热、光、水耦合条件下SBS改性沥青老化机理研究及高性能再生剂开发

摘要

沥青路面在后期养护及翻修过程中，大量的废旧沥青混合料因铣刨后未被利用而废弃，因此开展SBS改性沥青混合料再生技术是一项经济、环保、可持续发展的路面修复技术。本文依托国家自然科学基金项目《热、光、水耦合条件下SBS改性沥青老化机理研究及高性能再生剂研发》，自主开发沥青热、光、水耦合老化试验装置，对SBS改性沥青耦合老化规律及机理开展系统、深入的理论与实验研究;在此基础上，研发环保型高性能SBS改性沥青再生剂，提出了SBS改性沥青再生剂技术指标建议值和老化沥青再生理论。
　　通过调研全国太阳辐射、高温、相对湿度等气候分布状况，根据沥青“老化等效”原则自主开发沥青室内加速模拟热、光、水耦合老化试验装置;结合我国沥青路面大修期限约为10年进行计算，采用正交试验，确定了针对本试验装置的室内模拟耦合老化条件:辐射强度500W、温度70℃、相对湿度50％;采用DSR、FTIR、GPC、1H-NMR等手段探索了基质沥青、SBS改性沥青在热、光、水耦合老化条件下宏观性能及微观结构变化规律，建立了物理性能、流变特性等非线性耦合老化速率预测微分方程和芳香度微观结构老化动力学方程，利用灰色系统理论对SBS改性沥青微观结构和宏观指标变化关联度进行研究，表明SBS改性沥青中沥青相和SBS聚合物在耦合老化条件下微观结构变化，最终导致宏观性能劣化，揭示了SBS改性沥青热、光、水耦合老化机理，即太阳辐射是造成沥青相轻质组分挥发及芳构化反应、SBS聚合物氧化降解的主要因素，高温、潮湿环境则会加剧沥青耦合老化恶性循环。
　　在总结分析SBS改性沥青耦合老化机理基础上，确定了沥青再生剂性能要求，从功能、安全、经济环保等原则方面提出了SBS改性沥青再生剂原材料组成和制备工艺;采用正交试验优选了轻质组分材料并确定了再生剂配比，即溶胀改性液最优组分比例为:基础油分∶增塑剂∶增粘树脂∶改性剂=1∶0.3∶0.03∶0.05，抗氧剂、紫外线吸收剂、抗剥落剂分别为溶胀改性液质量百分数的0.5％、0.5％、0.3％;通过对ZZ与RA-2、DN100、DN101四种再生剂组分、安全性、粘度、表面张力、耐老化等方面进行性能对比分析和环境评价，结合国内外沥青再生剂技术指标，首次从环保和性能等方面提出了SBS改性沥青再生剂技术指标建议值。
　　通过对四种再生SBS改性沥青常规物理性能、SHRP性能、四组分、热稳定性及耐老化性能展开对比分析研究，表明ZZ再生剂对老化改性沥青已具备一定的适用性，6％左右的再生剂掺量可将老化沥青各性能指标恢复至原样沥青水平;基于红外光谱对再生剂、再生沥青进行微观结构分析，表明沥青再生剂是一种典型的表面活性剂，含有极性和非极性基团，在沥青质与软沥青间形成“界面膜”，根据“相似相容”原理，首次从“分子运动学”角度提出了老化沥青“界面活性理论”再生机理。
　　论文研究成果对阐明SBS改性沥青在热、光、水耦合条件下老化机理，研发环保型高性能沥青再生剂，揭示老化沥青再生理论具有重要意义，为解决SBS改性沥青再生利用奠定了坚实的理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 SBS改性沥青再生利用研究现状

1．2．2 SBS改性沥青老化研究现状

1．2．3 沥青再生剂研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 实施方案

1．5 技术路线

第二章 SBS改性沥青耦合老化评价体系研究

2．1 室内加速耦合老化试验装置开发

2．1．1 耦合老化因素的选择

2．1．2 结构组成

2．1．3 操作步骤

2．2 SBS改性沥青耦合老化评价体系

2．2．1 宏观指标变化

2．2．2 微观结构变化

2．3 沥青耦合老化条件的确定

2．3．1 试验条件的选择

2．3．2 耦合老化参数的确定

2．4 本章小结

第三章 SBS改性沥青耦合老化规律研究

3．1 SBS改性沥青

3．1．1 基质沥青

3．1．2 SBS改性剂

3．1．3 SBS改性沥青

3．2 SBS改性沥青耦合老化宏观性能研究

3．2．1 物理性能老化规律

3．2．2 流变特性老化规律

3．3 SBS改性沥青耦合老化微观结构研究

3．3．1 耦合老化沥青组分及胶体结构分析

3．3．2 耦合老化沥青官能团分析

3．3．3 耦合老化沥青分子量分析

3．3．4 耦合老化沥青化学结构分析

3．4 本章小结

第四章 SBS改性沥青耦合老化机理分析

4．1 SBS改性沥青耦合老化速率预测研究

4．1．1 宏观性能速率预测

4．1．2 微观结构速率预测

4．2 SBS改性沥青耦合老化灰色关联度分析

4．2．1 灰色关联分析方法

4．2．2 宏观性能与微观结构变化关联度分析

4．3 SBS改性沥青耦合老化机理

4．3．1 微观组分变质

4．3．2 宏观性能劣化

4．4 本章小结

第五章 环保型高性能SBS改性沥青再生剂研发

5．1 原材料选择及制备

5．1．1 性能要求

5．1．2 材料选择原则

5．1．3 再生剂原材料

5．1．4 制备工艺

5．2 再生剂配合比确定

5．2．1 轻质组分材料优选

5．2．2 不含抗老化剂的溶胀改性液配合比确定

5．2．3 抗老化剂配合比确定

5．3 再生剂成分及基本性能分析

5．3．1 再生剂的组分

5．3．2 再生剂安全性

5．3．3 再生剂粘度

5．3．4 再生剂表面张力

5．3．5 再生剂热稳定性能

5．3．6 再生剂耐老化性能

5．3．7 再生剂环境评价

5．4 沥青再生剂技术指标

5．4．1 国内外再生剂技术指标

5．4．2 再生剂技术指标建议值

5．5 本章小结

第六章 再生SBS改性沥青性能评价及再生机理研究

6．1 再生剂掺量确定

6．2 再生沥青性能分析

6．2．1 常规性能指标分析

6．2．2 SHRP性能指标分析

6．2．3 组分变化分析

6．2．4 热稳定性分析

6．2．5 耐老化性能分析

6．3 基于光谱分析的沥青再生机理研究

6．3．1 红外光谱分析

6．3．2 界面活性理论

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 本论文特色与创新之处

7．3 进一步研究建议

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果