摘要
过去几十年来，由于交通负荷和车辆数量持续增加，以及不利的天气条件，沥青路面在服役温度下遭受了严重的损坏，如车辙、疲劳开裂和温度裂缝。研究表明，改性沥青胶结料是一个很有前途的选择，可有效减轻沥青路面病害。纳米材料和纳米技术的最新进展及其对改善沥青路面性能的影响，最近受到越来越多的关注。石墨烯氧化物（GO）是一种新型的碳基纳米材料，最近被公认为一种潜在的添加剂，可以帮助开发更耐用的沥青材料。全面调查GO改性沥青胶结料和沥青混合物的性能对于更好地了解此材料非常重要和紧迫。因此，本研究通过对各种性能相关特性的实验研究，探索了GO在沥青胶结料和混合物中的潜在应用，并采用统计模型来预测GO改性沥青的性能。本研究的主要内容和结果如下： 1.基质沥青胶结料与不同含量GO的混合。GO对沥青胶结料物理性能相关特性的影响进行了调查，包括针入度、软化点、粘度（110-185℃）和延展性以及温度性能指数。根据结果，GO的加入显著增强了沥青胶结料的物理性能。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）用于观察沥青胶结料的微观结构。结果表明，GO在沥青基质中分布良好。控制和改性沥青胶结料经过傅立叶变换红外（FTIR）分析，以确定GO修改后功能组的变化。根据结果，GO改性胶结料的FTIR光谱（按一定百分比计算）显示功能组变化，指示基沥青和GO之间的化学反应。 2.采用不同方法对纳入GO的沥青胶结料的高温流变性能进行了调查。对控制和GO改性沥青胶结料进行了一系列高温流变学测试，即频率扫描、温度扫描、多应力蠕变恢复（MSCR）和使用动态剪切流变仪（DSR）稳定剪切粘度。基于G*/sinδ的流变学测试结果表明，GO显著提高了沥青胶结料的高温性能。MSCR测试结果显示，与控制沥青相比，GO修改的胶结料具有较低的不可恢复蠕变符合性（Jnr）和更高的百分比恢复（R）值，显示了GO对车辙的重大贡献。同样，稳定的剪切测试结果表明，GO胶结料的剪切粘度（ZSV）值高于未修改的胶结料。 3.研究了GO对增强沥青胶结料疲劳寿命、低温性能和耐老化性的影响。Superpave疲劳测试和最近开发的方法，线性振幅扫描（LAS），用于评估GO改性沥青胶结料的疲劳行为。进行了低温弯曲梁流变仪（BBR）测试，以评估低温开裂行为。应用流变参数来检查改良沥青胶结料的老化潜力。根据LAS测试结果和Superpave疲劳参数，在胶结料中加入GO，观察到疲劳寿命的显著改善。BBR测试结果显示，与控制沥青相比，GO改性胶结料显示蠕变刚度（S）较低，蠕变速率（m值）较高，表明低温下的开裂阻力增强。最后，通过合并GO发现胶结料对氧化老化的易感性降低，如老化指数（AI）所示。 4.基于Box-Behnken统计模型的响应表面方法（RSM）用于调查温度、GO内容和加载频率三个参数对GO改性沥青车辙性能的交互效应，并开发预测数学模型。统计分析表明，选定的输入变量对沥青的复杂模态（G*）和车辙行为（G*/sinδ）表现出显著影响，并提出了预测车辙潜力的二次模型。同样，基于中央复合设计（CCD）的RSM用于检查GO和沥青含量对沥青混合物体积和强度特性的影响。在压实的GO修改混合物上进行了马歇尔稳定性/流动和间接拉伸强度（ITS）测试。RSM用于分析混合物的特性，并为响应变量的预测进行数学建模。研究发现，拉伸强度、稳定性和塑料流，加上沥青混合物的体积特性，受制剂变化的影响很大。建议的模型与实际结果非常相适应，具有高度的相关性。GO和沥青的最佳比例基于数字优化获得。 5.评价了GO对沥青混合物机械性能的影响。基础沥青胶结料首先以不同浓度与GO混合，然后用于制备沥青混合物。进行了一系列机械性能测试，例如弹性模态、动态蠕变、间接拉伸疲劳、冻解裂解和马歇尔浸泡，以调查GO改性沥青混合物的车辙行为、疲劳开裂性能和水稳定性。结果表明，通过加入GO，可以显著改善沥青混合物的动态蠕变、弹性模态、疲劳寿命、剩余稳定性和拉伸强度比。 6.使用断裂力学对含有氧化石墨烯（GO）的沥青混合物的抗裂性进行了研究。三种类型的沥青混合物与9.5毫米，13.2毫米和16毫米的名义最大聚合大小（NMAS）进行了修改，具有不同的GO含量。进行了半圆形弯曲（SCB）断裂测试，以确定沥青混合物的断裂特性。结果表明，随着GO的加入，I型骨折韧性（KIC）和断裂能量（Gf）在-20℃、-10℃和0℃下得到了显著改善。同样，随着GO内容的增加，在0℃、10℃和20℃的J积分值中也出现了上升趋势。断裂力学参数的改变表明，添加GO有助于在低温和中等温度下提高抗裂性能。断裂特性对测试温度有很高的依赖性。NMAS的增加导致混合物的断裂强度增加。此外，响应表面方法（RSM）用于开发GO、温度和NMAS方面的抗裂预测模型。建议的模型表现出高度的相关性。 总体而言，结果表明GO在改善沥青胶结料和沥青混合物的特性方面具有巨大潜力，这可能导致路面的高性能和更长的使用寿命。此外，预计已开发的模型可以帮助决策选择GO内容，以提高车辙和沥青的断裂性能。
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