（材料学专业论文）沥青路面紫外防护涂料的制备与性能研究.pdf

独创性声明 u liii i i i iiu l li i i iiii y 18 8 0 3 6 6 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：盘基日期：盏【f ：女：l 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 酬：戢导师c ：翻茁日期川 武汉理工大学硕士论文 摘要 随着国际上长寿命沥青路面设计理念的提出，沥青紫外光老化问题越来越 受重视，已成为道路材料领域研究热点。光稳定剂作为一种能有效阻止聚合物 材料光老化的助剂，己被用于与沥青共混来改善沥青的耐紫外老化性能。由于 光稳定剂价格高，使得光稳定剂改性沥青的成本很高，并且只能用于拌制沥青 混合料铺筑新路面，而不适用于服役中的沥青路面。如将光稳定剂用于制备沥 青路面紫外防护涂料，不仅可以解决成本问题，而且适用于服役中的沥青路面， 具有更好的应用前景。 本文选用不同类型的光稳定剂( u v 3 2 6 、u v 5 3 1 和u v 7 7 0 ) 和光屏蔽剂( 橡 胶炭黑n 2 2 0 、色素炭黑w 4 5 和t i 0 2 ) ，采用有机硅溶液和沥青乳液两种不同的 载体，制备了不同类型的沥青路面紫外防护涂料。通过比较紫外老化前后沥青 物理性能和化学组成的变化，分别研究了不同类型紫外防护涂料对沥青耐紫外 老化性能的改善效果；通过对涂膜前后沥青路面渗水系数、摩擦系数抗滑摆值 和构造深度的测试，考察了紫外防护涂料对沥青路面路用安全性能的影响。主 要研究结论如下： ( 1 ) 三种光稳定剂有机硅紫外防护涂料能显著增大沥青紫外老化后针入 度保留率，降低软化点和粘度的增量；抑制沥青紫外老化后沥青质和胶质含量 的增加及芳香分和饱和分含量的减少，从而改善沥青耐紫外老化性能，减轻沥 青的紫外老化。其中，u v 3 2 6 与有机硅复配涂膜对沥青耐紫外老化性能的改善 作用更加明显。 ( 2 ) 与单一使用u v 3 2 6 相比，u v 3 2 6 分别和u v 5 3 1 、u v 7 7 0 复配后，与 有机硅复合的紫外防护涂料能更加显著地改善沥青耐紫外老化性能，且u v 3 2 6 与u v 7 7 0 复配时的改善效果更加优良。 ( 3 ) 三种光稳定剂沥青乳液紫外防护涂料涂膜后的样品紫外老化后针入 度保留率明显增大，软化点和粘度增量减小；有效抑制了沥青质和胶质含量的 增加及芳香分和饱和分的减少，改善了沥青耐紫外老化性能。与u v 3 2 6 和 u v 7 7 0 相比，u v 5 3 1 沥青乳液紫外防护涂料的作用更为明显。 ( 4 ) 与单一使用u v 5 3 1 相比，u v 5 3 1 分别与u v 3 2 6 、l r v 7 7 0 复配后，其 改性沥青乳液涂膜能更加有效地提高沥青耐紫外老化性能，且u v 5 31 与u v 7 7 0 复配后效果更佳。 ( 5 ) 三种光屏蔽剂沥青乳液紫外防护涂料涂膜同样也增大了沥青紫外老 i 武汉理工大学硕士论文 化后针入度保留率较大，减小了软化点和粘度的增量；抑制了饱和分和芳香分 含量的减少，减小了胶质和沥青质含量的增加，有效提高了沥青的耐紫外老化 性能。与n 2 2 0 和 r i 0 2 相比，w 4 5 沥青乳液涂膜对沥青耐紫外老化性能的改善 作用更为明显。 ( 6 ) w 4 5 分别与u v 3 2 6 、u v 5 31 和u v 7 7 0 复配后，其改性沥青乳液紫外 防护涂料对沥青耐紫外老化性能的改善作用更加优良，且当w 4 5 与u v 5 3 1 复 配时，改善效果最佳。 ( 7 ) 通过测试涂膜前后沥青路面渗水系数、摩擦系数抗滑摆值和构造深度， 研究了沥青路面紫外防护涂料对沥青混凝土路用安全性能的影响。涂膜后，沥 青混凝土的渗水系数显著降低，沥青混凝土的抗渗性能明显提高；沥青混凝土 的摩擦系数抗滑摆值和构造深度则有一定程度的降低，但影响较小，可满足技 术要求。 关键词：沥青；光稳定剂；有机硅溶液；沥青乳液；涂膜；紫外老化：路用安 全性能 武汉理工大学硕士论文 a bs t r a c t w i t ht h ep r o p o s i n go ft h el o n gs e r v i c el i f ea s p h a l tp a v e m e n t , m o r ea n dm o r e a t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h eu l t r a v i o l e t ( u v ) a g i n go fa s p h a l t , w h i c hb e c o m e so n e o ft h eh o tt o p i c si nt h ef i e l do fr o a dm a t e r i a l s l i g h ts t a b i l i z e r s ( l s s ) w h i c hc a r l p r e v e n tp o l y m e rm a t e r i a l sf r o mu va g i n ge f f e c t i v e l yh a v eb e e nu s e dt oi m p r o v e t h e u va g i n gr e s i s t a n c eo fa s p h a l tb yb l e n d i n g n 圮c o s to fl s sm o d i f i e da s p h a l ti sh i g h d u et ot h eh i g l lp r i c eo fl s s f u r t h e r m o r e ，l s sm o d i f i e da s p h a l ti so n l ya p p r o p r i a t e f o rh o tm i x t u r ea s p h a l tt op a v en e wr o a d s ，w h i c hl i m i t si t sa p p l i c a t i o nt oa s p h a l t p a v e m e n td u r i n gs e r v i c el i f e h o w e v e r , t h e s ep r o b l e m sc o u l db ee f f e c t i v e l ys o l v e d b yp r e p a r i n gu vp r o t e c t i v ec o a t i n g sc o n t a i n i n gl s s a sar e s u l t , n o to n l yt h ec o s t c a nb er e d u c e do b v i o u s l y , b u ta l s oi tc a nb ea p p l i e dt oa s p h a l tp a v e m e n ti ns e r v i c e l i f e i nt h i sp a p e r , d i f f e r e n tk i n d so fu vp r o t e c t i v ec o a t i n g sw e r ep r e p a r e du s i n g v a r i o u sl s sa n dc a r r i e r s ，n l el s sw e r ec o n s i s t e do fu va b s o r b e r s ( u v 3 2 6 ，u v 5 31 a n du v 7 7 0 ) a n dl i g h ts h i e l da g e n t s ( r u b b e rc a r b o nb l a c kn 2 2 0 ，p i g m e n tc a r b o n b l a c kw 4 5a n dt i 0 2 ) ，a n dt h ec a r r i e r si n c l u d e do r g a n o s i l i c o ns o l u t i o na n da s p h a l t e m u l s i o n 1 1 坞e f f e c to fu v p r o t e c t i v ec o a t i n g so nu va g i n gr e s i s t a n c eo fb i t u m e n w a si n v e s t i g a t e db yc o m p a r i n gt h ec h a n g e so fp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dc h e m i c a l c o m p o n e n to ft h eb i n d e r sb e f o r ea n da f t e ru va g i n g t h ee f f e c to fu vp r o t e c t i v e c o a t i n g so np a v e m e n ts a f e t yp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e db yt e s t i n gt h ep e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t 口c ) ，f i - i c f i o nc o e f f i c i e n t ( f c ) a n ds t r u c t u r ed e p t h ( s d ) o fa s p h a l t p a v e m e n t 啊1 er e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ep e n e 仃a t i o nr e t e n t i o nr a t eo fa s p h a l tc o a t e do r g a n o s i l i c o nc o a t i n g 、航t h t h r e ek i n d so fl s sw e r ei n c r e a s e da f t e ru v a g i n g ，w h i l et h ei n c r e m e n to fs o f t e n i n g p o i n ta n dv i s c o s i t yw a sd e c r e a s e d 硼1 ei n c r e m e n to fa s p h a l t e n e sa n dr e s i n s ，a n dt h e d e c r e m e n to fa r o m a t i c sa n ds a t u r a t e sw e r er e s t r a i n e de f f e c t i v e l y , i n d i c a t i n gt h e e n h a n c e du va g i n gr e s i s t a n c eo fa s p h a l t a m o n gt h r e ek i n d so fl s s ，o r g a n o s i l i c o n c o a t i n gw i t hl w 3 2 6s h o w e dt h eb e s te f f e c to ni n c r e a s i n gt h eu va g i n gr e s i s t a n c eo f a s p h a l t 2 c o m p a r e dw i t hu s i n gs i n g l eu v 3 2 6 ，t h eo r g a n o s i l i c o nc o a t i n gw i t ht h e m i x t u r eo fu v 3 2 6a n du v 5 31o ru v 3 2 6a n du v 7 7 0c o n t r i b u t e dt ot h eb e t t e r i m p r o v e du va g i n gr e s i s t a n c eo f t h ea s p h a l t m o r e o v e r , o r g a n o s i l i c o nc o a t i n gw i t h n i 武汉理工大学硕士论文 t h em i x t u r eo fu v 3 2 6a n du v 7 7 0c o n t r i b u t e dt ot h e b e s ti m p r o v e du va g i n g r e s i s t a n c eo fa s p h a l t 3 t h ep e n e t r a t i o nr e t e n t i o nr a t eo fa s p h a l tc o a t e de m u l s i o nc o a t i n gw i t hl s s w a sh i l g h e r , w h i l et h ei n c r e m e n to fs o f t e n i n gp o i n ta n dv i s c o s i t yw a sd e c r e a s e d m o r e o v e r , t h ei n c r e m e n to fa s p h a l t e n e sa n dr e s i n sa n dt h ed e c r e m e n to fa r o m a t i c s a n ds a t u r a t e sc o u l db er e s t r a i n e db yt h eu vp r o t e c t i v ec o a t i n g s ，i n d i c a t i n gt h e r e m a r k a b l yi m p r o v e du va g i n gr e s i s t a n c eo fa s p h a l t c o m p a r e dw i t hu v 3 2 6a n d u v 7 7 0 ，t h ee f f e c to fu v 5 31 a s p h a l te m u l s i o nw a sm o r eo b v i o u s 4 t h ei n f l u e n c eo ft h ea s p h a l te m u l s i o n 、 ，i mt h eu v 5 31c o m b i n e d 、析t h u v 3 2 6o ru v 7 7 0o nt h ei m p r o v e du va g i n gr e s i s t a n c eo ft h ea s p h a l tw e r em o r e o u t s t a n d i n gt h a nt h ea s p h a l te m u l s i o nu s i n gs i n g l eu v 5 31 ，a n dt h eu va g i n g r e s i s t a n c eo ft h ea s p h a l te m u l s i o nw i lt h em i x t u r eo fu v 5 31a n du v 7 7 0w a sm o r e r e m a r k a b l e 5 t h ea s p h a l te m u l s i o nc o a t i n gw i t hl i g h ts h i e l d i n ga g e n t sc o n t r i b u t e dt ot h e i n c r e a s e dp e n e t r a t i o nr e t e n t i o nr a t ea n dt h er e d u c e dt h ei n c r e m e n t so fs o f t e n i n gp o i n t a n dv i s c o s i t yo ft h ea s p h a l ta f t e ru v a g i n g t h eu vp r o t e c t i v ec o a t i n g sr e s t r i c t e dt h e i n c r e m e n to fa s p h a l t e n e sa n dr e s i n s a sw e l la st h ed e c r e m e n to fa r o m a t i c sa n d s a t u r a t e sd u r i n gu v a g i n g ，w h i c hl e dt ot h ei m p r o v e du va g i n gr e s i s t a n c eo fa s p h a l t c o m p a r e d 谢血n 2 2 0a n dt i 0 2 ，t h eu va g m gr e s i s t a n c eo fa s p h a l te m u l s i o n c o a t i n g sw i t hw 4 5 w a sm o r ee f f e c t i v e 6 t h eu va g i n gr e s i s t a n c eo ft h ea s p h a l tc o u l db ef t l r t h e ri m p r o v e db y c o m b i n i n gw 4 5w i t hu v 3 2 6 o ru v 5 31o ru v 7 7 0 f u r t h e r m o r e ，t h ei m p r o v e m e n to f u v a g i n gr e s i s t a n c eo fa s p h a l te m u l s i o nc o m b i n e dw i t hw 4 5a n du v 5 3 1w a sl a r g e r 7 t h ee f f e c to fu vp r o t e c t i v ec o a t i n g so np a v e m e n ts a f e t yp e r f o r m a n c ew a s i n v e s t i g a t e db yt e s t i n gt h ep c ，f ca n ds do fa s p h a l tp a v e m e n t t h ep co fa s p h a l t p a v e m e n tw a sd e c r e a s e do b v i o u s l y a f t e r c o a t i n g a sw e l la st h e i m p r o v e d i m p e r m e a b i l i t yo fa s p h a l tp a v e m e n t ，w h i l et h ef ca n ds dw e r er e d u c e dt os o m e e x t e n tw i t h i nt h el i m i to ft e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n , i n d i c a t i n gt h el i m i t e de f f e c to fu v p r o t e c t i v ec o a t i n go np a v e m e n ts a f e t yp e r f o r m a n c e k 呵w o r d s ：a s p h a l t , l i g h ts t a b i l i z e r , o r g a n o s i l i c o ns o l u t i o n , a s p h a l te m u l s i o n , c o a t i n g ，u l t r a v i o l e ta g i n g ，p a v e m e n ts a f e t yp e r f o r m a n c e i v 武汉理工大学硕士论文 摘要 目录 a b s t r a c t 。 第1 章绪论 i i i i 1 1 1 沥青老化研究进展1 1 1 1 沥青老化机理1 1 1 2 沥青老化试验方法与性能评价。3 1 1 3 沥青抗老化研究现状7 1 2 光稳定剂改性沥青的研究进展8 1 2 1 光稳定剂的分类及作用机理8 1 2 2 光稳定剂改性沥青的紫外老化研究现状9 1 3 本文的研究目的和主要研究内容。1 0 第2 章光稳定剂，有机硅紫外防护涂料对沥青耐紫外老化性能的影响。1 1 2 1 引言1 1 2 2 实验部分1 l 2 2 1 实验原料1 1 2 2 2 实验设备1 2 2 2 3 光稳定剂有机硅溶液的制备1 2 2 2 4 老化实验1 2 2 2 5 性能测试。1 3 2 3 结果与讨论1 5 2 3 1 有机硅溶液对沥青耐紫外老化性能的影响1 5 2 3 2 光稳定剂的类型对沥青耐紫外老化性能的影响1 9 2 3 3 光稳定剂的掺量对沥青耐紫外老化性能的影响2 2 2 3 4 不同光稳定剂复配对沥青耐紫外老化性能的影响2 5 2 4 本章小结2 9 第3 章光稳定剂，沥青乳液紫外防护涂料对沥青耐紫外老化性能的影响3 0 3 1 引言3 0 3 2 实验部分3 0 3 2 1 实验原料3 0 v 武汉理工大学硕士论文 3 2 2 实验设备3 0 3 2 3 光稳定剂改性沥青乳液的制备3 1 3 2 4 老化实验31 3 2 5 性能测试3 2 3 3 结果与讨论3 2 3 3 1 光稳定剂的类型对沥青耐紫外老化性能的影响3 2 3 3 2 光稳定剂的掺量对沥青耐紫外老化性能的影响3 5 3 3 3 不同光稳定剂复配对沥青耐紫外老化性能的影响3 8 3 3 4 光屏蔽剂的类型对沥青耐紫外老化性能的影响。4 1 3 3 5 光屏蔽剂的掺量对沥青耐紫外老化性能的影响4 4 3 3 6 光屏蔽剂与紫外吸收剂复配对沥青耐紫外老化性能的影响4 7 3 4 本章小结。5 0 第4 章沥青路面紫外防护涂料对沥青混凝土路用安全性能的影响5 2 4 1 引言5 2 4 2 实验部分5 2 4 2 1 实验原料5 2 4 2 2 沥青混凝土试件的制备5 2 4 2 3 有机硅紫外防护涂料的制备与涂膜5 3 4 2 4 光稳定剂改性沥青乳液的制备与涂膜5 3 4 2 5 渗水系数的测定5 3 4 2 6 摩擦系数抗滑摆值的测试5 3 4 2 7 构造深度的测试5 4 4 3 结果与讨论5 4 4 3 1 沥青路面紫外防护涂料对沥青混凝土路面渗水系数的影响5 4 4 3 2 沥青路面紫外防护涂料对沥青混凝土路面摩擦系数的影响5 5 4 3 3 沥青路面紫外防护涂料对沥青混凝土路面构造深度的影响5 6 4 4 本章小结5 7 第5 章结论。 参考文献 致谢。 攻读硕士学位期间发表的论文 v i 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 沥青作为有机胶结材料，具有粘结、防水、绝缘、减震等特点，并且资源 丰富、价格低廉，长期以来被广泛用作铺路和建筑防水材料。沥青路面具有噪 音低、行驶舒适、抗滑性好、易于维修等优点，已成为国内外公路建设的主流 路面类型。但是，沥青在贮存、运输、拌和和施工过程中，由于高温和氧的作 用，会发生氧化、分解、缩聚等物理化学反应，造成沥青的热氧老化；沥青路 面服役期间在各种自然环境因素和交通载荷的综合作用下会发生长期热氧和光 氧老化，导致路面出现裂缝、坑槽和剥落现象，严重影响其路用性能和使用寿 命【1 1 。因此，改善沥青及沥青路面的耐老化性能显得尤为重要。 10 1 沥青老化研究进展 1 1 1 沥青老化机理 沥青老化问题一直是国内外学术界研究的重点内容。在国外5 0 年代后期就 得到高度重视，例如美国、加拿大、日本、北欧等地区的学者对沥青老化问题 进行了研究，他们认为：沥青老化主要有四个方面，即氧化老化；挥发物的衰 减；自然硬化和渗流硬化。当沥青与空气接触时会慢慢氧化，形成的极性含氧 基团逐渐联结成高分子量的胶团，促使沥青的粘度提高。氧化主要依赖于温度、 时间和沥青膜的厚度，并与沥青的结构组成有关。 沥青老化可分为短期老化和长期老化。短期老化是指沥青在拌和铺筑过程 中，空气中的氧与沥青发生氧化作用导致材料的性能发生变化。沥青的长期老 化是指沥青路面在使用过程中，由于长时间暴露在空气中，在光、氧、雨水等 自然气候条件的作用下，沥青会发生一系列的物理及化学变化，使沥青性质发 生变化，导致路用性能劣化的过程。 1 1 1 1 热氧老化机理 沥青的氧化主要由氧和沥青之间的化学反应所决定，即沥青的耐久性由其 化学组成决定。在沥青老化过程中。聚合物成分( 饱和分、芳香分、胶质、沥 青质) 发生变化，它们的抗老化性能不同，沥青中胶质和芳香分反应性比较大。 l 武汉理工大学硕士论文 以单个饱和分、芳香分、胶质、沥青质成分存在时其在老化过程中的变化程度 比沥青中的聚合物大，说明沥青作为一个整体比单个成分稳定。 沥青混合料在拌和、贮存运输和施工过程中，暴露在空气中，在热氧的作 用下会发生热氧老化，沥青中羰基和亚砜基官能团增多，化学组分也有一定的 变化，粘度增大，软化点升高。 热拌沥青混合料是常用的施工方式，沥青在热拌和过程中的热氧老化是沥 青老化老化的主要阶段之一，搅拌时，混合料被沥青薄膜裹覆，薄膜的厚度一 般为5 - 1 5 1 a m ，此时搅拌温度达到1 6 0 , , 1 8 0 ( 2 ，直接引起沥青的氧化和油分挥发。 拌和温度越高，沥青膜越薄，拌和时间越长，沥青的老化越严重【2 】。 沥青混合料在贮存运输过程中，虽然热储料仓中温度达1 4 0 ，但仓内空 气有限，沥青只会发生轻微的氧化作用。沥青混合料在摊铺和施工过程中，沥 青的温度急剧降低，也只会发生轻微的氧化作用。 1 1 1 2 光氧老化机理 紫外光是一种比可见光波长短的电磁波，其波长介于2 0 0 n m - - - 4 0 0 n m ，按波 长大小又可分为短波t r v c ( 2 0 0 n m 2 8 0 n m ) 、中波u v b ( 2 8 0 n m 3 2 0 n m ) 、长波 u v a ( 3 2 0 n m , - - 4 0 0 n m ) 。在这三个部分中，u v c 的能量最大，对高分子材料具有 强烈的破坏作用，但它几乎完全被大气臭氧层吸收，很难到达地面。对人类环 境产生影响的紫外光主要是u v a 和u v b 。不同波长的光能量也不一样，光子 能量与其波长成反比，各波段光的能量值如表1 - 2 所示 3 1 。 沥青是原油经过处理后得到的产品，为复杂的碳氢化合物及非金属取代碳 氢化合物中的氢后生成的新衍生物，其中还含有微量的金属离子。碳、氢、氧、 氮等元素要形成稳定的沥青大分子结构，它们之间需要一定的键能，其值越高 越稳定【4 】。沥青在光照下是否会发生断键，从而导致一系列的氧化降解过程， 取决于分子链所吸收波长的能量和化学键的强度。各种高分子结构对光波波长 的敏感性各有不同，沥青中主要分子键能值如表1 3 所示【5 1 。 表1 2 不同波段光的能量值 2 武汉理工大学硕士论文 表1 - 3 沥青中主要分子的键能值 沥青主要含c h 、c c 、c - - c 键，由表1 2 及表1 3 可知，在2 0 0 n m 一4 0 0 n m 范围的紫外光所具有的能量一般高于引起高分子链上各种化学健断裂所需要的 能量。因此，沥青材料很容易受到紫外光的光老化作用，引起成分和化学结构 变化，造成路用性能变坏【6 j 。 沥青的紫外老化是在紫外线作用下，沥青中活性基团与空气中氧反应的结 果，符合自由基链反应历程。氧化的产物主要为羰基与亚砜官能团，深度老化 可能生成少量羧酸与酸酐官能团。分子间因极性官能团的缩聚与缔合作用，使 得沥青老化后平均分子量增加，分子量分布也发生明显变化。从物理性能上分 析，老化后沥青粘度增大，软化点升高，延度与针入度下降p 港j 。 虽然紫外线射入沥青的深度只能达到0 1 m m 的数量级，即使老化后，沥青 分子会向内扩散，紫外线对沥青老化的影响也只能发生在沥青表层l m m 处，但 沥青路面存在空隙，强紫外线对沥青面层的影响可达到1 个最大粒径的范围， 即l c m 左右。在紫外线强烈的西部地区，由于路线长、经济相对落后，沥青面 层相对较薄，紫外线老化对沥青路面结构层的影响可以到达整个沥青面层的 2 0 2 5 。经过紫外线老化后，沥青表层产生脆性，使冬季低温劲度大大增加， 破坏应变变小，极其容易出现温缩裂缝，使路面开裂；其次由于延度降低，易 导致路面产生龟裂；最后，沥青和集料的粘附性变差，沥青从集料表面脱落， 产生坑槽，使雨水渗入路面结构内部，导致路面状况更加恶化，影响沥青路面 的使用性能例。 1 1 2 沥青老化试验方法与性能评价 1 1 2 1 沥青老化试验方法 目前对沥青的模拟老化研究主要为短期热氧老化、长期热氧老化和光氧老 化三种方式【l o l 。 ( 1 ) 短期热氧老化 目前，主要形成规范的沥青短期老化评价方法为薄膜加热试验( t f o t ) 和 旋转薄膜加热试验( r t f o t ) 。 3 武汉理工大学硕士论文 t f o t 试验最早被指定为沥青短期老化的标准试验方法，但t f o t 的主要缺 点是膜太厚，又无法搅动，蒸发和老化只能发生在表层。1 9 6 3 年，用旋转薄膜 加热试验来代替3 2 m m 的薄膜加热试验，因为旋转玻璃瓶中的沥青膜厚更接近 混合料中沥青膜的厚度，迄今为止，r t f o t 是t f o t 最好的改进方法，能更好 地模拟沥青膜的短期热氧老化。 2 0 0 2 年l u 等t l l 】采用动态剪切流变仪、红外光谱和凝胶色谱分析方法对7 种基质沥青进行t f o t 与r t f o t 老化性能的对比试验，研究表明沥青在老化过 程中，化学和流变性能变化不一致，沥青的老化敏感性因不同的表征指标而异， 但各项指标都表明t f o t 与r t f o t 之间存在强烈的相关性。 ( 2 ) 长期热氧老化 沥青在路面服役期间的老化，是一个缓慢而长期的过程，由于环境因素的 复杂性，许多年来人们都进行了大量模拟实验研究，室内模拟老化是应用最广 泛的预测沥青胶结料的老化方法【1 2 】。 美国战略公路研究计划( s h r p ) 经过5 年研究提出新的胶结料评价试验方 法和相应的规范，即 s u p e r p a v e 沥青胶结料规范。该规范中首次提出应用压 力老化试验( p a v ) 作为长期老化试验的标准试验方法。经过p a v 试验的沥青 残留物，与从使用5 年的沥青路面表层0 2 5 m m 回收沥青的针入度、四组分和 动态剪切流变仪的复合模量等数值一致，即p a v 试验队沥青老化的影响相当于 使用路面表层沥青老化5 年的情况。 s h r p 计划也采用不同的方法研究了沥青混合料的短期老化和长期老化性 能。沥青混合料短期老化( s t o a ) 试验条件是将沥青混合料松散料置于1 3 5 强制通风环境下老化4 h ；沥青混合料长期老化( o a ) 试验是将经过s t o a 老化的沥青混合料成型后，在强制通风条件下，8 5 老化5 天。s h r p 研究认 为，经l t o a 老化的沥青混合料的老化程度相当于在野外湿冷环境下老化1 5 年，干冷条件下老化7 年【1 3 1 。 虞将苗等【1 4 】利用针入度、布氏旋转粘度等测试手段，对s h r p 沥青混合料 s t o a 、l t o a 模拟老化实验方法和s h r p 沥青胶结料r t f o t 和p a v 模拟老化 实验方法进行对比，研究表明s t o a 老化程度比r t f o t 老化程度严重一些， 而l t o a 老化与p a v 老化两者老化程度基本相近。 ( 3 ) 光氧老化 关于沥青的光氧老化，虽然深入研究了利用碳弧灯、氙灯、紫外光等各种 光源进行室内加速老化实验，但还没有标准的试验方法和实验设备。尽管沥青 4 武汉理工大学硕士论文 在路面服役过程中老化环境因素复杂，但国内外的研究工作者一直迫切希望能 找到更为合适的沥青紫外老化模拟试验方法，用于模拟沥青路面在使用过程中 实际发生的紫外老化，研究沥青的抗紫外老化特性【l 孓博】。 m o n t e p a r a 等【1 9 1 研制了一种紫外老化箱对沥青进行长期老化，每间隔一定时 间取出一组进行软化点、针入度、粘度、红外光谱以及核磁共振测试，发现在 紫外老化过程中，沥青发生了蒸发、氧化和聚合反应。b o c c i 等【2 u j 研究发现沥 青经t f o t 老化之后再p a v 进行老化与沥青的光氧老化效果不同，这说明沥青 的光氧老化技术不可能由热氧老化技术来取代，尤其是对u v 老化敏感的沥青， 因此需要将光氧老化技术与热氧老化技术结合起来，才能较好的模拟沥青的长 期野外老化。叶奋等【2 l 】通过对青藏高原日光辐射强度和波段区间分布的调研， 利用室内强紫外线老化环境箱对沥青材料进行室内外紫外线老化模拟对比分 析，建立了沥青紫外线老化仿真系统。这对于西部受强日光紫外线辐射地区研 究道路沥青光氧化老化提供了一种切实可行的方法。郑南翔等瞄j 建立了预测沥 青因紫外老化引起的性能衰减规律以及老化速率的非线性方程，并通过对9 0 # 沥青紫外老化模拟实验验证了预测方程的可靠性。研究结果表明，沥青针入度、 粘度、延度的老化速率在开始时刻最大，后期随老化时间的延长而逐渐变小， 最后达到平衡。 1 1 2 2 沥青老化性能评价 沥青老化后，化学组成与结构、物理性能和流变性能等都发生了不同程度 的改变，可以通过不同的测试手段对其进行分析研究。 沥青主要由沥青质、胶质、芳香分和饱和分四部分组成。沥青质是沥青胶 体体系的核心，平均相对分子量较大，是高度缩合的芳香烃，分子间具有缔合 作用，形成更大的分子团，表现出胶体溶液的性质。沥青质分散在沥青其他组 分中，形成稳定的胶体体系。胶质的化学组成和性质更接近沥青质，其化学性 质很不稳定，易产生氧化、磺化和缩合等反应，从而转化成沥青质。胶质能赋 予沥青良好的塑性和粘附性，改善沥青的脆性，提高延度，对于道路沥青而言， 胶质含量较多，沥青延度改善明显。芳香分和饱和分统称为沥青中的油分，主 要作为溶剂起到柔软与润滑的作用【l 6 】。在高温作用下，沥青中的轻质组分如芳 香分和饱和分易发生挥发，并在热、氧、阳光和水等外部因素作用下，沥青发 生氧化、分解和聚合等化学变化，沥青的化学组分会发生一系列变化【2 2 锄】。 戴跃玲等【2 7 】通过对沥青老化后化学组成和使用性能的研究认为，沥青在老 5 武汉理工大学硕士论文 化过程中，饱和分几乎不换，芳香分和胶质减少，沥青质显著增加，主要变化 的组分是胶质和沥青质。s i d d i q u i 等【2 8 】对老化过程中沥青的化学反应类型和分 子量变化进行分析，认为老化过程中沥青发生了分子异构，内部交联和脱氢等 化学反应，分子量大小和分布发生显著重排。国内已有大量研究表明，低温短 期老化后，沥青质量增加，平均分子量增加；高温老化后，沥青质量减少，平 均分子量显著增加，沥青中胶质向沥青质转化 2 9 a o 。老化前后沥青化学结构和 官能团也发生了显著变化，老化后沥青中羰基和亚砜基有明显增加。l a m i n t a g n e 等【3 l 】对r t f o t 和p a v 老化前后的沥青进行了傅里叶红外光谱( f t i r ) 和组分 分析等测试分析，发现老化过程中亚砜基和羰基含量明显增加，且p a v 老化比 r t f o t 老化更严重。 利用不同的化学分析方法，探讨沥青老化后化学性能变化。常用的分析方 法有：利用x 射线衍射法( ) a m ) 可对老化前后的沥青分子晶体结构参数进行 测试分析；利用扫描电镜( s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 和荧光显微镜( f m ) 研究沥青及改性沥青的微观形态结构；通过傅里叶红外光谱( f t i r ) 分析沥青 老化前后分子中羰基官能团、亚砜基官能团的吸收峰变化，研究沥青的老化程 度和老化速度；由凝胶色谱仪( 肿g p c ) 与核磁共振( n m r ) 波谱图相结合 的方法分析沥青老化过程中的化学结构和分子量变化，研究沥青在老化过程中 发生的分子异构化、内部交联及脱氢等化学反应；采用薄层色谱火焰离子检测 技术( t l c f i d ) 对老化过程中沥青化学组成的变化进行分析。 随着沥青化学组成和微观结构的改变，沥青的物理性能也会发生相对的变 化【捌。经过老化实验后，沥青稠度增加，粘度也变大。所以国际上有不少国家 采用老化前后的沥青粘度比最为沥青的抗老化指标。延度是评价沥青柔性的重 要指标，从延度变化来看，经过老化，沥青的延度减小。2 5 针入度比常用作 评价沥青老化性能的指标，其值越小表明老化越严重。莫一魁等【3 3 】利用压力老 化仪对高等级道路沥青进行不同时间的老化，发现伴随着老化过程延长，沥青 软化点上升，粘度增大，针入度下降，延度下降，并认为其中粘度最具有重要 试验价值，最可能成为评价沥青老化程度的指标。成志辉 3 4 1 从老化后的沥青混 合料中回收沥青，通过2 5 残留针入度比，6 0 残留粘度比来评估沥青混合料 老化程度，并采用劈裂实验堆老化沥青混合料的破坏劲度模量进行测定，发现 破坏劲度模量和老化程度之间有很好的线性相关性。 借鉴s h r p 指标来考察沥青由于老化而引起的流变性能的改变：用动态剪 切流变仪( d s r ) 来测试沥青老化后复数剪切模量( g ) 和相位角( 6 ) 发生 6 武汉理工大学硕士论文 的变化，从动态响应和粘弹性的角度来评价沥青的老化程度。沥青的老化对其 低温抗裂性能影响很到，用弯曲梁流变仪( b b r ) 测定沥青的弯曲蠕变劲度， 劲度s 值越大，低温抗开裂性能越好，m 值表征蠕变劲度随时间变化的速率， 1 1 1 值越大，说明对温度应力的消散能力越好。作为b b r 的补充，沥青结合料直 接拉伸试验仪( d t t ) 对不同老化程度的沥青进行不同低温下的直接拉伸试验， 得到不同老化程度沥青的抗拉强度，作为评价沥青老化性能的指标。 1 1 3 沥青抗老化研究现状 沥青老化后性能的劣化直接影响沥青路面的使用寿命，是影响沥青路面耐 久性的重要因素。提高沥青的抗老化性能，对提高沥青路面的耐久性具有现实 意义。采用防老剂对沥青进行改性是改善沥青抗老化性能的有效措施之一，目 前，主要的防老剂的种类有聚合物类、无机纳米粒子类、有机抗氧剂类。 聚合物改性沥青可以改善沥青的