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原文传递 TiO2量子点改性沥青的制备与调温特性研究

论文题名：	TiO2量子点改性沥青的制备与调温特性研究
关键词：	二氧化钛量子点改性沥青;制备工艺;调温特性;路用性能
摘要：	沥青材料的太阳光响应行为对沥青路面温度起关键作用。但是，沥青是一种黑色材料，具有太阳光吸收率高、荧光强度较低的显著特点，导致沥青路面温度在夏季可达70~80℃。路面温度升高不仅加剧了路面病害（即车辙、波浪、拥包和泛油等），而且加剧了城市热岛效应。本文针对沥青的高太阳光吸收率、荧光强度问题，设计并制备具有高太阳光反射率和荧光强度的 TiO2量子点改性沥青。结合第一性原理和分子动力学模拟以及宏微观试验，研究了TiO2量子点和TiO2量子点改性沥青的光学特性和路用性能，确定了 TiO2量子点改性沥青的调温行为。本研究为调温沥青路面的开发与应用提供技术支持和理论依据，可有效减缓沥青路面高温病害。　　首先，基于密度泛函理论的第一性原理，研究了TiO2量子点的光学特性。模拟过程中，在Materials Studio 2019中建立了6 ?、8 ?、10 ?、12 ?四种不同粒径的TiO2量子点模型，进行了模型验证和几何优化，再基于CASTEP模块计算了TiO2量子点的吸收光谱、反射率光谱，并考察其粒径对光谱特性的影响规律。另外，表征了5 nm、10 nm和20 nm三种不同粒径TiO2量子点的光学性质（吸收光谱、反射率光谱和荧光光谱）。研究表明，TiO2量子点的吸光强度随着粒径的增大而增大，光反射率随着粒径的增大而减小，荧光强度随着粒径的增大而增大。　　其次，通过分子动力学模拟，研究了TiO2量子点改性沥青的物理力学性能。模拟过程中，首先建立了基质沥青分子模型，并对基质沥青模型进行了验证。建立了不同粒径（6 ?、8 ?、10 ?、12 ?）和不同掺量下（5%、10%和15%）的TiO2量子点改性沥青分子结构模型，计算了TiO2量子点改性沥青的密度、内聚能密度、溶解度参数、杨氏模量、弹性模量和剪切模量等参数，考察了TiO2量子点粒径和掺量的影响规律。研究表明：随着TiO2量子点掺量的增加，改性沥青的密度、内聚能密度、溶解度参数和模量均增加。随着 TiO2量子点粒径的增大，改性沥青的密度、内聚能密度、溶解度参数和模量均减小。　　然后，通过红外光谱测试、布氏粘度试验、DSR 试验、BBR 试验等试验，研究了TiO2量子点改性沥青的光学特性、化学性能和路用性能，考察了 TiO2量子点掺量和粒径的影响规律。研究表明：随着 TiO2量子点掺量增加和粒径减小，改性沥青的粘度增加；TiO2量子点改性沥青的抗车辙因子随量子点掺量增加和粒径减小而增大，由此可见， TiO2量子点的掺加提高了沥青的抗车辙能力，有助于改善其高温性能；在5%~20%掺量范围内，TiO2量子点改性沥青的抗疲劳因子几乎均在 22℃时超过了 5000 kPa，疲劳失效温度都是22℃，说明TiO2量子点的掺加对改性沥青抗疲劳性能影响不明显；改性沥青的蠕变劲度S随着TiO2量子点掺量的增加而增加，m值随量子点掺量增加而减小，采用m/S值来评价改性沥青的低温性能，试验数据表明TiO2量子点粒径越大、掺量越多，沥青的低温抗裂性能就越差；红外光谱分析发现TiO2量子点掺加前后沥青的官能团没有明显变化，说明TiO2量子点改性沥青改性机理是物理改性。另外，表征了TiO2量子点改性沥青的太阳光反射率和荧光光谱，试验发现，相比基质沥青，改性沥青太阳光反射率从3%提高到15%，荧光强度提高了10.9倍。　　最后，通过室内模拟光照实验探究了TiO2量子点改性沥青的调温行为。与传统沥青相比，TiO2量子点改性沥青涂层表面温度降低5.3℃；与传统沥青混合料相比，TiO2量子点改性沥青混合料表面温度降低6.2℃，确定了TiO2量子点改性沥青的有效调温行为。
作者：	李煜炜
专业：	交通运输工程;载运工具运用工程
导师：	朱湘;胡建英
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022