热氧作用下CR_SBS复合...性能衰减及微观作用机理研究_董夫强.pdf

第 卷 第 期 年 月大连交通大学学报 文章编号：（）热氧作用下 复合改性沥青性能衰减及微观作用机理研究董夫强，王进成，周家鹏，唐伟，宋立飞（河海大学 土木与交通学院，江苏 南京；丽水市公路港航与运输管理中心，浙江 丽水）摘 要：为了探究 复合改性沥青在高温存储过程中性能的衰减及其微观作用机理，在 改性沥青的基础上分别掺加、和 废旧胶粉，制备了 复合改性沥青，采用 对其存储过程中产生的热氧老化进行模拟。通过对比老化前、后性能指标的变化，评价 复合改性沥青的抗老化性能。结果表明：废旧胶粉的加入改善了 改性沥青的性能衰减程度，且废旧胶粉掺量为 时，复合改性沥青老化前、后性能衰减程度最小。当胶粉掺量升至 时，复合改性沥青的性能略微下降，这是因为胶粉掺量过多导致胶粉溶胀不完全，沥青中部分胶粉以胶团的形式呈现。红外光谱试验发现，胶粉的加入并未使 改性沥青产生新的官能团，证明胶粉并未与 改性沥青发生化学反应；老化后羰基（=）、亚砜基（=）含量增大，表明 复合改性沥青老化指数均小于 改性沥青。体式显微表征发现，废旧胶粉的加入在 改性沥青体系中起到了填充作用，形成改性剂与沥青的双连续相，构建了紧密的网络空间结构，减缓了 在高温下的热解速率。关键词：废旧胶粉；掺量；复合改性；抗老化性能；微观结构文献标识码：在沥青路面的建造与养护过程中，改性沥青因其优越的综合性能，已成为当前使用范围最广的改性沥青种类。但是随着道路交通的发展，使用单一的 改性沥青的沥青路面不仅成本高，而且其性能已不能满足相关技术指标要求。随着固废利用技术在道路行业的迅猛发展，以废旧橡胶粉为代表的可再生利用沥青改性材料在道路建设中得到了广泛应用，但是胶粉改性沥青因其路用性能及施工和易性较差，使得胶粉改性沥青的进一步应用推广受到了阻碍。为解决上述问题，国内外道路研究者们致力于 复合改性沥青的研究工作，并取得了一定的成果。刘斌等通过低掺量的废旧橡胶粉和 制备复合改性沥青，研究发现与传统的橡胶粉改性沥青相比，低掺量的 与废旧橡胶粉复合可以有效提高改性沥青的抗老化能力以及路用性能。于丽梅等通过化学试验方法，对 复合改性沥青进行微观试验研究，从微观和宏观角度解释了复合改性沥青体系稳定的原因，为 复合改性沥青性能的评价及应用奠定了基础。黄卫东等通过在 沥青中掺入 制备复合改性沥青，采用室内试验方法，综合评价了 对 沥青的路用性能提升效果及改性机理，研究发现 复合改性沥青的路用性能效果最佳。综上所述，学者们对 复合改性沥青的研究主要集中在存储稳定性、流变性能以及最佳配比等方面，但对于 复合改性沥青施工过程中的抗老化性能的研究相对较少。因此，本文通过 老化方式模拟不同胶粉掺量的 复合改性沥青在施工过程中产生的热氧老化。基于沥青常规试验测试复合改性沥青的软化点、针入度、延度、布氏黏度和老化性能指标。采用动态剪切流变试验（）阐述不同掺量 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（）第一作者：董夫强（），男，副教授。：通信作者：王进成（），男，硕士研究生。：大连交通大学学报第 卷的复合改性沥青抗老化性能表现。通过红外光谱（）和体式显微镜研究官能团及相态结构的变化，明确 对复合改性沥青抗老化及微观结构的影响规律。研究结果为 复合改性沥青在施工过程中产生的性能变化及机理等研究提供借鉴。材料与试验方案 材料 本文所用沥青为韩国双龙 号基质道路石油沥青，其基本性能指标见表，均满足公路改性沥青路面施工技术规范。本文所用 改性剂采用线型，其技术指标见表。选用 目橡胶粉，其技术指标见表。本研究选用的稳定剂有效组分为硫磺，含量大于，由江苏某化工有限公司生产；相容剂选取康润橡胶油。表 试验基质沥青基本性能指标测试指标试验结果规范值试验方法针入度（）软化点 延度（老化前）延度（老化后）闪点 溶解度 质量损失 针入度比 表 改性剂相关指标型号结构嵌段比 平均分子量拉伸强度 硬度 充油率 灰份 线型 表 废旧胶粉技术指标细度 目相对密度（）金属含量 灰分 丙酮抽取物 炭黑含量 天然橡胶含量 样品制备 复合改性沥青的制备：在掺量为.的 改性沥青基础上，分别掺加、的废旧胶粉制备 复合改性沥青。具体制备工艺如下：（）将基质沥青加热到，加入预定质量比例的橡胶油，搅拌 ，使其与基质沥青充分混合，再加入一定比例的线型 改性剂，温度上升至，当转速达到 时剪切。（）将 改性沥青升温至 ，加入预定比例的废旧胶粉，当转速达到 时剪切 。然后加入预定质量的稳定剂，在 下搅拌发育 ，最后制得 复合改性沥青。试验方法 （）采用薄膜烘箱试验（），测试 复合改性沥青短期抗老化性能，研究老化前、后三大指标、针入度比及软化点增量的变化。（）采用布氏黏度试验研究 复合改性沥青经老化后布氏旋转黏度变化规律（），采用布氏黏度老化指数来表征沥青的老化程度，其计算公式为：布氏黏度老化指数 老化后布氏黏度 老化前布氏黏度老化前布氏黏度（）（）采用 试验探究其在高温下的黏弹特性，以此来评价其高温抗老化性能。通过复数模量老化指数与车辙因子老化指数来表征沥青的抗老化特性：复数模量老化指数 老化后复数模量老化前复数模量（）车辙因子老化指数 老化后车辙因子老化前车辙因子（）（）采用红外光谱试验对其老化前、后的官能团进行分析，研究胶粉在 改性沥青中抗老化的作用机理。将波长为 的所有特征峰面积之和作为基准，并与 处的特征峰亚砜基团（=）和 处的羰基吸收峰（=）进行比值计算。=（）=（）抗老化性能评价指标：（）第 期董夫强，等：热氧作用下 复合改性沥青性能衰减及微观作用机理研究 式中：、分别为老化前、后的老化指数。（）采用体式显微镜试验表征老化前、后的复合改性沥青微观结构的变化情况，探索胶粉在 改性沥青中的抗老化作用方式。结果与讨论 常规指标 复合改性沥青老化前、后各项指标随胶粉掺量的变化规律见图、图。（）老化前（）老化后图 复合改性沥青基础性能指标图 针入度比与软化点增量 由图、图 得出如下结论：（）针入度 针入度比 沥青老化后针入度随胶粉掺量的增加而降低。表明随着单位体积内胶粉颗粒含量的不断提高，胶粉与 改性沥青产生良好的溶胶交联作用，形成更加稳固的结构，从而使复合改性沥青的黏度不断增大，针入度随之减小。随着胶粉掺量的增加，复合改性沥青针入度比不断提高。当胶粉掺量达到 时，针入度比达到峰值（.），表明胶粉的掺入提高了 改性沥青的抗老化性能。（）软化点 软化点增量 随着胶粉含量的增加，老化前、后试样的软化点均逐渐升高，而试样软化点的增量逐渐减小，当胶粉掺量达到 时，软化点增量趋于平缓。表明随着胶粉含量的增大，胶粉在沥青中溶胀并吸收大量轻质组分，溶胀的胶粉与 形成相对稳定的网络结构，使得 复合改性沥青软化点随着胶粉用量的增加而提高，进而使复合改性沥青的抗老化性能得以提升。（）延度 沥青老化后延度随胶粉掺量的增加而逐渐降低。当胶粉掺量为 时，延度的下降幅度趋近平缓，表明大量的胶粉颗粒会吸收沥青中的轻质组分，造成体系塑性降低，进而使沥青的延度减小。布氏黏度 复合改性沥青老化前、后布氏黏度见图，黏度老化指数见图。图 复合改性沥青布氏黏度图 布氏黏度老化指数 由定义可知，黏度老化指数越小，表明沥青受热氧老化的影响程度越小。从图 和图 可以看出，随着胶粉掺量的增大，复合改性沥青的布氏黏 大连交通大学学报第 卷度增大。与 改性沥青相比，当胶粉掺量达到时，复合改性沥青的黏度老化指数达到最小值（）。当胶粉掺量为 时，复合改性沥青黏度增量最大，且黏度老化指数略有回升，表明当胶粉掺量过多时，胶粉溶胀不完全，部分胶粉在沥青中以胶团的形式存在，导致改性沥青黏度过大且抗老化性能下降。综上所述，胶粉的掺入可以有效提升 改性沥青的黏度和抗老化性能，且当胶粉掺量为 时，复合改性沥青的抗老化性能最佳。流变性能 复合改性沥青样品的 试验结果见表，复数模量与车辙因子老化指数平均值见图。表 复合改性沥青样品的 试验结果沥青试样试验温度 复数模量 原样老化后复数模量老化指数车辙因子 原样老化后车辙因子老化指数纯 改性沥青 图 老化指数平均值 由表 可知，随着测试温度的升高，复合改性沥青的复数模量与车辙因子逐渐下降。经过 老化后，相同温度下，复数模量与车辙因子逐渐上升，老化指数均大于。其中，老化指数越接近，表示老化对沥青的影响越小，沥青的抗老化性能越好。由表 结合图 可以看出，纯 改性沥青的复数模量老化指数平均值为.，车辙因子老化指数平均值为，老化后复数模量和车辙因子增长速率最快，表明其高温抗老化性能最差。当胶粉掺量为 时，复数模量老化指数与车辙因子老化指数平均值都降至最小值，分别为 与，表明该掺量下复合改性沥青的抗老化性能最佳。当胶粉掺量达到时，两种老化指数均有小幅度回升，与黏度老化指数趋势相同，原因相似。综上所述，复合改性沥青的复数模量老化指数和车辙因子老化指数均小于纯 改性沥青，说明胶粉的加入提高了 改性沥青的高温抗老化性能。当胶粉掺量为时，复合改性沥青的两种老化指数最小，表明其抗老化性能最好。微观结构分析 红外光谱分析 选取 改性沥青与胶粉掺量为、的复合改性沥青进行老化前、后的红外光谱分析，结果见图。通过式（）式（）计算 第 期董夫强，等：热氧作用下 复合改性沥青性能衰减及微观作用机理研究 得到的复合沥青老化指数见表。（）老化前（）老化后图 复合改性沥青红外光谱表 复合改性沥青老化指数样品类型=纯 原样纯（）（）（）（）（）（）对比红外光谱图可知，老化前、后的 改性沥青与复合改性沥青在 波数范围内吸收峰基本一致，并没有产生新的官能团，区别在于吸收峰的强度不同，表明胶粉的加入没有与 改性沥青发生化学反应，并未从根本上改变 改性沥青的化学结构。（）由表 可知，改性沥青与 复合改性沥青老化前、后的羰基（=）与亚砜基（=）含量均有增加，说明老化前、后各样品中的、胶粉和沥青在制备与薄膜烘箱老化过程中有着不同程度的老化，且胶粉在此过程中发生了明显的热裂解，使复合改性沥青体系中网状结构断裂。随着胶粉掺量的增加，老化前、后的羰基（=）增量逐渐减小，表明在制备过程中，复合改性沥青发生的吸氧老化并不明显。同时亚砜基（=）增量也随胶粉掺量的增加而降低，而亚砜基官能团代表了沥青的老化程度，这说明复合改性沥青的抗老化性能随着胶粉掺量的增加而得到提升。当胶粉掺量为 时，两种官能团增量达到最小值，分别为 与 ，抗老化性能评价指数 值分别为 与，表明该掺量下抗老化性能最佳。胶粉掺量为 时，各官能团增量及老化指标都有回升。此现象与前文复数模量老化指数、车辙因子老化指数、布氏黏度老化指数所呈现的规律相同。其宏观表现为：胶粉掺量为 时 复合改性沥青老化前、后的针入度比与软化点增量比胶粉掺量为 时略微下降。综合表 可知，与 改性沥青相比，复合改性沥青的老化指数明显降低，表明复合改性沥青有着更好的抗老化性能。胶粉掺量为 时复合改性沥青的=与=分别为各样品中的最小值，说明 复合改性沥青具有更好的抗老化性能。大连交通大学学报第 卷 体视显微表征 改性沥青与 配比的复合改性沥青的微观结构形貌见图。由图（）与图（）可知，老化前 颗粒在沥青中分散较为均匀，但有部分 颗粒发生了黏聚现象，产生的胶团存在于沥青当中。老化后 颗粒明显减少，胶团数量也随之变少，说明在短期老（）改性沥青（）改性沥青（老化后）（）复合改性沥青（）复合改性沥青（老化后）图 改性沥青和复合改性沥青微观结构形貌化的过程中，颗粒由于受热产生裂解，导致 改性沥青老化后的基础性能指标大幅下降，布氏黏度老化指数、车辙因子老化指数与复数模量老化指数均大于复合改性沥青。由图（）和图（）可知，随着胶粉的加入，复合改性沥青老化前内部形成由沥青、胶粉颗粒构成的网络填充结构。这是由于高温条件下，胶粉和沥青混合后，胶粉颗粒吸收了沥青中的轻质组分，出现了溶胀现象，胶粉表面形成的薄膜使得胶粉颗粒能够有效地连接在一起形成网络骨架结构，同时 填充分布在其中，有效地阻止了 聚合现象的发生，提升了多相结构的稳定性和相容性，使得沥青的整体性能得到提升。在短期老化后，复合改性沥青的