【摘 要】
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半柔性路面材料是在大孔隙沥青混合料中灌入专用水泥砂浆而形成的一种复合路面,其研究大多集中在整体宏观力学性能及灌入材料上,而沥青-砂浆及沥青-石料之间的界面涉及较少。但在实际路面结构中,常常因为异种材料之间界面的缺陷、应力集中等直接因素导致路面开裂,降低路面使用寿命。基于上述原因,本文采用宏观力学测试技术、原子力显微镜测试技术以及分子动力学模拟技术,从宏观、微观及纳观角度对沥青-砂浆界面的交互作用机
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半柔性路面材料是在大孔隙沥青混合料中灌入专用水泥砂浆而形成的一种复合路面,其研究大多集中在整体宏观力学性能及灌入材料上,而沥青-砂浆及沥青-石料之间的界面涉及较少。但在实际路面结构中,常常因为异种材料之间界面的缺陷、应力集中等直接因素导致路面开裂,降低路面使用寿命。基于上述原因,本文采用宏观力学测试技术、原子力显微镜测试技术以及分子动力学模拟技术,从宏观、微观及纳观角度对沥青-砂浆界面的交互作用机理进行研究。其主要研究的内容为以下几点:使用直接拉拔试验及数字图像分析技术对比剖析不同龄期下三种沥青的花岗岩-沥青-砂浆试件界面抗拉强度及交互情况,发现花岗岩-沥青-砂浆试件在三种不同沥青与两种不同水灰比砂浆的情况下,界面抗拉强度峰值均出现在14d龄期附近,且其抗拉强度排序均与沥青的针入度大小有一定联系。这是由于14d龄期之前时,由砂浆强度及砂浆与沥青界面交互强度控制试件界面的抗拉强度,因此随着养护时间的增加,砂浆强度增加,界面交互加深,界面抗拉强度增加;而14d龄期以后,界面抗拉强度由沥青内聚力控制,随着养护龄期的增加,水分不断侵入沥青,导致沥青乳化,沥青内聚力减小,从而导致试件界面抗拉强度减小。针入度小的沥青能与砂浆更快的交互,随着养护龄期的增加交互深度增强,同时针入度小的沥青其抗老化能力差,容易发生水损害导致界面抗拉强度降低。使用原子力显微镜的PF-QNM模式对28d龄期下沥青表面及沥青-砂浆界面进行微观试验评价,发现PF-QNM模式下测得S-HV改性沥青表面模量变化幅度大,且呈正态分布,数值大部分集中在50-100MPa之间。通过统计量分析可得沥青杨氏模量期望值74.74MPa,标准差16.52 MPa。所测黏附能契合正态分布,其均值为1.45 nN,标准差为0.17 nN。耗散能符合对数正态分布,其均值0.55 KeV,标准差0.177 KeV。沥青-砂浆界面区交互良好,其模量过度曲线没有出现断档现象。且过度区模量呈现指数型曲线增长,最后其模量稳定在砂浆的杨氏模量175-200MPa之间。且黏附能与耗散能的变化也与之对应,最后分析得出沥青-砂浆界面过渡区约21um。使用分子动力学软件对沥青与砂浆之间黏附模拟,通过对沥青与C-S-H凝胶之间黏附功分析,发现沥青与C-S-H凝胶之间黏附功是由库伦静电力提供,其占比超过99%。在同温度情况下,随着SBS改性剂掺量增加,沥青与C-S-H凝胶之间的库伦静电力提升,使两者黏附功增加,同时导致沥青温度敏感性变大。通过对于扩散速率的分析,发现不同沥青的四组分在C-S-H凝胶表面吸附速率从小到大排序为:沥青质、胶质、芳香分、饱和分。SBS改性剂的掺量会影响沥青各组分扩散速度,其中影响最大的是饱和分,随着改性剂剂量增加,其沥青四组分扩散速度会有不同程度降低。通过四组分沥青在CS-H凝胶表面溶度的分析发现,随着温度增加,靠近C-S-H凝胶表面部分饱和分先远离,后靠近;中间部分饱和分,被C-S-H凝胶表面所吸附,向其不断靠近。随着温度的增加芳香分在往两端不断迁移。而温度对于胶质溶度的分布影响不大,但胶质在远离C-S-H凝胶表面处聚集,这说明胶质与C-S-H凝胶表面吸附性能差。沥青质在165℃时出现了分散再分布,导致沥青质分子在此处分布更加均匀化。在20℃情况下,随着SBS改性剂掺量增加饱和分和C-S-H凝胶之间吸附减弱;适当添加SBS改性剂能改善沥青表面活性芳香分与C-S-H凝胶吸附作用,但过量会导致吸附减弱;SBS改性剂剂量能使胶质与C-S-H凝胶之间的吸附能力增强;添加SBS沥青改性剂会使沥青质在中段聚集。
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