再生沥青微观性能及其与矿料界面交互行为研究

作     者：林智 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑传峰

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：再生沥青 分子动力学 再生剂 微观性能 界面交互行为 

摘      要：随着我国既有道路进入大规模的维修养护期,随之产生了大量的废旧沥青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP),这些RAP材料随意堆弃,占用了宝贵的土地资源,污染了环境。沥青路面的再生技术能够很好地处置RAP,这逐渐成为道路领域的研究热点。但目前对再生沥青混合料的微观特性研究不够完善,因此明确再生沥青混合料的微观特性对保障其再生效果及路用性能至关重要。本文从微观层面出发,主要研究再生沥青混合料中矿料表面的再生沥青层性能以及再生沥青与矿料界面交互行为,为再生剂的筛选提供理论参考。主要研究内容如下:选取了沥青十二分子模型,并根据沥青老化理论的研究成果构建了沥青分子氧化物模型,以盘锦90#沥青为样本,确定其老化前后组分比例,以此为基础构建了基质沥青和老化沥青分子模型,并通过密度、玻璃化转变温度、径向分布函数对其合理性进行验证。其次构建了R1再生剂(石油基类)和R2再生剂(生物油类)两种再生剂分子模型和SiO晶体模型,根据旧沥青含量和再生剂类型构建了六种再生沥青模型,在此基础上建立沥青组分-矿料界面模型、再生剂-矿料界面模型、沥青-矿料界面模型。对所构建模型几何优化和退火处理后进行分子动力学模拟。通过溶解度参数、自由体积分数、径向分布函数、粘度和体积模量等评价指标,分析了再生沥青的微观性能。结果表明,老化作用使沥青内聚能密度增大,当旧沥青含量较低时石油基类再生剂与沥青相容性更好,旧沥青含量较高时生物油基类再生剂与沥青相容性更好;沥青老化后自由体积分数下降2.8%-4.9%,流动性降低。沥青质RDF峰值降低31.9%-33.3%,沥青质自聚集效应减弱。沥青RDF峰值降低38.7%-55.8%,沥青胶体结构由溶胶态向凝胶态转化。当加入生物油类再生剂时,50%旧沥青含量的再生沥青中沥青质RDF峰值、沥青RDF峰值分别能达到基质沥青的88.7%-90.1%、86.5%-88%。以扩散系数、浓度分布和界面能为评价指标,分析了基质沥青、老化沥青和再生沥青与矿料的界面交互行为。结果表明,沥青质是影响沥青在矿料表面的扩散速率和浓度分布的主要因素,饱和分和芳香分是影响沥青与矿料间界面能的主要因素。沥青老化后在矿料表面的扩散速率降低43.1%-64.4%、浓度分布均匀性降低19.1%-24.4%。当加入生物油类再生剂时,50%旧沥青含量的再生沥青其扩散速率和浓度分布均匀性能达到基质沥青的73.7%-85.1%、84.4%-96.7%。R2再生剂的恢复效果优于R1再生剂,分子量较小的再生剂再生效果更佳。再生剂对旧沥青的再生效果随着旧沥青含量增大而减弱,本文重点关注高RAP掺量再生沥青混合料的性能,结果表明,旧沥青含量为50%时再生效果较好,旧沥青含量达到75%时再生效果显著下降,对沥青在矿料表面扩散速率的恢复效果较差,仅能达到基质沥青的49.4%-69.3%。