基于超声原位增容的聚合物改性沥青体系界面调控及稳定机理研究

The stability of polymer-modified asphalt is a prerequisite for its road performance and the key to improve the quality of asphalt pavement. While the agglomeration and segregation of the polymer is the main bottleneck restricting the stability of polymer-modified asphalt. This project proposes using ultrasound and its mechanical effect and chemical effect to achieve the refinement of polymer particles and the in-situ compatibilization of polymer-modified asphalt, and then improve the stability. The system evolution and the stabilization mechanism of polymer-modified asphalt in ultrasonic shearing preparation process will be studied. First, the ultrasonic cavitation effect and cavitation mechanism of base asphalt will be clarified and a dynamic model of asphalt ultrasonic degradation will be established, thus achieving the ultrasonic control of the colloid structure and physical properties of base asphalt, and then reducing the difference of solubility parameters between polymer and base asphalt. Second, the interfacial properties, interaction and in-situ chemical polymerization of polymer-modified asphalt bends will be investigated to reveal the ultrasonic in-situ compatibilization mechanism. And then, the dispersion and fragmentation kinetic model of polymer droplets under ultrasonic action will be established, and combined the variations of morphology and structure to reveal the system evolution of the polymer-modified asphalt in preparation process. Finally, the ultrasonic control of system interface will be realized to reveal the stability mechanism of polymer-modified asphalt. This project can enrich the theoretical system of polymer-modified asphalt’s stability and provide theoretical basis for the low-cost production of polymer-modified asphalt with high stability.

聚合物改性沥青的稳定性是其路用性能研究的前提，是提高沥青路面质量的关键，而改性沥青体系中聚合物的聚结离析是制约其稳定性的主要瓶颈。本项目提出利用超声的机械效应、化学效应实现聚合物颗粒细化及其改性沥青原位增容，改善体系的稳定性，针对超声-剪切制备过程中聚合物改性沥青的体系演变和稳定机理展开研究。阐明沥青超声空化效应和空化发生机理，建立沥青超声降解动力学模型，实现超声对沥青胶体结构和物理性能的调控，减小聚合物与沥青的溶解度参数差异；探明聚合物改性沥青共混体系界面性质、交互作用以及原位化学聚合，揭示聚合物改性沥青超声原位增容机理；建立超声作用下的聚合物液滴分散破碎动力学模型，结合聚合物改性沥青制备过程中形貌和结构的变化，揭示聚合物改性沥青体系演变规律，实现聚合物和沥青界面的超声调控，揭示改性沥青稳定机理。本项目可丰富聚合物改性沥青稳定性理论体系，为低成本生产高稳定性的聚合物改性沥青提供理论依据。

如何减小聚合物的粒径并使之受剪切力作用下保持颗粒破碎和聚结的平衡，是聚合物在沥青中的分散难题。本项目将超声引入聚合物改性沥青的制备过程中，利用超声空化效应从工艺的角度实现聚合物改性沥青原位增容，开展了沥青空化理论研究、超声-剪切制备装置设计和聚合物改性沥青体系演变规律和性能研究。.本项目首先通过量热法、拉乌尔定律、分子模拟法等明确了沥青的物性参数，考虑沥青烟气和超声驱动的空化泡群多泡耦合作用，修正了超声空化泡动力学理论模型，揭示了不同条件下超声沥青空化发生机理。建立沥青超声降解动力学模型，通过分子键个数变化、聚合物偶极矩变化和沥青黏度变化揭示超声对沥青降解的影响。此外，通过改性沥青固液混合的特点确定超声-剪切制备装置结构及尺寸，设计不同工艺并通过参数调控沥青的结构和性能，揭示沥青变化规律。本项目进一步从改性沥青共混体系溶解度参数等，阐明超声作用对聚合物改性沥青体系界面性质的影响机理，通过特征官能团变化研究体系的原位化学聚合，揭示聚合物改性沥青超声原位增容机理。基于流体力学理论，深入分析了剪切力场及超声场中聚合物的分散动力学，从物料气泡体积分数变化揭示超声作用下聚合物在沥青中的分散破碎行为规律。从改性沥青微观形貌等方面阐明超声作用下改性沥青制备过程中的体系演变规律，通过分子动力学模拟和试验表征测试多尺度探究聚合物改性沥青高温稳定性、自愈性、黏附性及水分敏感性，研究成果最终揭示了聚合物改性沥青在超声强化处理过程中的稳定机理。.通过本项目的开展，共发表高水平学术论文7篇，授权国家发明专利2项，培养硕士研究生2名。研究成果不仅解决了聚合物改性沥青制备过程中分散稳定性问题，还对降低沥青改性成本、实现聚合物改性沥青的可靠应用具有十分重要的意义。此外，这些研究方法具有普适性，可拓展到复杂液体和各种聚合物复合材料的超声强化处理应用中。