水光耦合老化对橡胶改性沥青性能影响研究.pdf

为研究水光耦合老化对橡胶改性沥青的性能影响，对橡胶改性沥青进行光老化与水光耦合老化，通过常规性能试验、动态剪切流变试验与凝胶渗透色谱法试验，分析了橡胶改性沥青在光老化和水光耦合老化作用下的高低温性能变化，并结合灰色关联分析法，对沥青微观组成和宏观性能关系进行分析。试验结果表明：橡胶改性沥青光老化导致沥青的延度均匀下降，软化点不断增大且后期趋缓。相较于光老化，水光耦合老化作用下的延度和软化点变化趋势相同，但对前期变化更为显著，说明水加速了橡胶改性沥青的前期老化速率。随着试验温度升高，车辙因子呈现指数状降低，且沥青车辙因子的温度敏感性降低。相位角随温度增大而增大，但老化条件对变化规律有影响。随着老化时间延长，光老化的橡胶改性沥青车辙因子、相位角与临界温度均增长，水光老化的变化规律与水老化一致，但变化幅度更为显著。橡胶改性沥青光老化导致沥青分散度 与大分子含量 均逐渐增长，但水光耦合老化的变化幅度更为显著，其中对前期变化影响更为明显。不同老化环境下，与 关联度最高的宏观指标不同，光老化的 与 车辙因子关联度最高，但光热老化的 与临界温度关联度最高。关键词橡胶改性沥青；水光耦合；老化；性能；灰色关联分析 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，；，），第 期谢恩连，等：水光耦合老化对橡胶改性沥青性能影响研究 ，；引言随着我国对基础设施的大力投入，公路建设事业取得了巨大的成就，在 年末，我国公路总里程已达 万 。与水泥混凝土路面相比较，沥青路面具有更加优良的使用性能、行车更加舒适等优点，我国越来越多的路面采用沥青路面结构。同 时 我 国 的 汽 车 保 有 量 也 不 断 上 升，在 年交通运输行业发展统计公报中指出我国的汽车保有量已经达到 亿辆，因此每年产生的废旧轮胎也是一个庞大的数量，如何处理废旧轮胎成为一个待解决的问题。将废旧的轮胎加工成为橡胶粉，作为橡胶改性沥青的材料来源是一个有效解决废旧轮胎的途径。橡胶改性沥青的高低温性能、抗水稳定性、抗疲劳性能均有显著提升 。橡胶改性沥青凭借其优异的性能和环保价值成为了国内外研究的热点内容。广西壮族自治区位于我国南部，属于典型的高温高辐射多雨的气候条件。沥青路面裸露在自然环境中，长时间受到紫外辐射的作用，导致沥青的老化现象十分突出，沥青面层耐久性降低，产生裂缝、松散、剥落等病害。同时广西地区的降水丰沛，因此沥青路面往往处于水光耦合老化的作用下，沥青路面在此环境下易发生路面损坏，导致路面服役寿命低于预期。因此，研究光老化与水光耦合老化对橡胶改性沥青性能的影响具有重要的意义。等 研究表明水在热 氧 光的影响下会加深对沥青的影响程度。耿九光 研究表明光热耦合环境下，水分会加速沥青的老化速率，主要与沥青成分和羰基基团有关。马建坤 发现橡胶 复合改性沥青混合料的动稳定度、最大弯拉应变和劈裂抗拉强度比随着冻融与干湿循环次数的增多而降低。谭忆秋、王佳妮等 对紫外环境影响下的沥青进行红外光谱、薄层色谱分析和分子质量分析试验，分析紫外线对沥青的主要影响机制。王万平等 分别对紫外影响后的基质沥青、沥青、改性沥青和橡胶改性沥青进行性能测试，结果表明橡胶改性沥青抵抗紫外老化能力较好。叶奋等 发现紫外对沥青性能的影响大于 热 老 化 的 影 响。康 爱 红 等 设 计 了 橡胶改性沥青在热、氧、水、光 种环境因素组合老化试验，结果表明：紫外光和水分作用均会加剧沥青老化程度，其中光对经过水老化后沥青影响程度更显著，同时发现沥青老化后的部分产物可以溶于水从而加速沥青的老化。等 利用美国佐治亚州沥青环境因素影响设备（）模拟紫外线、水分和温度组合环境影响下，对干法和湿法处理后橡胶改性沥青混合料性能进行试 验。何 兆益、冉 龙 飞、陈 龙 等 对热、光、水分组合条件下，环境因素对 改性沥青影响基质与宏观表现。以光老化和水光耦合老化作用下的橡胶改性沥青性能的变化为研究对象，通过光老化和水光耦合老化前后性能的对比，分析不同老化方式与老化时长对橡胶改性沥青影响的差别。对老化后的橡胶改性沥青进行常规指标试验、动态剪切流变试验与凝胶渗透色谱法试验，研究其高、低温性能，从微观层面对其进行分析，并结合灰色关联分析法，对沥青微观组成和宏观性能关系进行分析。掌握橡胶改性沥青变化规律，为橡胶改性沥青在广西与南方高公路工程 卷辐射多雨气候地区的应用提供依据。试验材料与试验方案 材料 沥青。本此试验所用的 级基质沥青的各项技术指标见表 。橡胶粉。本次试验选用 目橡胶粉，橡胶粉提供单位的检测报告见表 。表 级基质沥青技术指标 类别针入度（，）（）软化点（）延度（，）闪点 溶解度 相对密度（）质量变化 残留针入度比（）残留延度（）检测结果 技术要求 实测记录 试验方法 注：参考 公路沥青路面施工技术规范（）中道路石油沥青技术要求 级沥青，按气候分区 确定。表 橡胶粉主要技术指标 类别加热减量 丙酮抽出物 炭黑含量 橡胶烃含量 筛余物 目 目铁含量 纤维含量 体积密度（）检测结果 未检出 技术要求 注：参考 硫化橡胶粉（）。橡胶改性沥青制备。参考厂家实际经验，橡胶粉掺量为沥青量的 ，本文制备橡胶改性沥青性能见表 。表 橡胶沥青质量技术要求 类别软化点 延度（，）技术要求 检测结果 检测方法 注：参考广西壮族自治区地方标准 橡胶沥青路面施工技术规范（）。试验方案 沥青老化试验 光源与老化时间选择。紫外光的波长在 ，由于臭氧层对紫外光的吸收，因此能够到达地球表面的紫外光基本为 （波长 ）。氙灯发出的光波与太阳光谱接近，但红外区有强烈的辐射，易导致试件的温度升高。荧光灯发出的光强度较低，无法有效模拟紫外老化加速试验。汞灯能够发出大量的紫外辐射，加速倍率较高，是一种合适的紫外老化光源，但采用过高功率的汞灯，其会释放大量的热量，导致试件表面温度过高，因此本试验选取 的汞灯。经过调查所研究南方地区太阳总辐射为 ，同时通过中国气象局官方公布资料可知 光谱区占总辐射百分率为 ，则该地区总紫外线辐射量为 。鉴于本次试验时的紫外线辐射强度为 ，按均匀照射计算紫外光照射 约等于研究区域总紫外线辐射量，即每照射 约等于当地一个季度的紫外环境因素影响效果，采用室温环境下照射时长分别为 、，模拟南方地区 个月、个月、个月的沥青老化状态。沥青光老化。利用汞灯对盛有（），厚度为 的橡胶改性沥青小碟进行照射，以模拟实际环境下受到紫外辐射的影响。采用室温环境下照射时长分别为 、。沥青水光耦合老化。将沥青试样表面覆水后放在室温环境下，分别使用汞灯照射 、。沥青性能试验 针入度与软化点。参考 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）开展沥青延度与软化点试验。动态剪切流变试验。参考 试 验 规 程 开 展 动 态 剪 切 流 变 试 验（），评价指标中 表征沥青的抗车辙能力，越大表明沥青抗车辙能力越强。表示沥青胶浆的黏弹特征。为等抗车辙因子临界温度，根据各种温度下的车辙因子值预估当前车辙因子达到 时所对应的温度，其值越高，高温第 期谢恩连，等：水光耦合老化对橡胶改性沥青性能影响研究性能越好 。凝胶渗透色谱试验采用凝胶渗透色谱法（）获取橡胶改性沥青 与 两个指标进行微观构成评价 ：为大分子含量，该值与沥青的软化点、针入 度、黏 度 等 宏 观 性 能 指 标 有 较 强 的 线 性 关系 。将色谱图划分 小块，如图 所示，横坐标为洗脱时间（），纵坐标为响应值。选取 组合为大分子（），组为中分子（），组为小分子（）。不同区域的面积可以代表物质的含量多少，但考虑到单纯比较 值时，不同浓度时所得值不同，故定义大分子面积与吸收峰面积相比较得到 （在公式中用 表示），具体计算公式如式（）所示 。（）式中：为前 部分色谱图与 轴围成的面积；为 部分色谱图与 轴围成的面积；为后 部分色谱图与 轴围成的面积。为大分子含量，单位为。图 典型色谱图 为分散度，其表征分子量的分布情况，越小则分子量分布越集中 。计算公式如式（）式（）所示：（）（）（）式中：为数均分子量；为第 种分子的相对分子质量；为第 种分子的分子数量；为重均分子量；为分散度。试验结果分析 常规指标试验对光老化与水光耦合老化作用不同时间的橡胶改性沥青进行 延度与软化点测试，试验结果如图 所示，由此可知以下内容。图 不同老化条件下沥青延度与软化点 ，随光老化时间延长，橡胶改性沥青的延度均匀下降，软化点不断增大且后期趋缓。由于光老化的影响，沥青内部不饱和的 双键被破坏，沥青质的含量增加，芳香分和饱和分的含量降低，沥青吸收紫外光而发生氧化反应 。由于波长在 之间的紫外线光量子能级较高，而橡胶改性沥青中的化学键的键能较小，橡胶在紫外老化过程中发生了降解，交联密度下降，轻质组分减少，重质组分增加 。沥青的表皮在紫外作用下发 生 碳 化，抑 制 了 紫 外 辐 射 对 沥 青 内 部 的 老化 ，导致后期老化趋缓。水光耦合老化作用下，橡胶改性沥青的软化点和延度变化规律与光老化变化趋势相同，但变化更为显著，说明水加剧了橡胶改性沥青的老化程度。有机化合物分子中的羰基与磺酸基与水分子形成易溶于水的氢键 。同时 等极性物质增加，但由于水的存在又易发生降解，进一步发生氧化 。沥青和水接触的表面和内部化学物质的浓度梯度力导致水进入沥青缝隙中，沥青中的水溶性物质被水溶解，导致沥青物料组分比例发生变化 ，加深橡胶改性沥青的老化程度。动态剪切流变试验对光老化与水光耦合老化作用不同时间的橡胶公路工程 卷改性沥青进行 试验，与 结果如图 与图 所示，由此可知以下内容。图 橡胶改性沥青车辙因子 图 橡胶改性沥青相位角 随温度升高车辙因子呈指数状降低，且老化后沥青车辙因子对温度的敏感性降低。说明高温时，橡胶改性沥青的抗车辙能力降低，且不同老化方式与老化时间的橡胶改性沥青的抗车辙系数在高温阶段差异较小，试验温度越高越接近于未老化。随温度升高相位角增大，但老化条件对相位角变化规律有影响，光老化时沥青相位角与温度变化仍然呈指数曲线上升，水光耦合老化后沥青相位角随温度呈凸曲线状上升。光老化的老化作用相对较弱，因此胶粉形成的网络结构未被彻底破坏，这种网络结构的存在，在 范围内抑制了橡胶改性沥青黏性比例的增加速率，导致前期相位角增长缓慢 。由于水光老化的老化作用更显著，胶粉在老化的过程中出现了裂解现象，变成了更小的颗粒，增加了沥青温度敏感性 ，因此随着试验温度增加相位角迅速增加，呈现突曲线增长。随着光老化时间延长，橡胶改性沥青的车辙因子和相位角均随着光老化时间延长而保持线性增长。如图 与图 所示，紫外作用导致沥青老化，高温性能下降，宏观上表现为车辙因子提高，而相位角随老化时间延长而不断增大，则主要原因是橡胶在紫外作用下发生了脱硫和降解反应，导致黏性比例增大，相位角提高。图 不同老化时间下车辙因子 图 不同老化时间下相位角 水光耦合老化作用下，橡胶改性沥青的车辙因子与相位角变化规律与光老化一致，但变化幅度更为显著。如图 与图 所示，水光耦合老化与光老化的车辙因子前期的差距较小，随着老化时间延长而差距不断增大，水光耦合老化对车辙因子的后期影响更为显著，表示高温性能提升幅度更大。水光耦合老化与光老化的相位角随着老化时间延长而不断增大，表示橡胶改性沥青的黏性比例提高。橡胶改性沥青随着老化时间延长而临界温度增加，但水光老化对临界温度的影响更为显著。拟合计算得到的临界温度如图 所示，光老化和水第 期谢恩连，等：水光耦合老化对橡胶改性沥青性能影响研究光老化均可提高橡胶改性沥青的高温性能，且当老化时间相等时，水光老化沥青的临界温度高于光老化，随着老化时间延长而差距不断增大，说明水光老化更有利于橡胶改性沥青的高温性能提升。图 橡胶改性沥青临界温度 凝胶渗透色谱法试验对光老化与水光耦合老化作用不同时间的橡胶改性沥青进行凝胶渗透色谱法（）试验，试验结果如图 所示。图 不同环境下橡胶改性沥青 试验结果 随光老化时 间延长，橡胶 改 性沥 青 与 均逐渐增长。如图 所示，在紫外辐射的作用下，橡胶改性沥青中的小分子物质发生交联作用，发生氧化聚合作用生成相对分子量更大的物质，同时部分中分子物质裂解成为小分子物质，但整体仍以聚合反应为主，整体的分子量分布趋于大分子方向移动 ，。水光耦合老化作用下，随老化时间延长，橡胶改性沥青 与 均匀速增长，但前期的变化更显著。如图 所示，在 老化时间段，水光耦合老化的 与 相较于光老化变化幅度更大，主要是因为水光耦合老化加速了中分子聚合和裂解的速率。老化时间段，水光耦合老化与光老化的 与 的变化曲线几乎平行，表示水光耦合老化对 与 的影响主要集中于 老化时间段。沥青微观组成与性能指标的关联度分析灰色关联主要是寻求系统中各因素之间的主要关系，找出影响目标值的主要因素，从而掌握事物的主要特征 。计算步骤如式（）式（）所示：确定参考数列：()?，（）确定比较数列：()?，(，)（）将参考数列和比较数列进行均值化，得到参考数列为：()珔?，（）比较数列为：()珔，(，)（）各时刻参数数列和比较数列关系为：，()，()()，()（）()()()（）式中：为分辨系数，一般 （，），通常取值为 。()为两极最小差；()为两极最大差。关联度为：()（）将关联度按大小排列。与 的关联度越大，与 的发展趋势越近，对 的影响越大。沥青的宏观指标对微观指标的感知能力不同，为使微观结构能够有效反映橡胶改性沥青的老化状态，对宏观指标与微观指标进行关联，选出对微观结构最为敏感的宏观指标 。选择微观组成中的大分子含量 为参考数列，以橡胶改性沥青的宏观指标（软化点、延度、车辙系数 、车公路工程 卷辙系数 、相位角 、相位角 、临界温度）作为比较数列，经灰色关联分析后得到的关联度汇总于表 。表 橡胶改性沥青老化后性能指标关联程度 影响因素光 水光 软化点 延度 临界温度 光老化的 与 车辙因子关联度最高，与软化点关联度最低。说明光老化下的 值的改变对 车辙因子影响最大，橡胶改性沥青老化导致分子量增大，分子热运动降低，同时沥青中的含氧官能团增加，导致分子极性增加，分子缔合能力增强，更易吸附较小的分子基团，使得橡胶改性沥青的高温性能提升，宏观表现为车辙因子提高 。水光耦合老化的 与临界温度关联度最高，与延度关联度最低。说明水光老化的 变化对橡胶改性沥青的高温性能有显著影响，对沥青的低温性能影响较弱。试验结果分析 橡胶改性沥青光老化导致沥青的延度均匀下降，软化点不断增大且后期趋缓。相较于光老化，水光耦合老化作用下的延度和软化点变化趋势相同，但对前期变化更为显著，说明水加速了橡胶改性沥青的前期老化速率。随着试验温度升高，车辙因子呈现指数状降低，且沥青车辙因子的温度敏感性降低。相位角随温度增大而增大，但老化条件对变化规律有影响。随着老化时间延长，光老化的橡胶改性沥青车辙因子、相位角与临界温度均增长，水光老化的变化规律与水老化一致，但变化幅度更为显著。橡胶改性沥青光老化导致沥青 与 均逐渐增长，但水光耦合老化的变化幅度更为显著，其中对前期变化影响更为明显。不同老化环境下，与 关联度最高的宏观指标不同，光老化的 与 车辙因子关联度最高，但光热老化的 与临界温度关联度最高。参考文献 中华人民共和国交通运输部 年交通运输行业发展统计公报 蒋汶玉，熊锐，杨发，等 高原地区多因素耦合作用下橡胶沥青性能评价 硅酸盐通报，（）：施瑞欣，邱伟 橡胶沥青混合料抗车辙性能影响因素试验分析 新型建筑材料，（）：，：，：，：耿九光 沥青老化机理及再生技术研究 西安：长安大学，马建坤 盐冻融与干湿循环作用下橡胶 复合改性沥青混合料性能试验研究 吉林：长春工程学院，谭忆秋，王佳妮，冯中良，等 沥青结合料紫外老化机理 中国公路学报，（）：王佳妮 模拟紫外环境下沥青流变行为及老化机理的研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，王万平，欧阳天水 高寒地区沥青抗紫外线老化性能研究 筑路机械与施工机械化，（）：叶奋，孙大权，黄彭，等 沥青强紫外线光老化性能分析 中国公路学报，（）：叶奋，黄彭 强紫外线辐射对沥青路用性能的影响 同济大学学报（自然科学版），（）：康爱红，周鑫，吴美平，等 环境因素组合作用下 橡胶沥青老化试 验 研 究 南 京 理 工 大 学 学 报，（）：，：，何兆益，陈龙，冉龙飞，等 耦合老化条件下沥青性能与分子结构特征分析 长安大学学报（自然科学版），（）：冉龙飞 热、光、水耦合条件下 改性沥青老化机理研究及高性能再生剂开发 重庆：重庆交通大学，陈龙，陈松敏，何兆益 光热耦合条件下沥青宏观老化特征研究 重庆交通大学学报（自然科学版），（）：交通部公路科学研究所 公路沥青路面施工技术规范：北京：人民交通出版社，全国橡胶与橡胶制品标准化技术委员会 硫化橡胶粉：北京：中国标准出版社，广西交通运输标准化技术委员会 橡胶沥青路面施工技术规范：，南宁：广西壮族自治区质量技术监督局，交通部公路科学研究所 公路工程沥青及沥青混合料试验规程：北京：人民交通出版社，王昊鹏，杨军，施晓强，等 高模量改性沥青高温性能的优化评价 公路，（）：（下转第 页）公路工程 卷 受功能、地形条件等因素制约，项目等级并不与交通量完全匹配。而交通事故宏观上是概率事件，跟路段设计速度、交通量、交通组成息息相关，一般交通量越大的路段，事故发生的风险越高。护栏设置与否和防护等级选择，也需要考虑投入产出，考虑经济效益和社会效益 。建议今后规范修编时，将交通量作为一个参数纳入进行综合评价。参考文献 交通运输部公路科学研究院 公路交通安全设施设计规范：北京：人民交通出版社股份有限公司，交通运输部公路科学研究院 公路交通安全设施设计细则：北京：人民交通出版社股份有限公司，王忠仁 路侧安全设施设计 美国加州路侧安全实践的启示 上海公路，（）：王皓 节地型中央分隔带混凝土护栏的研究 公路，（）：中华人民共和国交通运输部 公路工程项目建设用地指标：建标 号 北京：人民交通出版社，邰永刚 基于最大横向动态位移外延值的中央分隔带节地型分设式波形梁护栏研究 公路工程，（）：焦永顺，周同文 交通事故率的概率分布研究 河北工业大学成人教育学院学报，（）：龙科军，邹道兴，何石坚 基于多源数据融合的高速公路交通事故黑点判别 长沙理工大学学报（自然科学版），（）：王阳，施式亮，钟利达，等 年 年危化品罐式车辆公路运输事故时空分布 湖南科技大学学报（自然科学版），（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）施沈越，孙钟良，张言，等 基于凝胶渗透色谱技术的沥青老化研究进展 石油沥青，（）：张勤玲 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