道路用LDHs耐老化沥青的性能、作用机理与应用研究

摘要

沥青是原油加工过程中产生的副产品，一方面是一种不可再生资源，另一方面沥青的年需量巨大。在青藏、云贵、新疆等我国西部地区，日照时间长，太阳辐射总能量大，相比内陆地区，沥青性能更易受到紫外线的作用而衰减。紫外线已成为这些地区影响路面使用寿命的主要原因之一。因此，提高和改善沥青的抗紫外老化性能，不仅可以延长沥青路面的使用寿命，还可以降低沥青用量，节约资金和节省大量宝贵的石油资源。针对上述问题，本论文采用层状双羟基氢氧化物LDHs制备耐老化沥青，研究了LDHs对沥青耐老化性能的影响，揭示了LDHs与沥青的作用机理，在西部地区铺筑了试验段并进行了跟踪观测。结合室内试验、理论分析和实践观测，LDHs可有效提高沥青的抗紫外老化性能，可用于我国高海拔、强紫外线地区的沥青路面建设中。
　　本文选择两种 LDHs和四种沥青为研究对象，采用熔融共混的方法制备LDHs耐老化沥青，研究了两种LDHs对沥青老化前后的技术指标和流变性能的影响规律；探究了LDHs对沥青老化前后化学组成、结构及微观形貌的变化；进一步研究了沥青薄膜的制备方法及其光学性能（透过率、吸光度及反射率），揭示LDHs在沥青中的紫外阻隔机理；研究了道路用LDHs耐老化沥青施工现场制备技术，并对LDHs耐老化沥青试验段的服役行为进行跟踪观测。主要研究结论如下：
　　（1）LDHs可提高基质沥青软化点、降低沥青针入度和增加沥青的粘度，提高沥青高温抗变形能力，且该变化随着LDHs掺量的增加而愈加明显；LDHs可增加基质沥青的复数剪切模量和降低基质沥青的相位角；LDHs1对沥青老化前技术指标和流变性能的影响更为明显。LDHs的加入，可使基质沥青TFOT老化和 UV老化后的残留针入度比（PRR）增大、软化点增量（SPI）减小、粘度老化指数（VAI）减小、复数剪切模量减小和相位角增大，可改善基质沥青的短期老化和UV长期老化性能，且LDHs2的效果更为明显。
　　（2）四组分棒状薄层色谱-氢火焰离子探测仪（TLC-FID）结果表明：短期老化和紫外老化后，LDHs减小了基质沥青的胶质、沥青质增加量及芳香分的减小量，LDHs对基质沥青饱和分含量的影响规律不明显；LDHs减小了基质沥青的凝胶化指数（GI），抑制了沥青从溶胶化向凝胶化的转变程度。傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析结果表明：短期老化和UV长期老化后，LDHs减小了基质沥青羰基指数和亚砜基指数增量；采用羰基和亚砜基官能团指数与采用凝胶化指数评价沥青的老化性能具有较好的对应性；化学结构分析表明，LDHs对沥青耐老化性能的改善可归因于其对沥青老化过程中分子链断裂、芳缩化及氧化反应的抑制作用。
　　（3）原子力显微镜测试（AFM）结果表明：短期老化后，基质沥青形貌图中的“蜂型”结构明显减少，且相比老化前表面的粗糙度明显增加，物相图中的连续相和分散相对比不明显且边界模糊，LDHs耐老化沥青的形貌图中的“蜂型”结构保留较多，且粗糙度没有基质沥青短期老化后明显，物相图中的两相和边界均明显；紫外老化后，基质沥青形貌图中的“蜂型”结构已经完全消失，有小微粒存在于体系中，且相比老化前表面的粗糙度明显增加，物相图中两相和边界均消失，且趋于单相化，LDHs耐老化沥青的形貌图中的“蜂型”结构有所保留，且粗糙度没有基质沥青紫外老化后明显，物相图中的两相仍然存在，说明了LDHs的加入有效抑制了沥青分散相的缔合，对基质沥青的紫外老化具有抑制作用。
　　（4）LDHs的加入使基质沥青薄膜在紫外光波长范围内的透光率减小、吸光度和反射率增大，且随着掺量的增加，变化幅度递增。LDHs材料的紫外-可见光测试表明：LDHs对320～400nm紫外线有较强的反射率和较高的吸光度。结合TLC-FID、FTIR和AFM分析表明，LDHs在沥青中的紫外阻隔机理为：对紫外线的物理屏蔽和化学吸收双重作用，使沥青具有较强的抗紫外老化能力。
　　（5）在长深高速公路（G25）金宝屯-查尔苏段铺筑了LDHs耐老化沥青试验段，并对试验段进行了为期三年跟踪观测，结果表明，相比基质沥青而言，通车一年、二年和三年试验段回收沥青VAI值下降幅度依次为89.12％、87.02%和89.46%；且LDHs耐老化沥青复合剪切模量较基质沥青小，表现出较好的低温抗开裂性能，此外，通车一年、两年和三年，LDHs耐老化沥青的亚砜基S=O和羰基C=O指数均比基质沥青小，说明LDHs的加入改善了沥青的耐老化性能。跟踪LDHs耐老化沥青试验段通车三年，其均能满足路用性能要求，耐老化性能良好。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 沥青老化研究进展

1.3 沥青抗老化研究进展

1.4 本文的主要研究内容和技术路线

第2章 原材料与实验方法

2.1 原材料

2.2 LDHs的组成与结构表征方法

2.3 沥青的主要技术指标试验方法

2.4 沥青与LDHs相容性测试方法

2.5 沥青的流变性能试验方法

2.6 沥青四组分试验方法

2.7 沥青红外光谱试验方法

2.8 沥青原子力显微镜（AFM）试验方法

2.9 沥青薄膜的荧光显微镜试验

2.10 沥青薄膜的光学性能试验

2.11 老化模拟试验

第3章 LDHs耐老化沥青的制备及其流变性能研究

3.1 LDHs的组成与结构表征

3.2 LDHs耐老化沥青的室内制备

3.3 LDHs耐老化沥青的相容性及主要技术指标分析

3.4 LDHs耐老化沥青的流变性能研究

3.5 老化对LDHs耐老化沥青流变性能影响

3.6 本章小结

第4章 LDHs对沥青化学组成与结构影响

4.1 LDHs耐老化沥青组成变化分析

4.2 LDHs对沥青胶体结构的影响

4.3 LDHs耐老化沥青结构变化研究

4.4 LDHs耐老化沥青微观形貌变化研究

4.5 本章小结

第5章 LDHs耐老化沥青抗紫外老化机理研究

5.1沥青薄膜的制备

5.2 沥青薄膜的表面形貌分析

5.3 LDHs在沥青中的紫外阻隔机理探讨

5.4 本章小结

第6章 道路用LDHs耐老化沥青的应用及试验段服役行为评价

6.1 试验段依托工程概况

6.2 道路用LDHs耐老化沥青的现场制备

6.3 试验段芯样回收试验

6.4 回收沥青的性能评价

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

攻读学位期间参与的科研项目