性的影响。结果发现，相比于基质沥青（OB）,橡胶沥青的高温稳定性、低温抗裂性与弹性恢复性能均有显著提高，服务温度区间得到了显著拓展；Sasobit（S型）温拌剂增加了橡胶沥青的刚度，提高了高温稳定性与弹性恢复能力，但降低了低温性能，而Evotherm（M型）温拌剂作用则相反。两种温拌剂均能降低橡胶沥青的布氏旋转黏度，其中S型的降黏效果更好；添加相容剂与稳定剂后，橡胶沥青的储存稳定性得到了明显改善，但两种温拌剂对稳定性均有轻微负面影响。　　（2）为了揭示原橡胶沥青（CR）、M型与S型温拌橡胶沥青（CR-M与CR-SA）在不同温区内的复杂黏弹特性，对三种沥青材料进行了温度扫描、低温弯曲梁（BBR）、频率扫描以及多应力重复蠕变恢复（MSCR）等流变学试验，并通过构建Wicket图与复数剪切模量主曲线，探讨了传统线性黏弹理论评价体系对温拌橡胶沥青的适用性。结果发现，橡胶沥青作为一种两相结构分明的黏弹性材料，胶粉相对整体结构的支撑作用使橡胶沥青表现出趋向于黏弹性固体的流变特性，温度扫描与频率扫描试验均表明其在高温、低频区的弹性比例不降反升；CR与CR-M的流变试验结果非常相近，表明M型温拌剂并未对橡胶沥青的黏弹特性造成显著影响；Wicket图结果显示，时温等效原理（TTSP）在按照试验规程选定的试验条件下适用于CR与CR-M，而S型温拌剂的相态转变特性造成了CR-SA的Wicket图中出现了高温区曲线簇分离的现象，TTSP因此失效；选用的2S2PID主曲线模型能够准确地表征温拌橡胶沥青的动态剪切模量规律，但相位角主曲线呈现出独特的双峰形状，故包括2S2PID模型在内的常规复数剪切模量主曲线模型无法准确地模拟如此复杂的相位角主曲线规律。MSCR试验表明，温拌橡胶沥青表现出显著的应力依赖行为。为了进一步分析温拌橡胶沥青的非线性黏弹行为，设计了一种小应力蠕变-恢复试验，并采用广义开尔文模型获得了MSCR加载模式下的线性黏弹性（LVE）可恢复应变响应，结果发现，温拌橡胶沥青在0.1kPa和3.2kPa下均表现出了非线性黏弹行为，其中CR-SA的应力依赖性最高。　　（3）为了探索温拌橡胶沥青宏观黏弹行为的微细观机理，本研究基于微观化学理论，将温拌橡胶沥青视作“胶粉-沥青”两相体系，通过场发射扫描电镜（FSEM）、差示量热扫描（DSC）、热重分析（TGA）与红外光谱（FTIR）等试验对其微观结构组成及特性展开研究。结果表明，在微观尺度上，橡胶沥青中未溶的胶粉固体颗粒作为结构骨架，与裂解出的小粒径胶粉一起均匀分散在沥青相中，构成了相对稳定的两相体系；TGA试验表明，胶粉吸收了沥青中饱和分等轻质组分，且其中的天然橡胶成分促进了胶粉、沥青间的组分互溶；DSC试验表明，S型温拌剂不仅游离于沥青相中，部分组分还渗入到了胶粉相的微观结构，从而改变了橡胶沥青的相态转变特性；FTIR试验结果表明，发现温拌剂、胶粉与沥青三者并未发生复杂的化学反应，在橡胶沥青中主要以物理共混形式存在。温拌橡胶沥青的宏观黏弹特性从微观尺度上可以解释为：在路用高温条件下，橡胶沥青未溶的胶粉相维持了整体的结构强度，未融的S型温拌剂晶体也有类似的增强作用；在胶粉于基质沥青发生组分互换后，沥青相黏韧性的增加，从而降低了低温条件下脆性断裂的发生。
作者：	吕斌
专业：	建筑与土木工程
导师：	孙依人
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2022