老化对改性沥青宽温度域黏弹特性的影响EI北大核心CSCD

采用红外光谱与凝胶渗透色谱研究改性沥青的老化机理,并依托宽域温度扫描试验,检测沥青材料在20~140℃内的线性黏弹特性变化,讨论短期老化与长期老化的影响规律.结果表明:苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青是典型的两相材料,其老化过程由沥青相氧化硬化与SBS相氧化裂解耦合组成;沥青相老化时吸收氧气发生聚合,相对分子质量逐渐增大,沥青逐渐变硬变弹;SBS相老化时吸氧裂解,相对分子质量逐渐变小,沥青逐渐变软变黏,2种行为同时存在,共同影响改性沥青的黏弹特性;温度较低时,沥青硬化作用占优,老化后相位角下降,模量上升;温度较高时,SBS裂解作用占优,老化后相位角上升,模量不变甚至下降;短期老化中,SBS裂解作用较为明显,长期老化中,沥青硬化作用占据上风.     

SBS改性沥青的复合老化机理

通过考察沥青的纳米微观形貌、化学官能团和宏观力学指标,研究了复合老化条件下苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青的老化规律和机理.结果表明：复合紫外（UV）老化对SBS改性沥青的影响远大于短期老化,且复合UV老化对低温性能的影响更大;复合老化引起沥青“蜂形结构”数目和面积发生改变,复合老化后SBS改性沥青微观表面的杨氏模量和黏附力发生显著变化;复合老化后SBS改性沥青红外光谱中966、1376、1601cm-1处的基团发生了明显变化.     

多尺度纳米材料对沥青流变和老化性能的影响

采用布氏旋转黏度、动态剪切流变和弯曲梁流变试验,同时结合红外光谱试验对比研究了多尺度纳米材料对不同老化状态下4种沥青——SK-70和Alfa-70基质沥青、SBR和SBS改性沥青(SBRMA, SBSMA)流变性能的影响.结果表明:4种沥青经多尺度纳米材料改性后,布氏旋转黏度、复数模量及车辙因子均得到不同程度的提高;长期热氧和光氧老化后的疲劳因子降低,即抗疲劳性能得到改善,且对SBRMA的改善最明显.相比未改性沥青,多尺度纳米材料改性后4种沥青在各种老化方式下的复数模量老化指数均降低,而且SBSMA和SBRMA这2种聚合物改性沥青老化前后的丁二烯指数差值也降低,即4种沥青的耐热氧和耐光氧老化性能同时得到有效改善,且对SBRMA的改善效果最好.多尺度纳米材料提高了2种基质沥青的低温连续等级温度,但同时在一定程度上降低了2种聚合物改性沥青的低温连续等级温度.     

TLA/SBS复合改性沥青性能研究

通过熔融共混的方式,将SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)和不同掺量的特立尼达湖沥青(Trinidad Lake Asphalt, TLA)加入基质沥青中,制备TLA/SBS复合改性沥青。对TLA/SBS复合改性沥青的针入度、软化点、延度进行测试,研究改性后沥青的物理性能。采用动态剪切流变仪对改性前后沥青的流变性能进行检测和分析,采用热氧老化和PAV(压力老化测试)对改性前后沥青的老化性能进行研究分析。结果表明,加入湖沥青后,随着TLA掺量的增加,沥青针入度减小,软化点和延度先增大再减小。为了避免过高掺量的湖沥青对沥青延展性造成不利影响,应将湖沥青的掺入量控制在30%。TLA/SBS复合改性沥青复数模量和车辙因子增加,相位角减小,沥青的高温抗车辙变形能力得到提高。TLA/SBS复合改性沥青的残留针入度比、软化点变化和粘度老化指数下降,老化性能得到改善。     

老化对胶粉和SBS改性沥青流变性能的影响

为研究短期老化作用对胶粉(CR)改性沥青和SBS改性沥青流变性能的影响,通过旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)对CR改性沥青和SBS改性沥青进行短期老化,然后在不同温度和荷载频率下进行动态剪切流变试验(DSR),结合扫描电子显微镜(SEM),对CR改性沥青和SBS改性沥青的流变性能和微观结构进行了研究.结果表明:老化前橡胶粉及SBS改性剂都能与沥青达到良好共融,老化后SBS改性剂与沥青的界面结合状况却差于橡胶粉与沥青的界面结合状况;老化作用使CR改性沥青和SBS改性沥青由储存模量G′(弹性)占主导作用转向由损失模量G″(黏性)占主导作用的温度转化点向高温转移;短期老化作用在高温下对SBS改性沥青产生的影响较大;短期老化前后,CR改性沥青较SBS改性沥青具有更强的高温抵抗变形能力和抗车辙能力;随加载频率增大,2种改性沥青的高温抗车辙能力都得到增强.     

热氧老化沥青多次损伤-愈合性能

为研究沥青在多次损伤条件下的愈合性能,采用动态剪切流变(DSR)仪中的时间扫描模式对沥青进行损伤-愈合循环加载试验,以沥青愈合期间的复数模量恢复程度(即愈合指数)为愈合指标,分析了不同热氧老化程度下70~#基质沥青与SBS改性沥青多次损伤-愈合性能规律,并结合沥青傅里叶红外光谱(FTIR)试验,以特征官能团峰面积比定量分析了沥青功能基团的组成和含量对其自愈能力的影响.结果表明:沥青愈合指数随损伤-愈合次数的增加而减小,首次损伤时沥青愈合指数减小程度最大.老化程度对沥青愈合指数影响显著,表现为老化程度越高愈合指数越小.SBS改性沥青多次损伤-愈合和老化后的愈合性能均优于70~#基质沥青,SBS改性剂可增强沥青的抗疲劳损伤能力和抗老化能力.沥青中大分子含量越高,分子扩散速率越慢,自愈能力越弱;轻长型分子含量越高,分子扩散速率越快,自愈能力越强.     

老化作用下沥青混合料的疲劳及自愈合性能

通过四点弯曲疲劳试验,分析了老化作用下苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)改性沥青混合料和基质沥青混合料的疲劳及自愈合性能.结果表明:老化作用显著削弱了沥青混合料的抗疲劳性能,SBS改性沥青混合料的抗疲劳性能优于基质沥青混合料;老化程度和损伤程度对沥青混合料的自愈合能力影响最为显著;适当延长愈合时间和适宜的愈合温度可以提高沥青混合料的愈合率,但老化程度和损伤程度会削弱其自愈合能力;未老化条件下,基质沥青混合料的自愈合能力大于SBS改性沥青混合料,而老化条件下SBS改性沥青混合料表现出较强的自愈合能力.因此选用SBS改性沥青混合料作为路面材料可以提高沥青路面的抗疲劳及自愈合性能.     

时间和温度对短期老化SBS改性沥青官能团的影响

为探究老化时间、老化温度对老化SBS改性沥青微观结构的影响,通过旋转薄膜烘箱(RTFOT)对基质沥青、SBS改性剂、糠醛抽出油、稳定剂制备的SBS改性沥青进行不同时间(1.5h、3h、4.5h)、不同温度(163℃、173℃、183℃)的短期老化,然后采用红外光谱(FTIR)对其进行了官能团分析。结果表明:不同老化条件下的老化SBS改性沥青亚砜基特征峰、亚砜基指数增大,丁二烯基特征峰、丁二烯基指数减小;随着RTFOT老化时间、温度的增长,沥青老化程度不断加深,SBS改性剂持续降解;老化温度提高10℃的RTFOT老化SBS改性沥青老化程度大于老化时间延长1.5h的RTFOT老化SBS改性沥青。     

干湿-冻融循环作用下沥青水老化的微观特性

模拟杭州夏季高温高湿、冬季微冻融的气候特点,在综合考虑循环次数、热、氧及水等因素的基础上,设计室内干湿-冻融循环试验,采用薄膜烘箱对基质沥青和SBS改性沥青进行短期老化,借助红外光谱(FTIR)与凝胶渗透色谱(GPC)分析了干湿-冻融循环作用下沥青特征官能团和相对分子质量变化,探究沥青水老化的微观特性.结果表明:随着干湿-冻融循环次数的增加,在热(60℃)氧化条件较为温和的情况下,基质沥青与SBS改性沥青中羰基的特征峰在FTIR图谱中变化较小,以至观测不到;亚砜基指数明显增大,丁二烯指数明显减小;数均相对分子质量、重均相对分子质量、分散度及大分子区(LMS)含量均逐渐增大.推荐采用亚砜基指数和LMS含量来定量表征沥青在干湿-冻融循环作用下的水老化程度.FTIR与GPC试验均表明,在水环境中,干湿-冻融循环作用将加剧沥青材料的老化;SBS改性沥青的抗水老化性能优于基质沥青.     

胶粉复配RET改性沥青老化前后流变特性与老化机理

采用动态剪切流变和弯曲梁流变试验,研究了胶粉复配反应性弹性体三元共聚物(RET)改性沥青经历短期及长期老化前后的高低温流变特性,并与SBS复配RET改性沥青进行了对比;通过原子力显微镜对胶粉复配RET,SBS复配RET改性沥青老化前后的改性机理进行了初步分析.结果表明:胶粉、RET的掺入能改善沥青老化前后的高温性能;相比于SBS复配RET,胶粉复配RET对短期老化前后沥青的高温性能改善更显著,且长期老化后其劲度模量增长幅度更低;随着RET掺量的增加,胶粉复配RET,SBS复配RET改性沥青老化前后的高温抗变形能力随之增强,其低温性能变化不大;胶粉复配RET改性沥青的微观形态中出现明显的"黑白斑点"结构,相较于SBS复配RET改性沥青,胶粉复配RET改性沥青老化后的黏结力与耗散能提高,弹性模量降低,抗老化性能更好.     

基于测力延度试验的SBS改性沥青老化特征评价指标

采用不同时程的室内薄膜烘箱试验模拟SBS改性沥青的老化过程,对不同老化时间的SBS改性沥青进行常规试验、动态剪切流变试验及测力延度试验,分析针入度、软化点、车辙因子及测力延度相关指标与SBS改性沥青老化时间的相关性,同时分析这些指标与SBS改性沥青中SBS含量的相关性.试验与分析结果表明：针入度、软化点及车辙因子等指标与SBS改性沥青中SBS含量及老化时间的相关关系具有一致性,无法有效地区分SBS含量和老化时间对SBS改性沥青性能的影响;测力延度试验中的韧性指标与SBS含量正相关,且与SBS改性沥青老化时间负相关,是判别SBS改性沥青老化特征的有效指标.     

高黏SBS改性沥青的流变性能与化学特性

为研究SBS掺量、稳定剂含量和老化对高黏SBS改性沥青流变性能与化学特性的影响,针对SBS掺量和稳定剂含量不同的高黏SBS改性沥青,分别采用动态剪切流变仪(DSR)和凝胶渗透色谱(GPC)试验对老化(短期老化和长期老化)前后的改性沥青进行流变性能与化学特性分析.结果 表明:相位角主曲线可以很好地表征高黏SBS改性沥青在老化过程中的流变性能;高黏SBS改性沥青中由于广泛的交联作用,使得SBS中形成了大量共价键,因此即便是长期老化,仍有足够数目的共价键来维持SBS结构的完整性;相比无稳定剂的SBS改性沥青,稳定剂的添加大幅度改善了高黏SBS改性沥青的性能,但在已有稳定剂的基础上再增加稳定剂的含量对其性能的提升有限;SBS掺量高的改性沥青需要更长的搅拌时间,以保证SBS在沥青中发生充分溶胀;稳定剂含量高的改性沥青也需要更长的搅拌时间,使SBS分子之间发生交联作用.     

不同老化状态下SBS改性沥青的低温性能分析

采用低温小梁弯曲(BBR)试验,同时结合Burgers模型对不同老化状态下的SBS改性沥青进行低温性能分析,验证了PG低温分级和黏弹性指标间的相适应性,发现短期老化对星型SBS改性沥青的低温性能有利以及SBS改性沥青存在蠕变速率不足的问题.利用傅里叶红外光谱FTIR技术定量分析了老化对SBS改性沥青官能团的影响,并对沥青各项物理化学指标间的相关关系进行了研究,结果表明:SBS改性沥青的低温性能与脂肪长链指数有关,脂肪长链指数越小,SBS改性沥青的低温性能越好.     

SBS，SBR改性沥青抗紫外线老化性能对比

对低温性能较好的SBS,SBR这2种改性沥青在薄膜烘箱老化试验(thin film oven test,TFOT)以及经不同时长紫外线老化后的性能进行了室内试验分析对比.结果表明,SBR改性沥青原样及经薄膜烘箱老化后,其低温延展性能明显优于SBS改性沥青,但在接受一定时间的紫外线照射后,SBR改性沥青的低温延度发生骤减,相同温度下其延度不及SBS改性沥青,说明SBS改性沥青的抗紫外线老化性能比SBR改性沥青好,这为高寒、高海拔地区沥青路面改性剂的选择提供了新的参考.     

Influence of aging on the evolution of structure,morphology and rheology of base and SBS modified bitumen

The influence of aging on the evolution of structure, morphology and rheology of base bitumen and SBS modified binders was investigated by Fourier transform infrared (FTIR), atomic force microscopy (AFM) and dynamic shear rheometer (DSR), respectively. Two laboratory simulation aging methods, named standard rolling thin film oven (RTFO) test and pressure aging vessel (PAV) test were applied in this study. The aging temperature of PAV was selected at 60 °C, which is considered to be consistent with the real high temperature within an asphalt pavement in the field. After aging, it was found that more carbonyl and sulphoxide groups but less chain segments of butadiene were available. With the oxidation of base bitumen and the degradation of SBS segments, obvious asphaltene micelles appeared in both binders, consistent with the changes of softening point and rheology of base bitumen and SBS modified binders.     

SBS改性沥青热储存及运输过程中的降解研究

通过室内模拟低空气浓度(或相对绝氧)环境下苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青的热降解过程,测试和分析了不同条件下SBS改性沥青的性能.结果表明:在热降解过程中,SBS改性沥青低温抗裂能力随时间的延长或温度的升高而逐渐降低;与低空气浓度下热降解对SBS改性沥青微观结构的影响相比,SBS改性沥青在高空气浓度下热降解过程中有更高的羰基和更低丁二烯含量.在生产、储存和运输SBS改性沥青时,需要充分考虑时间、温度以及空气浓度对其性能的影响.     

高模量沥青胶结料路用性能流变学分析

以基质沥青、高模量改性沥青和SBS改性沥青的路用性能为研究对象,通过常规流变学试验方法,对比研究了高模量外掺剂和SBS改性剂对基质沥青黏弹特性的定性影响,并量化分析了不同外掺剂种类对基质沥青路用性能的影响;通过多应力重复蠕变恢复试验,对比研究了高模量外掺剂和SBS改性剂在提高基质沥青抗车辙能力上的差异和提高效果;基于加速疲劳试验方法对上述三大类沥青胶结料的疲劳损伤及失效特性进行对比研究,分析比较了不同沥青胶结料在疲劳损伤演化和疲劳寿命方面的差异.结果表明:RA(resin alloy)和PR(PR plasts)这2种常用高模量外掺剂在提高沥青胶结料劲度模量方面具有相近的效应;三大类沥青胶结料在相同试验温度条件下的永久变形抵抗能力排序为:高模量改性沥青SBS改性沥青基质沥青;三大类沥青胶结料疲劳寿命的排序为:SBS改性沥青高模量改性沥青基质沥青;此外,在使用相同基质沥青的条件下,掺加RA的高模量改性沥青比掺加PR的高模量改性沥青具有更好的抗疲劳性能.     

基于时间和温度依赖性的SBS/ 多聚磷酸复合改性沥青流变性能研究

为分析多聚磷酸掺量对SBS/多聚磷酸复合改性沥青高温流变特性的影响,对比复合改性沥青与基质沥青、SBS改性沥青流变特性的差异,本文采用SK90号基质沥青、制备4.5%SBS改性沥青以及SBS/多聚磷酸复合改性沥青。对沥青试样进行60℃频率扫描和30℃-60℃温度扫描试验,分析沥青结合料复数模量、相位角随加载频率和温度的变化规律。结果表明:SBS改性沥青、SBS/多聚磷酸复合改性沥青的复数模量值远大于基质沥青,SBS/多聚磷酸复合改性沥青的复数模量随着多聚磷酸掺量的增多而增大;SBS改性沥青和SBS/多聚磷酸复合改性沥青的相位角随荷载作用频率上升而迅速增大;SBS改性沥青和SBS/多聚磷酸复合改性沥青的温度敏感性较基质沥青有了显著的改;3.5%SBS+1.6%PPA复合改性沥青的复数剪切模量大于改性剂掺量为4.5%的SBS改性沥青。