水泥瀝青復合砂漿的微觀結(jié)構(gòu)與力學行為研究項目摘要

針對水泥瀝青砂漿(cement asphalt mortar簡稱CA砂漿)的固化過程、微觀結(jié)構(gòu)對其力學性能的影響問題開展研究。從水泥的水化、乳化瀝青的破乳兩個過程及二者的相互作用入手，研究CA砂漿的固化過程及固休機理，分析固化過程對CA砂漿力學性能的影響；基于微觀力學及界面力學，分析CA砂漿固化體的微觀結(jié)構(gòu)，并建立微觀結(jié)構(gòu)模型及其表征參數(shù)，分析微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學性能的對應關(guān)系；基于粘彈性本構(gòu)理論，結(jié)合微觀模型表征參數(shù)，建立CA砂漿的力學分析模型及粘彈性本構(gòu)方程；在本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值方法，分析CA砂漿的粘彈性力學行為，并通過實驗結(jié)果進行驗證。.該項目可以深入揭示CA砂漿宏觀力學性能的微觀機理、及對力學性能影響的敏感性因素，從而為CA砂漿的性能設計提供理論依據(jù)；本項目的研究成果對于其它先進水泥基復合材料力學性能的研究具有一定的參考價值，對于材料學科及粘彈性理論的發(fā)展具有一定的推動作用。

針對水泥瀝青復合砂漿（CA砂漿）組分材料之間膠結(jié)固化機理及微觀結(jié)構(gòu)、本構(gòu)方程及其粘彈性力學行為三個方面開展研究，完成了項目計劃的研究內(nèi)容。從CA砂漿固化過程中體系的粘度、膠漿平均粒徑、乳化瀝青的聚集過程及固化體系電阻率隨時間變化的角度，深入揭示了CA砂漿的固化過程及其固化機理。CA砂漿的早期固化過程分為溶解期、誘導期及凝結(jié)硬化期三個階段，而長期固化過程分為0-7d的快速固化期及7-28d的穩(wěn)定固化期兩個階段。同時研究了乳化劑類型、用量及乳化瀝青對水泥水化的影響規(guī)律。乳化劑及乳化瀝青對水泥不僅存在緩凝作用，同時還會減小水泥的后期水化度。研究了CA砂漿的微觀結(jié)構(gòu)及孔隙結(jié)構(gòu)特征，建立了CA砂漿微觀結(jié)構(gòu)模型，提出了二級分散系的概念，根據(jù)第二級分散系的結(jié)構(gòu)特征，將CA砂漿劃分為水泥基CA砂漿及瀝青基CA砂漿兩種類型。根據(jù)CA砂漿的微觀結(jié)構(gòu)特征，提出了描述CA砂漿粘彈性力學行為的力學模型，結(jié)合試驗研究建立了CA砂漿的本構(gòu)方程。基于本構(gòu)方程分析了溫度及材料配比等因素對CA砂漿粘彈性力學行為的影響規(guī)律。水泥基CA砂漿力學性能受溫度的影響較小，其相位角基本不隨溫度和頻率的變化而變化。瀝青基CA砂漿具有明顯的溫度敏感性，溫度對CA砂漿復模量的影響體現(xiàn)為低溫性能接近但高溫性能對溫度十分敏感。A/C（CA砂漿中瀝青與水泥的質(zhì)量比）對CA砂漿力學性能的影響規(guī)律為低溫性能受A/C影響較小，而高溫性能受A/C影響顯著。通過對三元件分數(shù)導數(shù)模型的參數(shù)分析表明，CA復合膠漿在25℃時粘性成分比例最大，此時損失模量與儲存模量比值最大。通過WLF方程研究了CA砂漿的時溫等效特性，得到了不同A/C比CA砂漿粘彈性力學參數(shù)的主曲線。分析了CA砂漿的蠕變特性，修正伯格斯模型能夠較好的模擬其蠕變行為。CA砂漿的模量、強度及破壞能均隨著溫度的升高及A/C的增加而減小。CA砂漿在重復荷載作用初期模量衰減較快，重復荷載作用使得CA砂漿的粘性成分降低而彈性成分升高。在一定范圍內(nèi)，可以通過適當提高A/C值來增強CA砂漿的疲勞性能。分析了水對CA砂漿力學特性的影響規(guī)律，研究了CA砂漿的阻尼特性及其影響因素。

目前改性瀝青聚合物多采用橡膠、樹脂與熱塑性彈性體，與瀝青主要通過物理改性實現(xiàn)，聚合物在瀝青中以顆粒、絲狀和網(wǎng)絡狀等分散形式存在，這種絲狀和網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)在荷載與溫度作用下容易發(fā)生破壞。本研究以熱固性環(huán)氧樹脂作為瀝青改性劑，固化后的環(huán)氧樹脂可以形成不可逆空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，賦予環(huán)氧瀝青材料優(yōu)異路用性能。本課題研究環(huán)氧瀝青的微觀結(jié)構(gòu)及動態(tài)力學性能，分析環(huán)氧瀝青的相逆轉(zhuǎn)與相分離特征，建立組分配比與相逆轉(zhuǎn)二維圖，構(gòu)建環(huán)氧瀝青的微觀結(jié)構(gòu)模型與細觀力學模型，并對環(huán)氧瀝青性能進行預測。本研究成果為環(huán)氧瀝青材料研究與開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，并可以有效指導環(huán)氧瀝青材料設計、構(gòu)建與優(yōu)化。 2100433B

近年來越來越多的事實證明瀝青路面中存在氧化老化，瀝青混合料氧化老化貫穿于瀝青路面整個壽命周期。現(xiàn)階段對瀝青老化的化學機理研究得比較透徹，但基于微觀結(jié)構(gòu)瀝青混合料氧化老化行為與機理的研究卻非常有限。本項目擬構(gòu)建瀝青混合料的三維微觀結(jié)構(gòu)，將模型導入有限元軟件，利用菲克第二定律模擬氧氣的擴散過程?；诟盗⑷~變換紅外光譜試驗和化學動力學建立羰基的生成速率模型。通過動態(tài)力學分析儀和動態(tài)剪切流變儀建立羰基面積與瀝青粘結(jié)料粘彈特性、瀝青瑪蹄脂的粘彈特性的關(guān)系模型。利用每一年的氧氣擴散結(jié)果，結(jié)合羰基生成速率模型計算得到瀝青瑪蹄脂中各個單元的羰基面積，從而賦予瀝青瑪蹄脂中每個單元不同的粘彈特性。對瀝青混合料進行虛擬動態(tài)模量測試和間接拉伸測試，研究氧化老化對瀝青混合料整體力學響應的影響。研究成果為探索瀝青混合料氧化老化機理,預測瀝青路面的氧化老化行為、優(yōu)化瀝青路面的設計奠定基礎(chǔ)。