模拟紫外环境下沥青流变行为及老化机理的研究

摘要

我国海拔2000m以上的面积约占国土总面积的33％，这类地区紫外辐射强度是平原地区的4-5倍。沥青紫外老化现象严重是导致沥青路面过早的破坏的主要原因之一。本文通过改进的老化设备实现了沥青野外紫外老化的室内加速模拟试验；利用流变学的手段对紫外老化后沥青的路用性能进行研究；利用红外光谱、薄层色谱等分析方法进行紫外老化机理研究，明确了沥青的紫外老化机理；在对多种改善措施性能比较的基础上，提出了紫外老化改善措施的建议。主要研究内容及成果概括如下：
　　在深入了解室外紫外线辐照规律的基础上，对原有的紫外老化设备进行了改造，选择了更合理的紫外线辐照光源，加设了冷却和供气系统，使紫外老化系统能真实地模拟室外沥青的紫外老化；确定了室内紫外老化加速率的计算方法及室内加速紫外老化的方法。
　　利用动态流变学的手段全面分析了紫外老化后沥青的流变性能和与石粉的交互作用。研究表明，紫外老化后沥青在使用温度范围内复合模量变大，滞后角变小，流变性变差；利用 B值对不同沥青与石粉的交互作用进行了研究，试验结果表明紫外老化后二者的交互作用降低。低温流变性变差，沥青更易发生脆性破坏；中温流变性的劣化，使沥青更易发生疲劳破坏；高温流变性变差，使车辙因子增大，对沥青的高温抗车辙能力有利，三者相比较，紫外老化后以低温流变行为的变化最显著，对沥青路用性能最不利。
　　紫外老化改变了沥青的材料性质和力学行为。老化后的沥青由柔而软的材料变成了刚而脆的材料；随着老化时间的延长，粘弹转变频率逐渐向低频移动，表明老化后的沥青在较高温度下即可发生从粘性区向弹性区的转变，在低温条件下容易发生破坏。以时温等效原理的失效温度为判断方法观察到，紫外老化后沥青的聚集态转变温度发生变化。玻璃态转化温度随沥青老化深度的增加呈升高趋势，紫外老化后沥青在较高温度下就转化为玻璃态。由于处于玻璃态的分子链段松弛时间远远大于力作用时间，因此，沥青由原来的“柔而软”变为老化后的“刚而脆”。紫外老化后聚集态的变化，是沥青力学行为转变、流变特性变差的内在原因。
　　对紫外老化过程中各组分自由基链反应历程的研究表明，沥青的紫外老化是各族组分共同参与的紫外光氧化反应，饱和分不仅参与了老化反应，并对芳香分和胶质的光氧化反应起促进作用，是沥青紫外老化反应的重要物质。饱和分含量高的沥青紫外老化更强烈，老化后沥青流变性的劣化更显著。紫外老化过程中，胶质沥青质之间产生较强缔和作用，这种缔和在宏观上对应沥青质的聚集沉淀，随着紫外老化反应的进行，沥青由溶胶向凝胶、由胶体向固体转变。沥青胶体结构的转变和沥青质的聚沉是导致沥青在紫外老化后发生聚集态变化的本质原因。
　　最后，本文研究了改善沥青抗紫外老化能力的措施。通过不同方案的路用性能比较和验证，发现基质沥青添加改性剂比单独使用基质沥青具有更强的抗紫外老化能力；改性剂 SBR的抗紫外老化效果优于SBS；紫外吸收剂、抗氧化剂及光稳定剂均具有一定的抗紫外老化能力；试验结果表明光稳定剂与SBR改性沥青联合使用时性能优于其它抗老化剂与改性剂联用，具有更好的抗紫外老化性能。

目录

模拟紫外环境下沥青流变行为及老化机理的研究

STUDY ON AGING MECHANISM ANDRHEOLOGIC BEHAVIOR OF ASPHALTUNDER SIMULATE ULTRAVIOLETENVIRONMENT

摘要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 模拟沥青老化方式的试验研究

1.2.2 老化对沥青路用性能影响

1.2.3 沥青老化机理研究

1.2.4 抗紫外老化措施的研究进展

1.2.5 综述分析

1.3 课题来源及主要研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 主要研究内容

1.4 本章小结

第2章 模拟紫外环境下沥青老化试验方法的研究

2.1 导致高分子材料光氧老化的反应条件

2.1.1 高分子材料发生光氧反应条件的分析

2.1.2 石油沥青光氧反应发生的条件

2.2 紫外辐射强度及分布规律的研究

2.2.1 到达地面的紫外辐射强度及其主要影响因素

2.2.2 紫外线辐射强度的时空分布规律

2.3 室内加速紫外老化设备的改进

2.3.1 加速紫外设备光源的改进

2.3.2 降低试件表面温度

2.4 室内外紫外辐射老化关系的建立

2.4.1 导致实验室光源加速试验与户外暴露相关性降低的原因

2.4.2 户外紫外强度与室内加速紫外老化强度的换算

2.5 紫外辐照加速老化方法的确定

2.6 本章小结

第3章 紫外老化对沥青流变行为及交互作用的影响

3.1 试验原理、仪器及试验材料

3.1.1 试验原理及方法

3.1.2 试验仪器及材料

3.2 紫外老化对沥青低温动态流变性的影响

3.2.1 紫外老化对复合模量的影响

3.2.2 紫外老化对滞后角的影响

3.2.3 紫外老化对沥青低温抗裂性能的影响

3.3 紫外老化对沥青高温动态流变性的影响

3.4 紫外老化对沥青疲劳性能的影响

3.4.1 沥青疲劳性能评价的方法

3.4.2 紫外老化后沥青疲劳性能分析

3.5 紫外老化对沥青与石粉交互作用的影响

3.5.1 沥青与石粉交互作用的分析方法

3.5.2 紫外老化后沥青与石粉交互作用的分析

3.6 沥青流变性能随紫外老化时间变化的综合分析

3.7 本章小结

第4章 紫外老化对沥青力学行为及聚集态的影响

4.1 紫外老化导致的沥青力学行为类型变化

4.2 紫外老化对沥青粘弹性力学行为的影响

4.2.1 时温等效原理

4.2.2 紫外老化对沥青复合模量主曲线的影响

4.2.3 紫外老化对沥青滞后角主曲线的影响

4.3 紫外老化导致沥青聚集态变化

4.3.1 判断聚合物聚集态转变的方法

4.3.2 不同紫外老化时间的沥青聚集态转化温度

4.4 本章小结

第5章 紫外辐射作用下沥青的老化机理

5.1 室内加速紫外老化后沥青试样表面变化

5.2 紫外光作用下沥青四组分的氧化反应

5.2.1 聚合物光老化一般过程

5.2.2 红外光谱分析方法及沥青紫外老化分析指标简介

5.2.3 沥青饱和分紫外老化反应过程的研究

5.2.4 芳香分紫外老化反应过程的研究

5.2.5 胶质及沥青质紫外老化反应过程的研究

5.3 紫外光作用下沥青族组分反应的综合效应

5.3.1 沥青族组分紫外光氧化反应的主要产物

5.3.2 沥青族组分紫外光氧化反应的速度

5.3.3 沥青族组分紫外光氧化反应的综合效应

5.4 紫外老化导致的沥青胶体结构的改变

5.4.1 胶体结构概述

5.4.2 紫外老化对胶体结构分子间相互作用的影响

5.4.3 紫外老化过程中沥青质的聚沉析出及其影响因素

5.5 紫外老化过程中沥青族组分的变化及迁移转变

5.5.1 薄层色谱分析法对紫外老化沥青族组分变化的研究

5.5.2 应用VPO 法测定紫外老化沥青的平均相对分子量

5.6 沥青紫外老化性能的研究

5.6.1 紫外老化后沥青IR 特征峰的变化

5.6.2 族组分对沥青紫外老化的影响

5.7 本章小结

第6章 改善沥青抗紫外老化能力措施的研究

6.1 沥青改善紫外老化措施的选择

6.1.1 改善沥青紫外老化能力的主要措施及作用机理

6.1.2 改善紫外老化措施的选定

6.2 不同抗紫外老化改善措施的性能比较

6.2.1 疲劳性能比较

6.2.2 粘附性能比较

6.2.3 流变性能分析

6.2.4 低温抗裂性能比较

6.3 改善沥青紫外老化优选措施的验证

6.3.1 流变性能比较

6.3.2 低温抗裂性能比较

6.4 改善沥青紫外老化措施的建议

6.4.1 改善紫外老化措施分析

6.4.2 改善紫外老化措施选用建议

6.5 本章小结

结 论

参考文献

附 录

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

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致 谢

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