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沥青路面材料表面自由能测试的理论模型与方法研究

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第1章 绪 论

1.1 研究背景 及意义

1.2 表面自由能的定义及理论体系

1.2.1 表面自由能的基本定义

1.2.2 表面自由能的理论体系

1.3 表面自由能在道路沥青混合料领域的研究概述

1.3.1 评价沥青与沥青混合料的自愈合及抗开裂性质

1.3.2 评价沥青-集料(或填料)的匹配性及沥青混合料的水稳定性

1.3.3 评价外掺剂的改性效果

1.4 常用表面自由能试验方法的测试理论

1.4.1 插板法

1.4.2 蒸气吸附法

1.4.3 毛细上升法

1.5 当前表面能测试理论与方法研究所存在的不足

1.5.1 插板法测试沥青动态表面自由能所存在的不足

1.5.2 蒸气吸附法测试集料表面能所存在的不足

1.5.3 毛细上升法测试集料或填料表面能所存在的不足

1.6 本文拟解决的关键科学问题与研究内容

1.6.1 拟解决的关键科学问题

1.6.2 主要研究内容

1.6.3 技术路线

第2 章 基于插板法的沥青材料动态表面自由能研究

2.1 引言

2.2 基于插板法的沥青动态表面自由能计算模型

2.2.1 稳定接触角情形

2.2.2 完全扩散润湿情形

2.3 考虑不同因素的插板法动态接触角及扩散压力计算模型

2.3.1 考虑玻片尺寸及玻片表面附着液膜的影响

2.3.2 考虑测试试剂表面张力对玻片浸入深度的影响

2.3.3 综合考虑以上两个因素的共同影响

2.4 插板法试验测试

2.4.1 试验材料及设备

2.4.2 试验过程

2.4.3 原始试验数据

2.5 沥青的动态表面自由能计算与分析

2.5.1 传统插板法

2.5.2 考虑玻片尺寸及测试试剂液膜产生的影响

2.5.3 考虑试剂表面张力对玻片浸入深度的影响

2.5.4 综合考虑以上两个因素的共同影响

2.6 沥青的动态表面自由能计算步骤汇总

2.7 本章小结

第3 章 基于蒸气吸附法的集料表面自由能研究

3.1 引言

3.2 蒸气吸附法试验测试

3.2.1 试验设备及材料

3.2.2 试验过程

3.2.3 原始试验数据

3.3 基于集料表面孔径特征的吸附等温线模型

3.3.1 传统 针对集料使用的吸附等温线模型

3.3.2 集料表面孔径特征分析

3.3.3 吸附等温线模型确定

3.4 基于多分子层吸附理论的集料比表面积计算

3.4.1 传统计算集料比表面积的BET 模型

3.4.2 基于全相对压力区间的BET 多分子层吸附模型

3.4.3 集料对测试试剂蒸气的比表面积及扩散压力计算

3.5 去除毛细凝聚效应的扩散压力计算

3.5.1 计算步骤

3.5.2 计算算例

3.6 集料的表面自由能计算步骤汇总

3.7 本章小结

第4章 填料的表面自由能研究

4.1 引言

4.2 填料的表面自由能理论计算模型

4.2.1 毛细上升基本理论

4.2.2 完全润湿情形

4.2.3 稳定接触角情形

4.3 填料对测试试剂的润湿性测试

4.3.1 填料材料及试验设备

4.3.2试验过程

4.4 填料的表面自由能试验测试

4.4.1 试验方案

4.4.2 毛细上升法

4.4.3 蒸气吸附法

4.5 填料的表面自由能计算分析

4.5.1 方法一:完全干燥法

4.5.2 方法二:饱和养生法

4.5.3 两种试验方法测试结果对比

4.5.4 填料的表面自由能计算步骤汇总

4.6 填料与集料的表面自由能对比分析

4.6.1 表面能参数

4.6.2 黏附结合能

4.7 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文及参加的科研项目

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摘要

准确测试沥青、集料与填料的表面自由能,进而获取沥青混合料的结合能(包括内聚结合能与黏附结合能)对于采用表面能理论量化沥青混合料的自愈合性能、抗开裂性能以及水稳定性等路用性能至关重要。然而,由于目前在采用插板法测试沥青动态表面能参数、蒸气吸附法测试集料表面能参数以及毛细上升法测试填料表面能参数所存在的诸多不足,显著降低了各材料表面能参数以及沥青混合料结合能测试结果的准确性,从而极大阻碍了表面能理论在评价沥青混合料路用性能方面的应用。 为进一步完善沥青路面材料表面自由能的测试理论,提高沥青、集料与填料表面自由能的测试精度,本文通过理论分析与试验研究,探究多因素对插板法测试沥青动态表面自由能与蒸气吸附法测试集料表面自由能的影响,建立两种试验方法分别测试沥青与集料表面自由能的理论模型,并发展填料表面自由能测试的试验方法,得出的主要结论如下: (1)发展适用于测试试剂与沥青之间完全扩散润湿情形的插板法沥青动态表面自由能计算模型;研究玻片尺寸及玻片表面附着液膜、由测试试剂表面张力引起玻片浸入深度变化等两因素对插板法沥青动态表面能参数测试结果的影响,建立考虑单一因素影响以及两因素共同影响的插板法动态接触角及扩散压力计算模型,发现各因素均会显著影响沥青的动态表面能参数测试结果,因此在采用插板法测试沥青的动态表面能参数时应同时考虑各因素影响。 (2)集料对各测试试剂蒸气的吸附既包含微孔填充,又包含介孔-大孔的单分子层-多分子层吸附,从物理含义及数学意义两方面确定Dubinin-Astakhov(DA)模型作为集料对测试试剂蒸气的吸附等温线模型;理论推导得到适用于全蒸气压区间内求解集料对测试试剂蒸气比表面积的N-BET模型,从集料对试剂蒸气的总比表面积中区分出用于计算扩散压力的比表面积以及零吸附位的比表面积;提出去除毛细凝聚效应的集料对测试试剂蒸气真实吸附量以及扩散压力的计算方法,通过计算对比发现毛细凝聚效应对集料表面能参数的计算结果影响显著,因此在测试集料的表面能参数时有必要考虑这一因素的影响。 (3)基于毛细上升理论推导得到适用于完全润湿情形以及稳定接触角情形的填料表面自由能计算模型;通过静滴法润湿性检验发现填料与测试试剂的接触属于完全扩散润湿情形,基于此提出采用完全干燥法与饱和养生法两种不同的试验方法测试填料的表面自由能,两种方法得到的同种填料测试结果较为接近,因此二者均可用于填料的表面自由能测试; (4)对比同一来源的集料与填料的表面能参数,发现二者存在较大差别,说明材料的表观特性会显著影响其表面能参数,因此填料的表面能参数并不能等同于集料的表面能参数,毛细上升法不能作为集料表面能参数测试的试验方法;进一步对比同一来源的集料、填料分别与沥青的黏附结合能以及沥青自身的内聚结合能,发现三者均不相同,由结合能与沥青混合料的自愈合速率及开裂速率直接相关,推断沥青混合料内部的自愈合过程与裂缝开展过程将以不同的速率在如下三个介质中同时发生:①沥青膜内部;②由沥青与填料组成的沥青玛蹄脂内部;③沥青-集料界面之间。 基于以上研究,本文建立了考虑多因素影响的沥青路面材料表面能测试的理论模型,发展了新的沥青路面材料表面能测试方法,提高了沥青、集料与填料表面能参数的测试精度,为准确获取沥青混合料的结合能,进而通过表面能理论准确量化沥青混合料的愈合、抗开裂以及水稳定性等路用性能提供了一定的理论与试验基础。

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