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原文传递基于全气候条件的多孔环氧沥青路面长期性能劣化特性研究

论文题名：	基于全气候条件的多孔环氧沥青路面长期性能劣化特性研究
关键词：	多孔环氧沥青路面;胶结料;耐候能力;路用性能;功能性劣化
摘要：	多孔沥青路面具有排水、降噪、抗滑、净化雨水水质、调节地表温湿度等特点，是一种综合型多功能生态路面。然而，其多采用高粘沥青等热塑性沥青，因抗氧化能力不足且服役期内长期遭受荷载、温度及水的多场耦合作用，易出现疲劳开裂和骨料剥落、飞散等病害，特别是在水平剪切力较大、频繁启停等特殊条件下表现出较大的局限性。目前，欧洲、日本等国家利用环氧沥青等热固性材料高强度、高黏结力及高疲劳耐久性的特点，逐步取代高粘沥青对多孔沥青混合料进行强化，有效提高了多孔沥青路面结构的综合性能，但该领域的研究相对较少且深度不足，本研究旨在对多孔环氧沥青路面的胶结料耐候能力及路用性能、功能性劣化问题进行系统研究。　　本研究首先综合对比了老化因素——热氧老化（短期、长期）、湿热老化、紫外光老化、全气候老化等条件下的影响差异，研究发现不同胶结料对老化因素的敏感性存在明显区别，其中湿热劣化对热固性材料的影响尤为突出。　　接着，以不同老化单因素条件下的胶结料性能衰变特征为研究基础，运用宏观与微观分析手段揭示了温度-湿度-光照等多因素全气候耦合老化条件下的环氧沥青劣化规律。研究表明，随着老化时间的延长，环氧沥青中的树脂组分受到的全气候老化程度大于沥青组分。同时，红外光谱（FTIR）光谱相似度逐渐下降，部分吸收峰发生了相对强度的连续性变化和峰形变化，说明老化时间的延长会影响环氧树脂和沥青的包覆结构并引起树脂的降解。由原子力显微镜（AFM）形貌分析可知，树脂类材料不存在连续起伏的“蜂型结构”，其粗糙度远大于沥青，且随着老化时间的增加，Rq、Ra、Rmax、ISAD等粗糙度参数均逐渐增大，其主要原因为老化作用引起的“后固化”行为与环境劣化的共同作用导致材料性能“增强”与“削弱”现象并存。通过扫描电镜（SEM）发现，试样表面原有的封闭型微孔结构被逐步打开、变大并产生由宽变窄向外延伸的微裂纹，由此判断多因素耦合作用剥离表层覆盖物使微孔内部暴露成为老化薄弱区，最终诱发裂纹的产生。　　通过分子动力学模拟分析，构建基质沥青、环氧沥青老化前后的全原子模型，定性、直观地反映了不同模型中变化最大的元素—O 元素的浓度和分布，并计算了不同模型的自由体积分数、扩散系数、内聚能密度及体积模量、剪切模量和杨氏模量等力学参数，从材料内部可活动空间、分子间相互作用、力学性能等角度探究了分子运动特性。研究表明，错综复杂的交联键导致环氧固化产物活动性降低，但老化后其结构中存在大量的具有较强扩散活性的短链小分子以及少量水分子，使扩散系数增大，且极性 O 含量增大、静电力作用增强导致沥青与环氧固化产物之间的吸附作用更强。　　采用均匀设计法进行级配初试，然后根据环氧沥青体系初期黏度由基质沥青决定、后期黏度由环氧树脂与固化剂的交联程度决定、整个固化进程呈非匀速状态的特点，充分考虑其时温特性选取沥青膜厚度，并优化了飞散与析漏损失未出现明显拐点和交集区间情况的计算方法。随后，通过对体积法、真空塑封法、X-ray CT扫描法的系统比选，提出了多孔环氧沥青混合料体积指标的合理评价方法。　　对于路用性能，以胶结料老化为关键影响因素研究多场耦合作用下路用性能的衰变特性。研究表明，环氧沥青的高强度、高粘结力显著提高了EPA-13的高温稳定性、水稳定性、抗飞散、耐疲劳性、抗裂性，虽然也保持着较好的低温性能，但其对低温仍较为敏感。同时发现，在四点弯曲疲劳试验两阶段连续加载过程中，加载间歇时间有利于结构内部的损伤愈合，加载顺序对疲劳损伤累积有明显的影响，尤其是HPA-13，II阶段从低应变转为高应变时的疲劳寿命均远低于由高应变转为低应变。在Overlay Test抗裂试验中，无论是25℃标准温度还是10℃低温，环氧沥青混合料需要更大的应力和更多的能量才能形成初始裂缝，说明环氧沥青胶结料可显著提高多孔结构的抗裂能力；各评价指标灰色关联度从大到小的排序为：容许破坏次数J，累计断裂能G，第1周期最大荷载处位移LF，第1周期断裂能GF，平均断裂能G*，第1周期最大荷载F。建议采用加载周期次数N和J、G综合评价其抗裂性能。　　对于功能性，以空隙率的减小为特征变量研究功能性的衰变规律。采用自行研制的常水头渗透测试仪研究了在相同水力梯度下渗透系数随空隙率的变化；采用声阻抗管法获取了不同空隙率试件的吸声系数；通过自行研制的小型加速磨耗仪发现了抗滑性能的衰变规律；采用浸油模拟试验探究了耐油腐蚀性能；通过热重-质谱分析（TG-MS）和锥形量热试验（CONE）分析了环氧沥青的释热和释烟特性，并采用无约束、半约束燃烧试验研究了不同空隙率条件下的汽油逃逸率、燃烧时间。研究表明，多孔环氧沥青混合料的抗滑、耐油腐蚀、防火性能衰变特征与常规多孔沥青混合料有显著差别。
作者：	李晓龙
专业：	交通运输工程
导师：	沈菊男
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023