（材料学专业论文）沥青及沥青混凝土光氧老化性能研究.pdf

摘要 公路交通是国民经济和社会发展的命脉。截至2 0 0 8 年底，我国高等级公路 通车里程超过6 0 3 万公里，逐步形成东部加密、中部成网、西部连通的交通体系。 高速公路服役期间，对沥青路面性能的要求越来越高；然而沥青的老化、挥发 物的衰减、自然硬化及渗流必将导致路面使用性能的下降；其中太阳光、氧气 是诱发沥青老化及沥青路面性能下降的主要因素。本文研究光氧因素对沥青及 沥青混凝土性能的影响，探讨沥青及沥青混凝土在光氧老化作用下沥青化学组 分及其结构性能的演变规律。 本文对以往研究成果总结的基础上，选取基质沥青a h 7 0 和s b s 改性沥青 p g 7 6 2 2 为研究对象，运用布氏粘度仪、四组分分析、傅立叶红外光谱分析仪、 原子力显微镜及动态剪切流变仪等检测分析手段，研究沥青在光氧老化作用下 的路用性能、化学组分、化学结构及流变性能的室内外老化演变规律。研究发 现：室内外老化性能演变趋于一致；光氧老化使沥青路用性能的粘度增加、温 度敏感性降低、高温性能增强；光氧老化使沥青的轻质组分减少，胶质、沥青 质增多，同时羰基和亚砜基指数显著增加，形成较多的分子量相对较大的沥青 质：s b s 改性沥青p g 7 6 2 2 中，c = c 峰值含量减少，表明改性剂降解；光氧作用 增大了沥青复合剪切模量g 4 和相位角6 减小，使沥青弹性增强；同时发现，沥青 老化与沥青膜厚成反比、老化时间、光强度成正比。 本文选用s b s 改性沥青p g 7 6 2 2 合成a c 1 3 及s m a 1 3 级配沥青混凝土进行 沥青混凝土光氧老化性能研究，采用低温三点弯曲实验和四点弯曲疲劳试验检 测沥青混凝土老化过程中的性能变化；研究表明：低温弯曲强度随老化程度减 小，老化程度越高，其减小的变化趋势越快；室内外老化条件下弯曲劲度模量 与老化时间之间呈现近似相同的变化趋势；通过计算小梁试件的弯拉断裂能判 定在短期老化及路面老化1 2 个月附近，沥青混凝土a c 1 3 和s m a 1 3 具有最大的 弯曲应变能；运用现象学法和耗散能疲劳理论，对比研究两种级配结构的抗老 化、抗疲劳特性，发现s m a 1 3 的抗老化及抗疲劳特性均优于a c 1 3 级配结构； 材料的累积耗散能均与疲劳寿命成正比；材料老化时间越长，应变越大，其疲 劳寿命越短。 关键词：沥青；沥青混凝土；光氧老化；化学组分；结构性能； a b s t r a c t r o a dt r a n s p o r t a t i o ni st h el i f e l i n eo fn a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i a ld e v e l o p m e n t u pt ot h ee n do f2 0 0 8 ，o v e r6 0 3t h o u s a n dk i l o m e t e r sh i g h g r a d eh i g h w a yp a v e m e n t i nc h i n ah a sb e e no p e n e dt ot r a f f i c ，w h i c hh a sg r a d u a l l yf o r m e dat r a f f i cs y s t e mo f “e n c r y p t i o ni n t oan e t w o r ko ft h ee a s t e r np a r to fw e s tc e n l r mc o n n e c t i v i t y t h e d e m a n df o rah i g hs t a n d a r dp a v e m e n tp e r f o r m a n c ed u r i n gt h es e r v i c ep e r i o do f h i g h w a yp a v e m e n t i s i n c r e a s i n g m e a n w h i l e ，t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e i s a p p a r e n t l yd e t e r i o r a t i n gw i t ha s p h a l t 姆n g ，v o l a t i l ea t t e n u a t i o n ，n a t u r a lh a r d e n i n g a n da s p h a l tf l o w a m o n gt h e m ，s u n l i g h ta n do x y g e na r et h em a i nr e a s o n sf o rt h e d e g r a d a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n tp e r f o r m a n c e t h i sp a p e re x p l o r e dt h ei n f l u e n c eo f u ve l e m e n t so na s p h a l tp r o p e r t y , a sw e l la st h ec h a n g i n gr u l e so fc h e m i c a l c o m p o n e n t sa n dc o n s t r u c t i o no fa s p h a l to ra s p h a l tc o n c r e t eu n d e rt h ec o n d i t i o no f u va g i n g b a s e do nt h ec o n c l u s i o no fp r e v i o u sr e s e a r c h ，c h o o s i n gb a s e da s p h a l ta h 7 0 a n ds b sm o d i f i e dp g 7 6 2 2a so b j e c t s ，t h ep a p e re x a m i n e dt h ei n d o o ra n do u t d o o r a g i n g o fr o a dp e r f o r m a n c e ， c h e m i c a l c o m p o s i t i o n ， c h e m i c a ls t r u c t u r ea n d r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s w i t h a n a l y z i n g m e t h o d so fb r o o k f i e l d v i s c o s i t y , f o u r - c o m p o n e n ta n a l y s i s ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) ，a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y ( a f m ) a n dd y n a m i cs h e a rr h e o m e t e r ( d s r ) ，e t c t h ef i n d i n g sa r ea s f o l l o w s ：t h er u l e so fi n d o o ra n do u t d o o ra g i n ga r ea l m o s tt h es a m e ；o x y g e na g i n g m a k e st h ev i s c o s i t yo fa s p h a l tr o a dp e r f o r m a n c ei n c r e s e da n dt e m p e r a t u r es e n s i b i l i t y d e c r e a s e d ，t h el i g h tc o m p o n e n t si na s p h a l td e c r e a s e da n dc o l l o i d ，a s p h a l t e n e i n c r e a s e d ；a tt h es a m et i m e ，t h ei n d e xo fc a r b o n y l a n ds u l f o x i d e - b a s ea s c e n d e d r e m a r k a b l y , l e a d st ot h ef o r m a t i o no fm o r ea s p h a l t e n ew i t hc o m p a r a t i v e l yb i g g e r m o l e c u l a rw e i g h t ；i nm o d i f i e da s p h a l tp g 7 6 - 2 2 ，t h ec o n t e n to fb u t a d i e n ef u n c t i o n a l g r o u ph a s r e d u c e dw i t ht h ed e c o m p o s i t i o no fs b sm o d i f i e d ；t h eu va c t i o n c o n t r i b u t e st ot h ei n c r e m e n to fa s p h a l tc o m p l e xm o d u l u sg 木a n dt h er e d u c eo fp h a s e a n g l e6a n dm a k e sa s p h a l ts t i f f e r ；a s p h a l ta g i n g r i s e sp r o p o r t i o n a t e l yt ot h ea s p h a l t t h i c k n e s s ，a g i n gt i m ea n da g i n gi n t e n s i t y t h ep a p e ri n s p e c t e dt h ep r o p e r t yc h a n g e sd u r i n gt h ea g i n gp r o c e s sb yl o w t e m p e r a t u r et h r e e p o i n tb e n d i n g t e s ta n df o u r - p o i n tb e n d i n gf a t i g u et e s t ，w i ms b s m o d i f i e da s p h a l tp g 7 6 - 2 2 ，c o m p o u n da c - 1 3a n ds m a 一1 3g r a d a t i o na s p h a l t c o n c r e t ea sm a t e r i a l s b yc o n c l u s i o n , w ef i n dt h a tt h eb e n d i n gi n t e n s i t yr o s ea tf i r s t a n dt h e nf e l lw i mt h er e i n f o r c e m e n to fa g i n ge x t e n d t h eh i g h e rt h ea g i n gd e g r e ei s ， t h ef a s t e rt h ef a l l i n go fb e n d i n gi n t e n s i t y t h eb e n d i n gs t i f f n e s sm o d u l u so fi n d o o r a g i n ge x h i b i t san e a r l ys a m ev a r i a t i o nl a w 、析也a g i n gt i m e b yc a c u l a t i n gt h e b e n d i n gf r a c t u r ee n e r g yo fs p e c i m e n s ，a s p h a l ti sp r o v e dt oh a v et h eb i g g e s tb e n d i n g s t r a i ne n e r g yi ns h o r tt i m ea g i n go ra r o u n d12m o n t h ss e r v i c e w ea l s of i n dt h a tt h e a n t i - a g i n ga n da n t i - f a t i g u ep r o p e r t i e so fs m a - - 13a r es u p e r i o rt oa c 13g r a d a t i o n c o n s t r u c t i o nb yac o m p a r i n gr e s e a r c hb a s e do np h e n o m e n o l o g ya n dd i s s i p a t i v e e n e r g yf a t i g u et h e o r i e s t 1 1 ec u m u l a t i v ed i s s i p a t e de n e r g yo f m a t e r i a l sv a r i e sd i r e c t l y w i t hf a t i g u el i f e ，w h i l et h el a t t e rb e c o m e ss h o r t e rw i t ht h ei n c r e m e n to fa g i n gt i m e a n ds t r a i n k e y w o r d ：a s p h a l t ；a s p h a l tc o n c r e t e ；u l t r a v i o l e t ( u v ) a g e i n g ； c h e m i c a l c o m p o s i t i o n ；s t i u c t u r ea n dp r o p e r t i e s 独创性声明 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 他入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。 签名屏，1 罚1 每日期：沙。罗j 膨 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研矧：糊晷洲签名印日期研川p 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 背景及意义 第1 章引言 公路交通是国民经济和社会发展的命脉。高速公路作为现代化交通基础设 施，以其流量大、速度快、影响深、辐射广等显著特点，对实现国土均衡开发、 缩小地区差别、构建统一的市场经济体系、提高现代物流效率具有重要作用【l 2 1 。 根据中国交通运输部出台的国家高速公路网规划，截至2 0 0 8 年底，高速公路 通车里程超过6 0 3 万公里，预计到2 0 2 0 年，高速公路通车里程将达至1 l o 万公里。 高速公路建设和养护面临着的资金与资源的难题，为了确保公路建设的质量， 延长使用寿命，科学高效利用资金，必然要对道路性能和设计技术高度重视。 在我国，高速公路和一级公路沥青路面设计寿命为1 5 年，实际上竣工后，短的2 3 年，长的6 - 8 年就需要大面积维修养护，给国家带来巨大的经济负担【3 巧j 。因 此，如何根据交通量和当地的自然气候条件采用适宜的路面设计方法和技术标 准，延长路面的使用寿命，提高公路建设的综合效益，一直是该领域内的难点 问题。 。 沥青及沥青混凝土路面的老化问题越来越引起重视。沥青是一种极为复杂 的高分子聚合物，在贮运、加工、施工时暴露在空气中，发生氧化老化、挥发 物衰减、自然硬化和渗流硬化，造成了沥青性能的改变。沥青在路面服役过程 中，受紫外线辐射、雨水洗礼、温差作用、交通荷载等多重因素的作用下沥青 面层进一步老化、皲裂、导致病害产生，从而降低沥青路面的路用性能和使用 寿命。因此，有必要针对沥青及沥青混凝土光氧老化特性进行深入的研究。 太阳光谱是一种连续光谱，地面太阳辐射光谱能量分布依赖于地理纬度、 季节以及太阳高度角。海拔高度愈高太阳辐射经过大气的路径愈短，空气稀薄 且所含的杂质少，太阳辐射中紫外光含量。通过大气层被部分吸收后到达地球 表面的太阳光谱的构成组分，主要有红外光、可见光、紫外光三部分构成见图 1 1 、1 2 。紫外辐射约占到达地面太阳总辐射的7 左右，对路面影响较大【5 剖。 本文研究太阳辐射对沥青老化作用，我国各地区的地理条件和气候状况不同， 太阳辐射情况也不相同，按接受太阳辐射量的大小，全国大致可分为五类地区， 可见表1 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 表i - 1 中国太阳光辐射分区 图1 一l 太阳光谱组分图1 - 2 五城市年辐射总量 2 0 0 7 年随着国家“五纵七横”公路网的建成后，根据“东部加密、中部成网、 西部连通”的布局思路，在强紫外光辐射地区，如：西藏、青海；大温差地区， 如：内蒙古、东北；高湿度地区，如：广西、云南；广泛应用了沥青混凝土路 面。这些地区环境条件残酷，对沥青和沥青路面的老化作用更加剧烈。因此， 进行沥青和沥青路面的老化性能研究和评价显得尤为重要。目前，科研工作者 对沥青在氧、热等因素作用下的老化形成较为深刻的认识：但对光、氧作用下 沥青及沥青混凝土的老化还缺乏深层次的研究，因此，对实验室沥青光氧老 化试验、实验室沥青混凝光氧老化试验与实际沥青老化及沥青混凝土路面自 然条件下老化过程之间的关系、沥青光氧老化机理、沥青微观组成结构演变与 宏观路用性能变化等方面进行深入探讨。从沥青微观着手，揭示光氧老化作用 因素及沥青混凝土宏观路用性能影响的原冈，为沥青路面设计建设及养护提供 科学理论依据。 甑涟丽洲咖咖咖咖呻帅皿e，_h日dn_hl_i o 0 0 0 0 0 u 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外沥青胶结料老化研究 从十九世纪开始沥青作为主要道路材料至今，科研工作者不断提高沥青路 面的使用寿命。针对沥青材料的易老化问题，二十世纪五十年代后期引起高度 重视，美国、加拿大、日本、欧洲等地区的学者对沥青胶结料的老化问题进行 了大量研究。 最早由a w d o w 提出了导致沥青老化的原因，1 9 0 3 年他发表文章认为， 沥青混合料中的沥青由于加热使得质量恶化和针入度减小【7 】；w r i g h t 8 】等通过傅 立叶红外光谱( f t - i r ) 光谱进行沥青氧化动力学研究；而p e t c r s o n 等【9 】采用沥 青6 0 动力粘度的变化来研究沥青老化，研究了沥青在长期老化过程中物理化 学变化。c h a r r i e - d u h a u t 等【1 0 】研究了轻组分挥发、雨水冲洗以及氧化对沥青性能 的影响，并进行了g c m s ( 气相色谱质谱联用仪) 分析，结果表明：水洗、挥 发导致1 5 个碳原子以下小分子物质的减少；氧化反应主要生成了酮、羧酸和亚 砜等。y o n g h o n gr u a i l 【1 1 。1 2 】等研究了长期热氧老化对沥青流变性能的影响。在 1 9 8 7 1 9 9 3 年间，美国s h r p ( 战略性公路研究计划) 沥青项目的研究者以 s u p e r p a v e 作为s h r p 沥青项目的最终产品，集成了基于沥青性能的沥青规范、 试验方法、试验标准和混合料设计系统。国内对沥青老化性能的研究还是比较 多的，早在1 9 8 7 年亓玉柱等【1 3 】人认为沥青在老化过程中，各组分间的变化属于 顺序连串反应，即芳香酚向胶质转变，胶质向沥青质转变，沥青质向甲苯不溶 物转变，但他们的研究只是定性分析，未对各组分间的转变进行定量研究；1 9 9 3 年亓玉柱，王明刚等【l3 m 】研究了石油沥青在连续的热和空气老化中化学族组成 的变化，并建立了沥青老化的连串反应模型，求得了有关的动力学参数，并对 几种沥青进行老化性能评价；周安娜，朱静等【l5 】通过薄膜烘箱老化，对沥青进 行不同温度，不同时间的老化，并测定了所得老化沥青分子量及分子量分布的 变化。他们的研究表明，沥青在老化过程中平均分子量与分散度显著增加；戴 跃玲等【1 6 】通过薄膜烘箱实验，研究了沥青老化后组成与使用性能间的关系；闫 锋等【1 7 】对沥青进行不同温度下的薄膜烘箱老化，并根据老化过程中，正戊烷沥 青质的变化规律。水恒福等【18 】通过h - n m r 结合f t - i r 对沥青老化进行了探究。 迄今为止，国内外的研究一般都是利用薄膜烘箱老化，模拟沥青在拌和与 铺筑过程中高温和氧对沥青的老化作用，研究沥青短期的热氧老化过程中组分、 性能等的变化。压力老化( p a v ) 主要考虑到了动态车载、氧、热对沥青性能 武汉理工大学硕士学位论文 的影响。对于光、氧联合作用对沥青组分及性能影响的研究较少。沥青主要含 有c h 、c c 、c = c 键【6 1 9 】，由表1 2 及表1 3 可知，紫外光是一种比可见 光波长短的电磁波，对高分子价键具有强烈的破坏作用。在2 0 0 n m - - 4 0 0n l l l 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，沥青路面在实际使用过程中紫外线对沥青性能的影响是不可忽视的，尤其 是在强紫外光的地方。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，降低路表的性能，引发病害。 表1 - 2 不同波段光的能量值 1 3 国内外沥青混凝土老化研究 科研工作者也针对沥青混凝土服役期间的性能进行了大量研究。美国 s h r p 项目关于沥青混合料短期老化( s t o a ) 的评价方法采用烘箱老化试验研究 成果，它是基于1 9 8 8 年v o nq u i n t a s 2 0 】的试验发展而来，试验是将沥青混合料 松散料置于1 3 5 强制通风环境下老化4 h ( a a s h t op p 2 ) 。s h r p 研究成果中 沥青混合料长期老化( l t o a ) 的评价方法采用长期烘箱老化试验，由h a r r i g a n t z l j 提出，试验是将经过s t o a 老化的沥青混合料成形后，在强制通风条件下，8 5 老化5 天( a a s h t op p 21 9 9 5 年) 。s h r p 研究认为，经l t o a 老化的沥青混 合料老化程度相当于在野外湿冷环境下老化15 年左右，干冷条件下老化7 年左 右。k o r s g a a r d 2 2 】借助沥青的长期老化试验方法p a v 进行了沥青混合料长期老化 试验。h v e e m 2 3 】利用红外光对沥青混合料进行老化试验，试验结果表明，经1 0 0 0 h 老化后沥青混合料老化程度相当于沥青路面野外5 年的老化状况。k e m p 和 p r o d o e h l t 2 4 】研究认为：紫外光老化只引起沥青膜中5 10 a m 厚的表层发生硬化。 t i a 2 5 】提出采用强制热空气对流老化箱进行沥青混合料热氧老化与紫外光老化 4 武汉理工大学硕士学位论文 相结合的方法模拟沥青混合料在使用过程中的长期老化。t i a 还认为，虽然老化 只是发生在沥青混合料表面，但紫外光老化是沥青混合料老化的主要原因。 与此同时，国内科研工作者对沥青混合料的老化性能也进行了进行大量研 究。虞将苗等【2 6 】认为l t o a 老化与p a v 老化两者的老化程度基本相近，而s t o a 老化程度则要比r t f o 老化程度严重一些。成志辉【2 7 】发现沥青混凝土的破坏劲 度模量和老化程度之间有很好的线性相关性，回归效果显著。郝培文开展了“沥 青混合料抗老化性能的研究”，进行了沥青混合料老化前后的低温蠕变试验、沥 青混合料老化前后的疲劳试验【2 7 0 0 1 。研究人员利用沥青混合料性能评价方法， 如回弹模量、间接抗拉强度、蠕变试验以及动力模量试验等对沥青混合料老化 性能进行评估。我国2 0 0 5 年执行的公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 也将烘箱老化试验作为沥青混合料老化的评价方法【3 1 1 。 老化可以引起道路沥青流变性能、路用性能、化学组成结构、级配结构等 方面发生不同程度的变化。对于沥青的热氧老化研究，国内外已经进行了大量 的工作，许多研究成果已转变成标准规范，在实际工程中得到了广泛的应用。 对于沥青在路面使用过程中的太阳光老化研究，多年以来国内外一些研究者也 进行很多相关的科研工作。由于环境、试验等差异较大，试验结果不理想，虽 已有一些成果报道，但是这些研究一直停留在科学研究的阶段，在实际工程使 用中存在许多问题，目前尚无可真正用于指导工程实际的标准及规范。 1 4 研究内容与研究路线 本课题应用化学分析技术、流变学方法、表面微观机构、力学原理、沥青 路用性能评价方法和室内外对比方法研究沥青及沥青混凝土的光氧老化过程。 通过对光氧老化试验影响因素的探讨，研究s b s 改性沥青化学组成、微观结构 形态和流变特性及路用性能老化的变化规律，分析化学组成、微观结构、沥青 流变特性对沥青混凝土路用性能的关系。研究光、氧条件下沥青对沥青混凝土 性能演变中的作用，并通过研究国内几种常用的路面面层结构，分析不同结构 对沥青混凝土光老化条件下的影响。探索沥青及沥青混凝土在光氧老化条件下 结构性能演变规律，为光氧老化模拟试验系统的建立提供前期准备，为评价和 预测沥青及沥青混凝土抗光氧老化性能提供科学依据。 武汉理工大学硕士学位论文 本课题研究的技术路线： ( 1 ) 研究沥青光氧老化过程中，沥青性能的变化规律。分析沥青化学组成、 微观结构形态的变化对沥青流变特性及路用性能的影响，评价光氧老化作用对 沥青路用性能的影响，探索光氧作用对沥青老化深层次原因。 ( 2 ) 研究光氧老化模拟试验中光辐射强度、温度、沥青膜厚、老化时间等 因素对沥青老化性能的影响。对光氧老化试验、p a v 试验与自然老化试验结果 进行分析，为评价和预测沥青的抗紫外光老化能力和高紫外光辐射地区沥青路 面的配合比设计提供理论依据和技术支持。 ( 3 ) 对两种不同结构的沥青混凝土进行热氧老化与自然老化试验，通过低温 性能测试试验、力学性能试验和疲劳性能试验，研究两种老化模式下不同结构 混凝土性能变化规律，对比两种老化方式对路面结构的影响，探索不同结构的 老化规律及预测路面服役寿命，研究不同结构沥青路面在光氧作用下老化规律 的演变和抵抗老化能力的差异，为西部高辐射地区修建高等级公路提供有益的 理论支持。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 原材料 2 1 1 沥青 第2 章原材料与试验方法 沥青作为一种交结料是沥青混凝土的一个重要组成部分，是混凝土粘性和 弹性的主要贡献者，对路用性能有重大影响。目前我国高等级公路修建沥青混 凝土路面的中、上面层广泛采用改性沥青。 本课题研究中选用的基质沥青为道路a h 7 0 ，其性能指标见表2 1 ；改性沥青 为s b s 改性沥青p g 7 6 2 2 ，其性能指标见表2 2 。基质沥青和改性沥青均由湖北省 鄂州科氏沥青产品有限公司生产提供。研究过程中严格按照公路工程沥青及 沥青混合料试验规程存储、取样及试验【3 2 】。 表2 1基质沥青a h 7 0 沥青性能指标 武汉理工大学硕士学位论文 针入度，2 5 c ，5 s ，1 0 0 9 针入度指数，p i 延度，5 c m m i n ，5 软化点( 环球法) 离析试验，4 8 d 时软化点差 旋转粘度，1 3 5 4 0 - 6 0t 0 6 i m oa s t m p 2 2 6 2 0t 0 6 0 5 7 5t 0 6 0 6 2 5t 0 6 6 1 3t 0 6 2 5 弹性恢复，2 5 。c ，1 0 c m ，6 0 r a i n 9 7 8 0t 0 6 6 2 2 1 2 集料 本课题所选用的集料均为湖北省京山三阳石料厂加工生产，粗集料为玄武 岩和石灰岩，细集料为石灰岩；矿粉为湖北省荆门市五里镇石灰岩矿粉，主要 的化学成分为：c a o5 1 5 ，s i 0 2 2 1 7 6 ，聚酯纤维由湖北省武汉市天辉纤维有 限公司提供，各种集料性能指标参照【3 3 1 相关规程要求进行检测，其性能指标要 求及具体性能指标如表2 3 2 6 所示。 表2 - 3 细集料物理性能指标 视密度( g c m 3 ) 坚同性( 0 3 m m ，) 砂当量( ) 2 7 4 5 0 2 9 9 3 5 2 5 1 2 6 0 5 3 4 4 忍 5 n 3 8 n z 戚 m c c ：3 翩 锄 h o 武汉理工大学硕士学位论文 表2 。5 矿粉物理性能指标 视密度( g c m 3 ) 含水量( ) 2 8 3 o 3 2 5 1 0 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 试验方法 2 2 1 沥青老化试验仪器 ( 1 ) 旋转薄膜烘箱 使用温度：1 6 3 士0 5 1 2 ； 控温精度：士o 5 ； 风扇转速：1 7 2 5 r m i n ； 转盘转速：1 5 r m i n a ：0 2r m i n ； 空气流量计的流量可控制在4 0 0 0 m l m i n + 2 0 0 m l m i n 。在全部装好沥青 试样后，操作温度控制器，使试样在1 0 m i n 之内达到试验所需温度。 ( 2 ) 压力老化仪 压力：2 1 m p a ； 控制压力精度：士0 0 5m p a ； 温度：可自动调节( 典型温度为9 0 0 c 、1 0 0 o c 、1 1 0 0 ) ； 控温精度：士0 2 。 ( 3 ) 加速光氧老化试验 光源：g h f l 2 5 w - 0 3 型反射型黑光高压汞灯，能透过外壳的只有单纯 的狭窄的线光谱3 6 5 n m 紫外光。 温度：研究要求创造与室外自然光氧老化环境相接近温度，配备强制 冷装置，紫外光老化温度设定为6 0 ，模拟路面实际温度。 辐照度及温度计量： 辐照度的测量采用u v - a 型紫外辐照计。w a 型紫外辐照计，由北京 师范大学光电仪器厂生产。波长范围及峰值波长： a u v 3 6 5 探头九：3 2 0 n m - - 一4 0 0 n m ；砷：3 6 5 n m ； b u v 4 2 0 探头九：3 7 5 n m 4 7 5 n m ；x p ：4 2 0 n m ； 辐照度测量范围：o 1 i t w c r n 2 1 9 9 9 1 0 5 l 上w c m 2 ；余弦特征：符合国家 二级光照度计标准； 沥青表面黑体温度测量采用m t 一4 型红外线温度计。红外线温度计选用美 国r a y t e k 公司生产的m t 一4 型红外线温度计。 1 0 武汉理_ 大学硕士学位论文 图2 1 旋转薄膜烘箱图2 - 2 压力老化仪图2 3 加速光氧老化试验仪 2 2 2 沥青混凝土试验仪器 ( 1 1c x - 7 型车辙试样轮碾成型机： 碾压轮半径：5 0 0 m m ，宽：3 0 0 m r m 控温精度：士2 ： 碾压轮温度范围：可设定；承载车行走速度：6 次往返分： 承载车行走距离：1 5 0r r a n ： 碾压轮线压力：3 0 0 n c m ： 试模尺寸：4 0 0 x 3 0 0 x 6 0r a m 。 ( 2 ) 美国t r o x l e = r4 1 4 0 - b 型沥青旋转压实仪 单板机操作板控制，液压加载；压实压力：2 0 0 - 1 0 0 0 k p a ( 可调节) 旋转角度：o5 2 0 a ：00 2 0 ( 可调节) 旋转速度：3 0 0 5 转m i n ，同定： 旋转次数：1 9 9 9 次，可调； 模简直径：1 0 0 m m l5 0 m m ，可调； 自动采集数据打印输出结果。 * 1 曩。 图2 - 4 车辙试样轮碾成型图2 - 5沥青旋转压实仪 翊j i爵k隆。i!j 武汉理_ r = 大学硕士学位论文 2 3 测试方法 2 _ 3 1 流变学性能测试 r 1 ) 布氏粘度计 沥青胶结料的粘度进行测试为美国b r o o k f i e l de a g i n e e n n g 公司生产的 b r o o k f i e l d 枯度计( m o d e ld v 一+ ) 。 粘度计输入电压为2 2 0 伏、频率5 0 h z 、工作温度1 0 0 3 0 0 、粘度测 量精度为lo 、重复性士o 2 、温度测量精度：1 0 0 。c + 1 4 9 c 之间为ol ； + 1 5 0 + 3 0 0 之间为01 。 ( 2 1 动态剪切流变仪 选用德国a n t o n p a a r 公司生产的m c r - - 1 0 1 型动态剪切流变仪，m c r 一1 0 1 型动态剪切流变仪的主要技术参数如下： 最小扭矩：05 1 l n m ：最大扭矩：1 2 5 m n m ； 扭矩精确度：00 0 2 9 n m ； 最大扭矩变化速度：1 5 0 0 n m s ； 使用温度：- 2 0 c 7 0 。c ； 上盖调温范围：- 2 0 c 1 2 0 ：下转子调温范围：- 2 0 1 2 0 。 图2 - 6 稚氏粘度计图2 7 动态剪切流变仪 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 微观化学结构测试 ( 1 ) 红外光谱仪 组分结构分析选取美国t h e r m on i c o l e t 公司生产的傅立叶变换红外光谱仪 对不同老化条件下的沥青进行化学结构分析。该仪器配有o m l i c6 2 软件；扫 描数6 4 ，最小分辨率为0 0 19 e r a 一；将沥青溶剂涂于溴化钾片上，利用1 9 c m 。1 的步进速度对样品进行从4 0 0 0c l t i d 到4 0 0c r i l 1 的扫描。 ( 2 ) 原子力显微镜 原子力显微镜选用美国v e e c o 公司生产的d in a n o s c o p e 原子力显微镜， 该仪器配备有n a n o s c o p e 软件。试验采用高度模式，硅探针扫描，悬臂长1 2 5 t m ， 曲率半径5 n m - - 一1 0 n m ，高度1 5 9 m - - 一2 0 9 m 。驱动频率2 6 0k h z ，驱动振幅5 6 m w 。 2 3 3 沥青混凝土性能测试 ( 1 ) u t m 2 5 伺服液压动态试验系统 澳大利亚i p c 公司生产： p顶部加载，冲程5 01 t i i l l ，内置位移传感器； 最大静荷载2 5k n ，最大动荷载2 0k n ，双向作用伺服液压作动器； 2 5 l ( n 荷载传感器，精度0 1 ，带内嵌式信号调节器； 一体化多轴控制与数据采集系统i m a c s ； 能对u t m 进行实时电脑控制； 通道采集和控制频率：可达到5 k h z ； 可通过软件设置调节噪声滤波水平； 标准波形及任意波形加载，频率范围0 - - 一7 0 h z ； 能根据信号大小，自动调节采集范围： 标准温度控制范围：4 0 - - 6 0 。c 能够完成间接拉伸模量试验、重复荷载永久变形试验、小梁四点弯曲试 验、动态模量及静态模量试验等。 武汉理工大学硕士学位论文 圈2 - 8u t m 一2 5 伺服液压动态试验系统 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章沥青胶结料老化性能测定 根据国内外研究成果表明，沥青路面性能主要取决于沥青胶结料的性能， 其贡献率达到9 0 左右。因为沥青的性能在很大程度上决定了沥青路面的使用 性能，因此光氧老化对沥青性能的影响至关重要，特别是自然光中的紫外光老 化。本章主要在路用性能、化学组分、微观结构、流变性能等方面研究光、氧 对沥青胶结料的作用，探求沥青光氧老化过程，分析老化机理；同时通过比较 不同试验测试方法对沥青在光、氧、热等因素作用下老化原理进行深层次探索。 3 1 沥青老化试验设计 湖北地区地处中纬地带，年太阳总辐射量在3 6 4 k j c m 2 - - - - 4 8 5 k j c r n 2 范围内， 属接受太阳紫外光辐射强度的四类地区。太阳光月辐射总量变化呈单峰型，以 1 2 月为最小，从1 月开始逐月增大，至7 月、8 月达最大；以后又逐月减小， 下降速率比春季上升速率为快；图3 1 为2 0 0 7 年湖北地区月辐射量统计。 月份 图3 12 0 0 7 湖北地区月辐射量统计 课题研究中沥青交结料的试验计划： 沥青的短期老化采用旋转薄膜烘箱试验( r 1 下0 t ) ，用以模拟沥青在贮存、 t 1 ，1 1l，上 辐射量 武汉理工大学硕士学位论文 运输、拌和及铺筑过程中的老化。试验根据公路工程沥青及沥青混合料试 验规程进行。 沥青的长期老化采用s h r p 规范推荐的压力老化试验仪( p a v ) 进行，以模 拟沥青在路面服役期间的老化；标准的p a v 老化试验采用2 1 m p a 、1 0 0 、 2 0 h 的条件进行老化试验；试验步骤根据a a s h t op p l 的要求进行。 沥青膜厚为5 0 p , m 、1 0 0 9 m 、2 0 0 1 m a 、5 0 0 1 t m 的试样，试验自2 0 0 6 年8 月初 开始，在室外自然条件下老化。 图3 - 2 沥青试验计划总体流程图 3 2 路用性能研究 3 2 1 常规指标 沥青胶结料材料是一种多分子量分布、多组分结构的复杂混合物。目前我 国用于评价沥青材料路用性能的常规技术指标中针入度、延度、脆点反映了沥 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 青的低温性能；软化点反映了沥青的高温性能；针入度指数可以反应沥青的温 度敏感性；研究中选用两种沥青交结材料进行短期和长期后的老化试验，研究 沥青各老化阶段的路用性能变化。 表3 12 5 时沥青各老化阶段针入度值 从表3 1 中可以看到，r t f o 老化引起基质沥青和s b s 改性沥青针入度值减 小，p a v 老化导致它们的针入度值进一步减小。从表3 1 中还可以发现，基质沥 青在短期和长期老化过程中，针入度降低幅度相差不多；而改性沥青在长期老 化阶段降低幅度远大于短期老化阶段；与此同时，相同老化阶段下基质沥青的 针入度降低幅度远远大于改性沥青的，说明改性沥青的残留针入度比基质沥青 大，认为改性沥青的抗老化能力强于基质沥青；基质沥青在短期和长期老化阶 段针入度减小程度大致相同，分析是沥青在老化过程中不断进行挥发、缩合等 物理化学反应，沥青平均分子量升高，反应过程是持续发生的。而改性沥青针 入度长期老化降低幅度大于短期老化，认为是s b s 在短期老化过程中起抗老化作 用，长期老化过程时，s b s 改性剂失效老化，加之沥青自身组分的老化，导致长 期老化阶段改性沥青针入度值降幅较大。 针入度指数p i 用以描述沥青的温度敏感性，对沥青试样在1 5 、2 5 、3 0 不同温度条件下测得的针入度，进行y = a + b x 一元一次方程的直线回归，求取针 入度温度指数彳胁。： l g p = k + 4 9 姗丁 ( 3 1 ) d r 一2 0 5 0 0 4 9 即 ，、 以胛= 面 2 ) 式中：t 不同试验温度，相应温度下的针入度为p ； k - 回归方程的常数项a ； a i g v - 为回归方程系数b 。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 按照公式3 2 确定沥青的针入度指数p i 并记为p i l g p 。 2 1 5 籁1 丑皿 斗 恻 姜 0 o 5 沥青类别 图3 - 3 沥青的针入度指数p i l e y 对于不同型号的沥青具有不同的针入度指数，根据试验结果计算的各沥青 针入度指数p i 在图3 3 中。由图3 3 可以看出，老化导致基质沥青及s b s 改性沥青 p i 指数增加，其中a h 7 0 的针入度指数由负值逐步演变到正值，s b s 改性沥青的 针入度指数由不n o 5 至长期老化后的1 8 左右，这表明沥青组分中由初始的轻质 组分含量较多、沥青质含量少，到老化后的轻质组分含量较少、沥青质含量多； 表明老化后沥青的温度敏感性明显降低，在相同老化条件下改性沥青的针入度 指数明显大于基质沥青，表明改性沥青具有较小的温度敏感性，亦说明基质沥 青的温度敏感性强于改性沥青，且相关研究表明基质沥青型号越高其温度敏感 性越强。 表3 2 不同老化阶段两种沥青的软化点指标( ) 由表3 2 可知，不同老化阶段使基质沥青a h 7 0 的软化点升高。基质沥青的软 化点指标主要受沥青质含量的影响，其次是胶质、芳香分和饱和分。研