硅藻土复合木质纤维对沥青的增强机理研究

论文摘要

交通是发展国民经济的先导和命脉,公路建设是交通建设的重中之重,是关系到国计民生的大事。沥青路面是目前公路交通的主要路面型式,特别是在高等级路面中,沥青路面的优势更为明显。沥青路面受自然条件和行车荷载的作用,经常会发生一些道路病害,这些道路病害降低了沥青路面的服务质量和使用寿命,威胁着行车安全。改性沥青技术是降低这些道路病害的发生频率、提高沥青路面服务质量最为有效的手段之一。硅藻土和木质纤维是近年来新兴的道路用沥青及其混合料的增强改性材料,然而将两者复合制备成为一种新型材料,并将其应用于道路沥青改性的研究却未见报道。本文将硅藻土复合木质纤维用于改性沥青,对改性沥青的宏观路用技术性能进行评价,并着重揭示复合纤维对沥青路用性能增强的机理,旨在提高路面的服务功能,降低路面病害,延长路面寿命,具有十分重要的意义。本文应用理论分析、检测和试验相结合的研究方法,采用红外光谱仪、扫描电子显微镜、动态剪切流变仪、差示扫描量热分析（DSC）等多种先进的分析测试仪器和分析方法来开展硅藻土复合纤维改性沥青的机理研究,并采用针入度、软化点等评价指标研究复合纤维对道路沥青的作用效果。选取技术指标不同的三种自制木质纤维作为改性剂,采用机械搅拌法制备改性沥青,并从低温性能、高温性能和感温性能三方面评价木质纤维改性沥青的技术性能。高温性能选择软化点和当量软化点T800进行评价；低温性能选取当量脆点T1.2进行评价；感温性能选取针入度指数PI进行评价。研究表明：木质纤维使沥青高温性能、感温性能和低温性能均得到改善。木质纤维的掺入量与改性沥青性能关联显著,并且三种木质纤维改性沥青性能的提高随掺量的变化规律相一致,均在掺量0.5%时达到最佳改性效果。不同种类的复合木质纤维对沥青性能增强的效果不同,H-2硅藻土复合木质纤维对沥青性能改善的效果最好。应用红外光谱仪、扫描电子显微镜、动态剪切流变仪、差示扫描量热分析等手段,从木质纤维与沥青的界面吸附特性、界面微观结构、界面作用强度、改性沥青聚集态变化等角度对改性机理进行了深入的研究。研究结果表明,木质纤维与基质沥青没有发生化学反应,而是选择性吸附沥青中的轻组分,发生溶胀作用,由扁平带状变为圆柱状,以分散状结构无规则、不连续地在沥青基体中三维分布。木质纤维加入后,使沥青的胶体结构重新调整,沥青中部分组分的存在形式及数量发生变化,这些变化使沥青的微观结构改变,导致改性沥青的聚集态发生转变的组分数量减小,改性过程是一个沥青自身微观结构改善的物理镶嵌共混过程。沥青与木质纤维之间形成界面结构,并且三种木质纤维表面微观结构的不同使得其界面形态有所不同,H-2硅藻土复合木质纤维与沥青形成的界面最佳。沥青与木质纤维界面的作用强弱可以用参数F表征,三种木质纤维与沥青界面的粘结作用有明显的差异,H-2硅藻土复合木质纤维与沥青的界面作用最强。三种木质纤维改性沥青的聚集态、界面结构、界面作用强弱的变化规律与改性沥青宏观路用性能的变化规律相一致。沥青与木质纤维界面的形成过程可分为沥青基体与木质纤维接触润湿、木质纤维吸附沥青轻组分、界面固化三个阶段。木质纤维改性沥青的微观结构可以用吸附溶胀模型、分布模型、界面模型三个微观物理模型表示。木质纤维增强沥青性能的机理包括三个方面：①木质纤维表面的大量微孔、裂缝及表面的硅藻土能够选择性的吸附沥青中饱和分和芳香分,这种作用改变了这些组分在沥青中的含量和原有的存在状态；②木质素纤维在沥青基体内三维空间随机分布,这些纵横交错的木质素纤维所吸附的结构沥青形成了结构沥青网；③沥青与木质纤维之间具有良好的浸润性,能够充分融合,形成粘结良好、过渡连续的界面层结构。本文的研究成果有助于丰富沥青宏观力学性能改善的相关理论,对改性沥青的制备及提高沥青的性能具有一定指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 硅藻土概述
• 1.3 木质纤维概述
• 1.4 国内外研究概况
• 1.4.1 硅藻土改性沥青研究现状
• 1.4.2 木质纤维改性沥青研究现状
• 1.5 本课题研究内容
• 第2章 试验原料与研究方法
• 2.1 试验原料
• 2.1.1 基质沥青
• 2.1.2 木质纤维改性剂
• 2.2 试验设备
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 研究方案
• 2.3.2 技术路线
• 2.3.3 改性沥青制备工艺
• 2.4 改性沥青性能测定方法
• 2.4.1 针入度试验
• 2.4.2 软化点试验（环球法）
• 第3章 硅藻土复合木质纤维改性沥青路用性能研究
• 3.1 改性沥青性能评价指标
• 3.1.1 感温性能
• 3.1.2 高温性能
• 3.1.3 低温性能
• 3.2 硅藻土复合木质纤维改性沥青性能研究
• 3.2.1 H-1木质纤维改性沥青性能研究
• 3.2.2 H-2硅藻土复合木质纤维改性沥青性能研究
• 3.2.3 H-3硅藻土复合木质纤维改性沥青性能研究
• 3.2.4 不同种类木质纤维改性沥青性能比较
• 3.3 小结
• 第4章 硅藻土复合木质纤维改性沥青机理研究
• 4.1 红外光谱分析
• 4.1.1 红外光谱的基本原理
• 4.1.2 红外光谱检测
• 4.1.3 检测结果与分析
• 4.2 差示扫描量热分析
• 4.2.1 DSC曲线分析沥青聚集态变化的基本原理
• 4.2.2 DSC检测
• 4.2.3 检测结果及分析
• 4.3 扫描电镜分析
• 4.3.1 扫描电镜工作原理
• 4.3.2 实验设备及制样方法
• 4.3.3 复合木质纤维微观形貌
• 4.3.4 纤维在沥青中的整体形貌
• 4.3.5 沥青与纤维界面微观分析
• 4.4 沥青与木质纤维界面作用分析
• 4.4.1 沥青与木质纤维界面作用分析方法
• 4.4.2 沥青与木质纤维界面作用分析
• 4.5 沥青与纤维界面的形成过程及机理
• 4.5.1 界面的形成机理
• 4.5.2 沥青与纤维界面的形成过程
• 4.6 木质纤维改性沥青微观结构物理模型
• 4.6.1 吸附溶胀模型
• 4.6.2 分布模型
• 4.6.3 界面模型
• 4.7 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文和获得奖励