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《湖南大学》 2018年
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多尺度纳米材料/SBS改性沥青的制备与性能研究

张冬梅  
【摘要】:苯乙烯(Styrene)-丁二烯(Butadiene)-苯乙烯(Styrene)嵌段共聚物(SBS)改性沥青以其优良的高低温性能被广泛应用于沥青路面的铺筑,但其在施工和服役过程中受热、光、氧等因素作用易产生热氧和紫外光老化,直接影响沥青路面的路用性能和使用寿命。大多数学者将SBS改性沥青作为一个整体进行分析,但其老化行为受到基质沥青和SBS改性剂的双重影响,因此还有待从二者相互作用角度进一步深入研究。再者大多数研究集中于室内加速老化试验的基础上进行,然而室内实验条件并不能真实模拟室外自然环境以及气候条件变化所带来的影响。同时,对沥青材料耐老化性能的分析主要集中在寻求对耐热氧和耐光氧老化方面单一的解决方案,现阶段的防老化添加剂很难同时达到满足耐热氧和光氧老化的效果。本论文在SBS改性沥青室内加速老化性能(短期热氧老化TFOT、长期热氧老化PAV以及紫外光老化UV)研究的基础上,分别对基质沥青、SBS聚合物以及SBS改性沥青进室外自然老化。二维纳米材料层状硅酸盐(有机蛭石OEVMT、有机蒙脱土OMMT)以其稳定的晶体机构以及较好的层插作用,能有效的阻隔紫外光的传播路径,同时零维纳米材料无机纳米粒子(纳米氧化锌nano-ZnO、纳米二氧化硅nano-SiO_2以及纳米二氧化钛nano-TiO_2)对紫外可见光有较强的吸收作用,因此本课题将其二者进行复配形成多尺度纳米材料,综合改善SBS改性沥青对光、热复合老化的抵抗能力。系统分析了多尺度纳米材料的复配形式和组成配比对SBS改性沥青热氧和紫外光老化前后物理和流变性能的影响,并确定多尺度纳米材料的最优掺量。最后采用红外光谱FTIR、凝胶渗透色谱GPC、荧光显微镜和原子力显微镜AFM等探讨了多尺度纳米材料与SBS改性沥青之间相互作用原理,并揭示了多尺度纳米材料延缓SBS改性沥青光热老化的作用机制。主要研究结论如下:(1)基质沥青的相对老化程度与SBS改性沥青的相对老化程度一致。同时SBS-90老化程度更高。不同室内加速老化后,紫外光老化对SBS改性剂的丁二烯降解作用最为明显。(2)随着室内加速老化程度的深入,SBS改性剂的分布状态从连续网状结构逐渐变化成点状分散结构,颗粒粒径逐渐变小,颗粒轮廓从清晰明亮逐渐变得模糊暗淡,老化过程中改性剂不断发生降解。荧光显微镜形貌图中发现,UV老化后SBS改性沥青中几乎找不到光斑,意味着改性剂几乎降解完全。(3)室外自然老化初期(3-9个月),SBS改性沥青的高温稳定性以及低温抗开裂能力有进一步增强,而后性能衰减(12个月)。灰色关联分析表明,SBS改性沥青室外自然老化中,SBS改性剂的降解速率与30℃时的复数模量变化趋势最为接近。(4)分别对有机蛭石(OEVMT)、有机蒙脱土(OMMT)与无机纳米材料(nano-ZnO、nano-SiO_2以及nano-TiO_2)复配而成的多尺度纳米材料体系进行分析:多尺度纳米材料的加入SBS改性沥青延度增加(与ZnO复配除外)、布氏旋转粘度增大;同时复数模量增加,相位角减小,车辙因子也普遍高于空白样。多尺度纳米材料/SBS改性沥青拥有更好的低温抗开裂性以及高温稳定性。多尺度纳米材料/SBS改性沥青耐老化性能更突出,改善SBS改性沥青耐老化性能效果最显著的复配形式及组成配比为OEVMT(1%)+TiO_2(3%)、OMMT(1%)+TiO_2(2%)。(5)红外光谱分析发现多尺度纳米材料的加入,图谱中有特征峰的叠加重合,但并未产生新的特征峰,二者属于物理共混的过程。同时多尺度纳米材料/SBS改性沥青的各项红外光谱老化指数(羰基指数、亚砜基指数和丁二烯指数)的变化幅度均小于空白样。OEVMT/TiO_2和OMMT/TiO_2复配后SBS改性沥青GPC曲线整体向左偏移(大分子方向),同时多尺度纳米材料/SBS改性沥青中大分子含量(LMS)增加,中分子含量(MMS)减少,使得沥青体系平均分子量增大,分子间作用力变强。同时多尺度纳米材料的加入,SBS改性沥青材料的LMS增长速率显著下降,有效抑制了老化过程中中小分子向大分子转移的速度,使得SBS改性沥青的耐热氧老化能力得到了明显改善。(6)多尺度纳米材料/SBS改性沥青中“蜂状结构”的尺寸明显增大“蜂状结构”数量增加,多尺度纳米材料的加入,有利于沥青质的分散,促使其分布更加均匀,形成更稳定的体系。老化后试样表面粗糙度整体呈现递减的趋势,表面相态高度的差异逐渐减小。多尺度纳米材料的加入使得SBS改性沥青材料微观结构粗糙度的递减速率变慢。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U414

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