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上海昌吉不同沥青材料微观结构与自愈合特性研

导读:A-70# 道路石油沥青、SBS 改性沥青、橡胶改性沥青 3 种不同类型的沥青材料,采用荧光显微镜进行微观结构分析,采用 DSR 动态剪切流变仪进行自愈合性能测试及评价。


返回列表 来源:未知 发布日期:2019-10-30 15:05【
前 言
大量研究表明,在外界温-湿-荷载等多场耦合因素作用下,沥青材料会逐渐产生微观损伤,造成分子结构的裂变, 形成微观裂纹,但由于沥青材料属于温感性材料,在特定温度条件下,沥青材料的微观结构将会进行自修复,实现自愈合。
上海昌吉地质仪器针对 A-70# 道路石油沥青、SBS 改性沥青、橡胶改性 沥青等 3 种不同类型的沥青材料,进行沥青材料的微观结构 分析以及自愈合性能测试评价,建立不同沥青材料自愈合能 力与损伤率的指数方程,从相转变及自愈合能垒角度解释不 同沥青材料产生自愈合效应的热力学条件。

1 试 验
1.1 原材料
(1)基质沥青:泰普克 A-70# 道路石油沥青。
(2)SBS 改性沥青:星形结构 SBS 改性剂,SBS 掺量为 5%,由苯乙烯组成的硬链段和丁二组成的软链段共同构成, SBS 大分子没有交联结构,相对分子质量一般为 10 万~15 万,因此 SBS 比较容易溶于基质沥青中。
(3)橡胶改性沥青:胶粉目数为 20~40 目,掺量为 20%, 橡胶粉大分子结构中存在交联结构,主要是—C—S—键和 —S—S—键,相对分子质量一般为 30 万~50 万,个别可以高 达 100 万,因此橡胶粉很难溶于基质沥青中,在高温下橡胶粉 只是与沥青发生溶胀作用。

 结果与讨论
2.1 沥青材料微观结构分析
采用荧光显微镜对 SBS 改性沥青及橡胶改性沥青进行 微观结构分析,采用蓝光照射,分别将热 SBS 沥青和热橡胶 沥青小心地滴在载玻片上,随即在 50 ℃温度下让其自流平, 迅速放在荧光显微镜下观察,随后在 65 ℃下让其自流平,再 次在荧光显微镜下观察。
2.2 沥青材料自愈合特性分析
2.2.1 自愈合评价指标比选 根据现有研究,沥青材料目前的自愈合评价指标主 要有 HI1、HI2、HI3、HI4 四种分析可知,HI1、HI2、HI3 这 3 个指标考虑了间歇时间前 后动态剪切复数模量的相对变化量,反映了沥青材料在间歇 后复数模量存在增值的情况,即在一定程度上表征了沥青材 料的自愈合性能。进一步分析,沥青材料的自愈合性能实 质是与时间密切相关的,在加载时间内,沥青材料在应力或应 变作用下实则是在同时发生着损伤与自愈合的两种过程,自 愈合能力强的材料相比之下损伤程度小,即剪切复数模量的 衰减速率小,反之则衰减速率大。HI4 所反映的自愈合评价指 标考虑了时间因素,更能反映沥青材料的自愈合性能。因此本 文采用 HI4 计算公式作为沥青材料自愈合性能的评价指标。

(1)从 31 ℃至 66 ℃,基质沥青从粘弹态转变至粘流态, 这个温度区间为 35 ℃,整个过程焓变为 2.160 J/g,基质沥青 的自愈合能垒近似为 2.160 J/g。
(2)从 31 ℃至 64 ℃,SBS 改性沥青从粘弹态转变至粘流 态,这个温度区间为 33 ℃,整个过程焓变为 3.572 J/g,SBS 改 性沥青的自愈合能垒近似为 3.572 J/g。
(3)从 32 ℃至 69 ℃,20%橡胶沥青从粘弹态转变至粘流 态,该温度区间为 37 ℃,整个过程的焓变为 4.017 J/g,橡胶沥 青的自愈合能垒近似为 4.017 J/g。 可以得出,橡胶改性沥青的自愈合能垒最大,SBS 改性沥 青次之,A-70# 道路石油沥青的最小。反映橡胶沥青发生自愈 合效应需要更高的温度条件与热量补给,这也与橡胶沥青高 温稳定性较好的观点是一致的。

3 结 论
(1)在温度热作用下,SBS 改性剂以及橡胶粉发生分子结 构变化,随着温度升高,与基质沥青逐渐趋于相溶状态。SBS 与 70# 基质沥青的相溶性优于橡胶粉颗粒。
(2)由于 SBS 改性沥青和橡胶改性沥青中改性剂能够改 善分子内部结构,增强分子抗变形能力,在热作用下能更快地 发生弹性恢复,微损伤也会在间歇时间内得到有效愈合,自愈 合能力优于 A-70# 道路石油沥青。
(3)沥青材料自愈合性能与损伤度成反比,损伤度越大, 材料的可恢复性越小,自愈合性能越不显著。通过自愈合指 数方程,能够较准确预测不同损伤度条件下沥青材料的自愈 合能力。
(4)温度高于沥青的玻璃化转变温度时,沥青开始具有自 愈合能力。橡胶改性沥青的自愈合能垒最大,SBS 改性沥青次 之,A-70# 道路石油沥青的最小,表明橡胶沥青发生自愈合效 应需要更高的温度条件与热量补给。