物理硬化对沥青材料低温性能影响机理研究

Physical hardening is one of the fundamental causes that affect the low temperature performance of asphalt. However, the mechanism of the effect of physical hardening on asphalt low temperature performance is not clear. Additionally, the low temperature performance evaluation system has not considered the effect of physical hardening. Therefore, these issues may lead to the failure of the low temperature performance evaluation. Aiming at solving these problems mentioned above, the study will start with analyzing the evolvement rule of asphalt microscopic characteristics undergoing physical hardening, and then analyzing the variation of asphalt molecular relaxation mode, molecular conformation and microscopic volume characteristics after the physical hardening. Based on the theory of fracture mechanics and rheological mechanics, the macroscopic mechanical behavior of asphalt under the physical hardening effect will be investigated. By combining the macroscopic and microscopic experimental results, the internal relations between microstructure change and macroscopic mechanical behavior will be interpreted, and the temperature stress constitutive model of asphalt materials under the physical hardening effect will be derived. Based on the results above, a sensitive and effective asphalt low temperature performance evaluation index, considering the effect of physical hardening, will be proposed..The project will reveal the mechanism of the effect of physical hardening on low temperature performance of asphalt, providing a theoretical basis for an accurate assessment of asphalt low temperature performance. It will also have certain reference for the development of low temperature anti-cracking material for pavement and facilitate the development of pavement computational mechanics and material science.

物理硬化是影响沥青材料低温性能的本源之一，但目前物理硬化对沥青材料低温性能影响机理尚不明确、沥青材料低温性能的评价体系未能考虑物理硬化的影响，由此可能导致沥青材料低温性能评价结果失效。针对上述问题，本项目将从物理硬化作用下沥青材料的微观特征演变规律入手，详细分析物理硬化作用后沥青分子弛豫模态、分子构象及微观体积特征变化规律；运用断裂力学、流变力学原理，研究物理硬化作用下沥青材料宏观力学行为特征，结合微观、宏观试验结果，阐明沥青材料微观结构变化与宏观力学行为的内在联系，并构建物理硬化作用下沥青材料温度应力本构模型；基于上述结果，提出考虑物理硬化效应的沥青材料低温性能评价指标。.本项目的研究将揭示物理硬化对沥青材料低温性能影响机理，为准确评价沥青材料低温性能提供理论依据，对于研发路面低温抗裂材料具有一定的参考意义，对于路面计算力学和材料学科的发展也有一定的推动作用。

物理硬化是影响沥青材料低温性能的本源之一，但目前物理硬化对沥青材料低温性能影响机理尚不明确、沥青材料低温性能的评价体系未能考虑物理硬化的影响，由此可能导致沥青材料低温性能评价结果失效。本项目系统研究了不同沥青在物理硬化作用后的低温性能演变规律，从影响沥青路面低温抗裂性能的材料性能角度提出了能够综合考虑到沥青材料模量及松弛能力的综合指标Sm，并发现综合评价指标Sm与单边缺口小梁（SENB）试验的评价指标有着很好的线性相关性。因此，在无法开展单边缺口小梁（SENB）试验时，可采用Sm作为评价指标预估沥青材料的低温抗裂性能。基于弯曲梁流变试验发现温度及物理硬化时间对沥青材料的物理硬化程度均有显著的影响。但对温度各沥青材料的物理硬化影响趋势并不一致，而是存在某一临界温度使物理硬化程度最为剧烈。发现沥青材料的物理硬化可以发生在温度高于玻璃态转化点温度条件下，表明沥青材料的物理硬化特性与PVC等高分子材料的物理硬化特性有明显的差异。通过对沥青物理硬化特性的分析发现，沥青物理硬化速率是自减速的负反馈的过程，并基于“自由体积”理论，阐明了物理硬化对沥青材料低温性能影响机理。基于时温等效原理，建立了不同物理硬化条件下的模量主曲线；通过对物理硬化后的劲度模量主曲线分析发现，物理硬化作用存在一个临界时间，当物理硬化作用时间大于临界时间t0时，时间的增加对物理硬化程度的增加就不再显著。通过对对物理硬化时间与移位因子关系曲线进行深入分析，定义了曲线的关键区间（Key zone，KZ）和从属区间（Subordinate zone，SZ）。并提出利用关键区间（Key zone，KZ）的斜率作为表征沥青材料抗物理硬化的性能指标。项目的研究成果对于沥青基材料低温条件下力学行为的研究具有重要的理论和实际意义，而且对其它高分子材料的相关研究也具有一定的推动作用。此外，项目的研究成果对于缓解沥青基材料在寒冷地区低温开裂病害具有一定的指导意义。