基于流变学-相场法的改性沥青微观结构演变和相分离行为研究

At present, the basic scientific problems for polymer modified asphalt (PMA), including morphology evolution and phase separation behavior, morphology and architecture, are still not solved well, which leads to the lack of systematic theory to guide the production and application of PMA. The current knowledge of morphological structure or effect of polymer structure on the performance of PMA is not systematic and completed yet. The lack of in-depth study on the theory of “microstructure-performance relationship” leads to strong dependence on experience of production and application of PMA. Therefore, the project aims to systematically study morphology evolution, phase separation behavior and storage stability of typical PMA in road engineering based rheology and phase field method as well as the combination of morphological method and numerical simulation. The morphology evolution of typical paving PMA under thermal conditioning will be reveled and the rheological response of phase separation behavior and the influence of phase separation on the rheological properties will be illustrated. Furthermore, phase interfacial effect will be studied and the influence of materials chemical composition on interface between polymer and asphalt will be revealed. Also, the key factors controlling phase separation will be determined. The research aims to predict phase separation behavior using the theoretical model and optimize the phase structure as well as control the phase separation. Consequently, the performance can be optimized by controlling morphology of PMA. The study is of great significance to provide theoretical guidance for the quality control and application of modified asphalt.

目前，改性沥青体系的微观结构与相分离行为、形态与结构等基础科学问题仍未完全解决和掌握，缺乏系统的理论来指导生产应用，对改性沥青的微观结构与宏观性能关系的认识仍不够深入，缺乏深入的“微观结构-宏观性能”演变关系理论研究，导致改性沥青的生产应用和质量控制具有很强的经验性。本项目拟基于流变学和相场理论并结合形态学、数值模拟等手段系统地研究典型路用改性沥青微观结构演变、相分离行为及储存稳定性。揭示典型道路改性沥青在热场作用下的微观结构演变规律，阐明相分离行为的流变学响应特征及其对体系流变性的影响。研究典型路用改性沥青的相界面作用及相分离行为，揭示材料化学组成对聚合物-沥青相界面作用的影响机制，确定控制相分离的关键因素，从理论上指导并预测相分离行为，优化改性沥青的相结构，控制相分离行为，通过调控微观形貌进而控制改性沥青的质量。本课题研究对指导改性沥青的生产与质量控制具有极其重要的意义。

我国建成了世界最大规模高速公路网，沥青材料是公路建设最重要的铺面材料，然而改性沥青体系的微观结构与相分离行为、形态与结构等基础科学问题仍未完全解决和掌握，缺乏系统的理论来指导生产应用，对改性沥青的微观结构与宏观性能关系的认识仍不够深入，缺乏深入的“微观结构-宏观性能”演变关系理论研究，导致改性沥青的生产应用和质量控制具有很强的经验性。. 本项目基于流变学-相场理论对改性沥青微观结构演变和相分离机理及应用进行了深入研究。采用动态剪切流变仪并结合荧光显微镜、统计分析方法、相场理论等研究了典型聚合物改性沥青（SBS、PE和EVA）多相体系的相态、相容性和储存稳定性；深入分析了聚合物结构与相态之间的关系；建立了判定相容性的流变学方法；采用数值模拟方法及相场理论模拟了改性沥青的相分离过程和储存稳定性。主要研究进展为：提出了耦合Navier-Stokes方程的相场理论，建立了典型改性沥青的耦合Navier-Stokes方程相场模型，揭示了典型改性沥青在热场作用下的微观结构演变机理，再现典型道路改性沥青的相态变化，并优化了相场模型参数。提出了聚合物与沥青配伍性、相容性优劣的流变学判定方法，进一步提出了用相容性判据预测储存稳定性的经验方法。Cole-Cole曲线的对称性与体系的相容性存在最直接的对应关系，曲线对称性好对应着改性沥青体系相容性好，并且准确性和灵敏度较好，没有发生误判的情况。通过黏弹参数结合广义Maxwell模型和稳定指数定量评价了储存稳定性。流变方法判断出的相容性与实际储存稳定性存在很强的正相关关系。该方法对聚合物改性剂的选择和改性沥青相容性的判别具有重要的理论指导意义。. 项目研究在行业权威期刊发表SCI、EI论文11篇，授权发明专利2项，会议论文4篇，其中ESI高被引论文1篇，SCI论文9篇，EI论文2篇，在审SCI论文2篇。培养博士研究生2名，硕士研究生5名。研究成果入选交通运输部重大科技创新成果，为沥青生产质量控制提供了理论依据。