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沥青再生剂扩散行为及其影响因素研究

作　者: 李进
导　师: 张玉贞
学　校: 中国石油大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 再生剂扩散感温性相容性胶体稳定性复合理论马歇尔实验
分类号: TE626.86
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文选用三种不同沥青进行实验室模拟老化,用三种不同再生剂对老化沥青进行再生。采用浊度滴定实验、溶解法、共混性研究、扩散实验和沥青材料实验等,并探讨添加不同再生剂对老化沥青胶体稳定性的影响规律,再生剂与老化沥青的相容性与共混性,再生剂与老化沥青的复合性质和不同再生剂在老化沥青中的扩散规律等。对沥青、老化沥青和再生沥青进行浊度滴定实验和四组分分析,实验结果表明:沥青随老化深度的增加,其胶体稳定性随之降低。四组分的含量变化影响沥青的胶体稳定性,其中沥青质含量变化对沥青胶体稳定性的影响最大。老化沥青通过添加合适的再生剂可以使沥青的胶体稳定性得到恢复,从而达到有效再生。芳香分含量高,沥青质含量低的再生剂再生效果好。用27种已知Hansen溶解度参数的溶剂通过溶解法确定老化沥青和再生剂的溶解度参数。运用MATLAB程序对溶解实验中可溶点进行球体模拟,得到模拟球体球心就是样品的Hansen溶解度参数。模拟结果与溶解实验结果的吻合度基本在80%以上。再生剂R3的δp和δh值较大,所以极性和氢键作用较强。再生剂R2、R3和复合再生剂A3与三种老化沥青的Hansen溶解度参数差较小,所以它们之间的相容性好。由于再生剂R1与三种老化沥青的Hansen溶解度参数之差大,所以再生剂R1与老化沥青的相容性较差。采用修正的Flory-Huggins方程计算老化沥青和再生剂的混合自由能并探讨它们之间的共混性。结果表明三种老化沥青的溶解度参数值和芳碳率均比相应的原料沥青高,而H/C则降低。再生剂R1的溶解度参数与三种老化沥青的溶解度参数之差大于1.909(J/cm3)0.5,且再生剂R1与加德士老化沥青在25℃时的混合自由能?Gm>0,故再生剂R1与加德士老化沥青的混合过程为非自发过程。三种老化沥青与R2、R3和复合再生剂在25℃的混合自由能?Gm<0,则混合过程均为自发过程。三种不同再生剂对老化沥青进行再生实验,得到的再生沥青满足高等级道路石油沥青技术要求(GB/T15180-2000)相应的沥青质量等级,但是再生剂R1再生的沥青抗老化性质较差,烘后质量损失接近1.0%。用针入度指数和粘温指数对再生沥青感温性进行评价。实验结果表明再生沥青在低温和中高温区的感温性均好于原料沥青,其中再生剂R3再生的再生沥青感温性较好;三种再生剂对再生沥青中温区的感温性影响无明显规律,再生剂增加了老化沥青的感温性;再生剂R1对再生沥青的高温区感温性有所降低,而再生剂R2和R3则是略有增加。再生剂、老化沥青和再生沥青的粘度性质满足复合理论,再生剂与老化沥青复合的粘度规律性强,可以通过内插或外延推算再生剂和老化沥青的用量。对再生沥青及其RTFOT残留沥青、PAV残留沥青进行SHRP分析,最终确定其路用性能等级。从动态剪切流变实验和弯曲梁流变实验结果看以看出:再生剂的加入使沥青的高温抗车辙能力略有降低但也基本能恢复达到新鲜沥青的性质;再生剂的加入增强了沥青的抗疲劳能力及抗低温开裂能力。再生沥青混合料配比设计是沥青刨除料热拌再生过程中的关键步骤。用两种再生剂对三种沥青刨除料热拌再生。对旧沥青进行性质分析和再生试验,再生沥青进行动态剪切流变实验。加入新集料调整再生集料级配,使再生集料级配满足规范要求。通过配比设计实验,得到再生沥青混合料配比设计各项参数均满足规范要求。在60℃和30℃时,再生沥青的动态剪切流变分析得到再生沥青材料的粘弹性得到有效恢复,两种再生剂再生的金华路和大勇街的再生沥青抗车辙性质好。在抗水损实验中,只有再生剂B再生的金华路沥青混凝土的残余稳定度小于75%,其残余稳定度为64.8%。回弹模量实验中再生沥青混凝土回弹模量大多在2000～4000MPa之间。再生剂B再生的沥青混凝土马歇尔稳定值与回弹模量均小于相应的再生剂A再生的沥青混凝土。不同再生剂在老化沥青中的扩散并用Fick扩散公式计算扩散系数,研究温度、时间、分子大小和极性对于扩散系数的影响。结果表明温度对于扩散系数有很大的影响,温度升高扩散作用加大;扩散时间增加,再生剂在沥青中浓度梯度变小,扩散系数减小;距初始界面距离大,浓度梯度小,相应扩散系数小;不同再生剂之间的扩散系数也有比较大的区别,这主要与再生剂中芳香分的含量和分子大小有关。再生剂在老化沥青中的扩散改变了老化沥青的性质,因此浓度对扩散速率的影响非常大。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
论文创新点摘要  9-14
第一章绪论  14-34
  1.1 选题的意义及背景  14-17
  1.2 沥青再生研究现状  17-23
    1.2.1 胶体体理论  17-20
    1.2.2 高分子溶液理论  20-21
    1.2.3 复合材料理论  21-23
  1.3 再生剂的选择  23-28
  1.4 再生沥青混合料评价  28-30
  1.5 沥青老化机理  30-32
  1.6 再生沥青性能评价  32-33
  1.7 本论文研究的主要内容  33-34
第二章实验部分  34-47
  2.1 实验  34-36
    2.1.1 实验原料  34-35
    2.1.2 老化沥青样品制备  35-36
    2.1.3 老化沥青再生实验  36
  2.2 分析测试方法  36-47
    2.2.1 软化点  36-37
    2.2.2 针入度  37
    2.2.3 延度  37
    2.2.4 薄膜烘箱试验  37
    2.2.5 粘度  37
    2.2.6 蜡含量  37
    2.2.7 溶解度  37-38
    2.2.8 脆点  38
    2.2.9 比重  38
    2.2.10 四组分  38-39
    2.2.11 核磁共振氢谱（H1NMR）  39
    2.2.12 元素分析  39
    2.2.13 分子量及分子量分布  39-41
    2.2.14 沥青流变性质  41-47
第三章再生沥青胶体及结构稳定性  47-59
  3.1 前言  47
  3.2 实验部分  47-49
    3.2.1 实验方法  47-48
    3.2.2 老化沥青样品制备  48
    3.2.3 滴定剂和溶剂  48-49
    3.2.4 浊度实验步骤  49
    3.2.5 实验仪器  49
  3.3 实验结果与讨论  49-57
    3.3.1 沥青与老化沥青胶体稳定性评价  50-53
    3.3.2 再生沥青胶体稳定性评价  53-54
    3.3.3 浊度滴定评价沥青结构稳定性  54-57
  3.4 本章小结  57-59
第四章老化沥青与再生剂的相容性及共混性  59-76
  4.1 前言  59-60
  4.2 实验部分  60-63
    4.2.1 实验原料  60-61
    4.2.2 溶解法  61-62
    4.2.3 混合自由能的计算  62-63
    4.2.4 实验仪器  63
  4.3 实验结果与讨论  63-74
    4.3.1 老化沥青与再生剂的相容性  64-69
    4.3.2 老化沥青与再生剂的共混性  69-74
  4.4 本章小结  74-76
第五章再生沥青性质  76-95
  5.1 前言  76-77
  5.2 沥青感温性表征  77-78
  5.3 实验仪器  78-79
  5.4 实验结果与讨论  79-93
    5.4.1 再生沥青性质  79-81
    5.4.2 核磁共振氢谱分析  81-82
    5.4.3 凝胶渗透色谱分析（GPC)  82-83
    5.4.4 复合理论  83-84
    5.4.5 沥青感温性  84-88
    5.4.6 再生沥青PG 分级  88-93
  5.5 本章小结  93-95
第六章热拌再生配比设计及再生混凝土性质  95-113
  6.1 前言  95-96
  6.2 实验部分  96-98
    6.2.1 实验原料  96
    6.2.2 实验方法  96-98
  6.3 实验结果与讨论  98-111
    6.3.1 再生沥青混合料配比设计  98-105
    6.3.2 再生沥青混凝土实验  105-111
  6.4 本章小结  111-113
第七章再生剂的扩散性质  113-133
  7.1 前言  113
  7.2 扩散理论  113-117
    7.2.1 Fick 扩散定律  113-115
    7.2.2 Stoke-Einstein 公式  115-116
    7.2.3 扩散系数影响因素  116-117
  7.3 实验仪器  117
  7.4 实验部分  117-119
    7.4.1 老化沥青制备  117
    7.4.2 扩散实验  117-119
  7.5 实验结果与讨论  119-123
    7.5.1 再生剂的性质  119
    7.5.2 再生剂段粘度数据  119
    7.5.3 沥青段粘度数据  119-123
  7.6 扩散系数的计算  123-126
    7.6.1 计算再生剂和老化沥青的交互作用参数  123
    7.6.2 计算c(t,x)  123-124
    7.6.3 计算C_o  124
    7.6.4 计算扩散系数  124-126
  7.7 扩散作用  126-132
    7.7.1 时间对扩散影响  127-129
    7.7.2 温度对扩散影响  129-130
    7.7.3 不同位置的扩散系数  130-131
    7.7.4 不同再生剂的扩散  131-132
  7.8 本章小结  132-133
全文结论  133-136
参考文献  136-149
附录 MATLAB 程序  149-151
攻读博士学位期间的研究成果  151-152
致谢  152-153
作者简介  153

沥青再生剂扩散行为及其影响因素研究

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