课题基金 / 基金详情

生物重油-胶粉界面嫁接活化机理及其改性沥青性能表征研究

批准号:
52078047
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
陈玉
依托单位:
学科分类:
道路与轨道工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈玉

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
橡胶沥青可显著改善沥青路面使用性能,但橡胶沥青也存在黏度高、易离析及储存稳定性差等不足。本研究利用生物重油和沥青元素相似且极性组分含量高的特点,通过胶粉与生物重油预混处理而将生物重油中极性成分嫁接到胶粉表面而活化胶粉并提高胶粉与沥青相容性,从而有效利用胶粉与生物重油的优点并克服各自缺陷。首先,基于物化手段筛选极性成分含量高的生物重油并多尺度表征生物重油与胶粉。其次,基于聚合物溶解理论与菲克扩散定律,分析生物重油中轻质组分在胶粉中的溶解变化规律及扩散效应,揭示溶胀胶粉对橡胶沥青的降黏机制。然后,借鉴密度泛函数理论及微纳观测试方法,从反应能量分布及官能团迁移角度定量阐明生物重油-胶粉界面嫁接活化机理。再次,基于聚合物共混物的热力学相容性评价理论与方法,探明生物重油预处理活化胶粉与沥青的相容性行为。最后,对生物重油活化胶粉改性沥青的性能进行协同设计与优化,实现橡胶沥青性能的全面提升。
英文摘要
Crumb rubber can improve the performance of asphalt pavement, but it also has the drawbacks like high viscosity, easy segregation and poor storage stability. Since heavy bio-oil, with high amount of polar components, has similar elemental composition as petroleum asphalt, it was used in this study to pretreat the crumb rubber. During the treatment process, heavy bio-oil first caused the crumb rubber to swell and then its polar components were grafted onto the exterior surfaces of crumb rubber particles, which will increase the compatibility between rubber particles and asphalt. This approach can utilize the advantages of both crumb rubber and heavy bio-oil while minimizing their disadvantages. Firstly, heavy bio-oils with high amount of polar components were selected through physicochemical approaches and heavy bio-oil and crumb rubber were characterized on multiple scales. Meanwhile, based on polymer dissolution theory and Fick's law, the solubility and diffusion of light weight component of heavy bio-oil within crumb rubber particles were evaluated, which can help to explain the mechanism of lower viscosity for binders produced with swollen rubber. By using density functional theory and micro-testing methods, the grafting mechanism of polar molecules from heavy bio-oil onto the exterior surface of rubber particles was then investigated based on reaction energy distribution and functional group migration. In addition, the compatibility between activated rubber and asphalt was evaluated using compatibility evaluation method for polymers. Finally, the performance of heavy bio-oil activated rubber asphalt was optimized to improve the overall performance of crumb rubber modified asphalt.
针对废旧轮胎胶粉和石油沥青相容性这一科学问题,采用聚合物的物理化学改性手段、热力学相容性理论,重点对生物重油微波热活化胶粉制备工艺及性能表征、生物重油微波热活化胶粉与石油沥青的相容性评价及增容机理等进行深层次的基础性研究,提高胶粉和石油沥青的相容性。同时,为获得相容性及路用性能优异的胶粉改性沥青,提出活化胶粉、石油沥青及生物重油的控制标准,确定适用于评价生物重油微波热活化胶粉改性沥青相容性的评价指标,建立其与流变性能之间的关联,对生物重油微波热活化胶粉改性沥青的性能进行协同设计与优化,实现胶粉改性沥青性能的平衡与全面提升。主要开展了以下研究工作:(1)融合胶粉、蓖麻油基生物重油材料特性及微波加热特点,通过COMSOL温度场模拟、胶粉化学键断裂能量计算及试验验证,定量确定了胶粉交联键(多硫键、双硫键、单硫键及碳碳键)在生物重油预溶胀和微波热活化复合作用下的断裂时间及温度。为降低胶粉在微波活化作用下的受热不均匀现象,提出了将胶粉进一步放在恒温浴中活化。(2)发现针对同一种基质沥青,影响生物重油微波热活化胶粉改性沥青相容性及流变性能因素由强到弱依次为:活化胶粉掺量、胶粉-生物重油比和胶粉粒径。(3)原样及活化胶粉改性沥青热储存过程中的相分离主要发生在前 12h。基于车辙因子的相分离系数S5和S6和软化点差的相关性系数绝对值最大,其相关性最强,建议采用基于车辙因子的相分离系数评价活化胶粉与石油沥青的热稳定性。(4)通过分子动力学模拟从原子角度进一步揭示胶粉活化可以增加其与沥青的结合能,当胶粉活化程度较小时,结合能最大,相容性显著提升,但过度活化胶粉对其改性沥青的相容性是不利的。(5)较胶粉/生物重油单一改性沥青,生物重油微波热活化胶粉改性沥青流变性能显著提升,因此,生物重油胶粉复合改性沥青综合胶粉/生物重油单一改性沥青的优点,实现了其流变性能的综合提升,为其在道路工程中的应用提供理论依据。
生物重油-胶粉界面嫁接活化机理及其改性沥青性能表征研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    58万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    陈玉
  • 依托单位:
疲劳荷载作用下沥青路面粘结层力学响应特性及破坏机理研究
  • 批准号:
    51308060
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    陈玉
  • 依托单位:
国内基金
海外基金