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基于微观角度的沥青老化历程流变性能研究

宣布日期：

2025-06-24

摘要

为探讨沥青老化对沥青流变性能的影响，通过室内模拟试验对沥青举行老化，使用动态剪切流变(DSR)试验对老化前后沥青的流变性能转变举行剖析，借助傅里叶红外光谱仪(FTIR)与原子力显微镜(AFM)划分视察沥青原样与老化后沥青内部特征官能团和微观形貌的转变纪律，从沥青内部微观角度剖析老化作用对流变性能的影响。试验效果批注：老化后沥青的相位角减小，复数模量和车辙因子增大，内部天生了一系列含氧特征官能团，如羧基、亚砜基、醛基等，微观形貌中的“蜂”形结构数目增多，面积增大；老化历程中沥青流变性能与内部化学组成、微观形貌结构转变亲近相关，沥青的内部化学组分与微观形貌结构的转变对沥青流变性能转变起决议性作用。

要害词：蹊径工程 | 沥青老化 | 流变性能 | 化学组成 | 微观形貌

沥青作为常见的一种路面胶结质料，被普遍应用于沥青路面建设。沥青在生产、贮藏、运输、施工以及路面恒久服役历程中，受到外界情形与行车荷载的一直作用，不可阻止地会爆发老化，进而导致沥青各项性能的衰变[2，3]。由于沥青质料老化等缘故原由，沥青路面会泛起外貌剥落、裂痕等病害，降低服役性能[4]。

沥青的流变性关于沥青路面的路用性能有着很是主要的影响，动态剪切流变仪被普遍地应用到了沥青流变性测试中[5-8]。有学者接纳动态流变剪切仪对各老化后的沥青试样举行动态频率扫描试验，获得沥青的复数剪切模量、相位角主曲线，进而获得各试样的交织模量，发明基质沥青的氧化会造成其流变性能的大幅度下降，是沥青老化的主要缘故原由[9，10]；近年来，随着科学手艺与试验仪器的一直前进与更新，境内外学者越来越注重沥青的化学组成与微观形貌结构研究[4，11-14]。方金苗等[15]使用凝胶渗透色谱、原子力显微镜等微观表征要领对生物沥青再生气理举行研究，发明随着生物质重油掺量的增大，沥青中胶团逐渐解聚，获得的小蜂状结构逐渐被沥青中的轻组分消融，蜂状结构逐渐变小，且数目增多；Gong等[16]量化研究了沥青微观结构与其化学组分之间的关系，发明沥青AFM图像粗糙度与沥青极性组分和非极性组分的比例有较高相关性。

为了能够更深入地探讨沥青老化关于沥青流变性能的影响，本研究选取90号基质沥青为研究工具，举行室内模拟老化试验，划分获得短期老化与恒久老化后沥青试样，借助DSR、傅里叶光谱仪与原子力显微镜对沥青老化前后试样的流变性能、内部化学组分与微观形貌结构举行剖析，探讨沥青老化历程中内部化学组分与微观形貌转变对其流变性能的影响，为沥青热氧老化研究以及沥青再外行艺提供理论参考。

试验

试验原质料

本研究选取90号基质沥青为研究工具，依据《公路工程沥青及沥青混淆料试验规程》(JTG E20-2011)[17]所述试验要领对基质沥青举行相关性能的测试，其基天性能指标如表1所示。

基于微观角度的沥青老化历程流变性能研究

试验要领

(1)室内老化试验

接纳82型旋转薄膜烘箱对90号基质沥青举行短期老化试验，计取35g±0.5g沥青试样装入老化瓶中，旋转薄膜烘箱温度设定为163℃±0.5℃，空气流量为(4000±200)mL/min，箱转动速率为(15±0.2)r/min，老化时间一连85min，薄膜烘，即获得短期老化后的沥青试样。对短期老化后沥青残留物举行压力老化试验，模拟恒久老化历程。接纳9300型压力老化容器，试验参数为：老化温度100℃，空气压力2.1MPa，试验时间24h。

(2)动态流变剪切试验

接纳美国某公司研发的Discovery系列DHR-2型动态剪切流变仪举行流变试验，仪器如图1所示。试验所用的刚转子直径为25mm，间隙为1mm，对试样举行温度扫描。试验条件为：接纳应变控制模式，原样沥青应变γ=12％，RTFOT老化沥青应变γ=10％，压力老化(PAV)沥青γ=1％；试验频率为10rad/s；温度凭证PG分级，划分为46℃、52℃、58℃、64℃、70℃、76℃。

基于微观角度的沥青老化历程流变性能研究

(3)傅里叶红外光谱试验

接纳德国某公司生产TENSORⅡ红外光谱仪(如图2所示)丈量基质沥青与老化沥青红外光谱图，并举行比照剖析，判断沥青老化历程中化学特征官能团转变。接纳溴化钾压片法制样，测试时，红外光谱扫描规模为4000～400cm ^-1，扫描区分率为4cm ^-1。

基于微观角度的沥青老化历程流变性能研究

(4)原子力显微镜试验

试验用原子力显微镜接纳Dimension Icon型原子力显微镜，如图3所示。试验接纳热滴法制样，即将沥青加热至110℃，呈液状，滴到事先准备好的2.5cm×8cm×0.3cm玻璃片上自流平，即可获得AFM试样。试验参数为：扫描频率1.5HZ，扫描区域30μｍ×30μｍ，每个扫描区域扫描256×256个点。

基于微观角度的沥青老化历程流变性能研究

试验效果与讨论

沥青流变性能试验效果与剖析

图4给出了沥青在老化历程中流变性能试验效果。由图4(a)、4(b)可知，老化后的沥青相位角显着降低，复数模量增大。在炎热夏日，路表温度可以抵达60℃左右，故取沥青在58℃温度条件下为例举行研究，如图4(d)所示。在58℃下，相位角由原样的85.9°经由短期老化与恒久老化后划分降低到84.2°与76.4°，复数模量由原样的2.39kPa，经由短期老化与恒久老化后划分增添到4.17kPa与20.05kPa。

基于微观角度的沥青老化历程流变性能研究

由图4(c)可知，随着温度的一直升高，沥青车辙因子一直减小，抗车辙性能一直降低。比照短期老化、恒久老化后沥青与原样沥青车辙因子试验效果可知，沥青老化后其抗车辙因子增大，高温性能优于原样沥青。取58℃下3组试验样品的抗车辙因子数据，如图4(e)，原样沥青车辙因子为2.38kPa，短期老化后车辙因子为4.15kPa，恒久老化后沥青车辙因子为19.48kPa，批注恒久老化关于沥青高温流变性能的影响水平远大于短期老化。

傅里叶变换红外光谱试验效果与剖析

图5(a)～5(c)给出了原样沥青与RTFOT、PAV老化后沥青的傅里叶变换红外光谱转变，原样沥青、RTFOT老化沥青以及PAV老化沥青特征吸收峰位置基内情同，只是吸收峰的强度有所差别。

基于微观角度的沥青老化历程流变性能研究

图5(a)中原样沥青在1698cm^-1上没有峰位，图5(b)中基质沥青经由RTFOT老化后在1698cm^-1处也没泛起峰，而图5(c)中基质沥青经由PAV老化后在1698cm^-1泛起了吸收峰，说明基质沥青经由短期老化后天生羟基不显着，而恒久老化醛、酮等含氧组分含量转变较短期老化越发显着；随着老化历程的一直加深，沥青红外光谱图中1030cm^-1处亚砜基官能团所对应的峰值逐渐增大，说明沥青老化历程中，其内部硫元素与氧团结天生含氧的亚砜基官能团。

沥青微观形貌试验效果与剖析

将原样沥青与短期老化、恒久老化后沥青试样在相同试验条件下举行AFM试验，获得各试样的AFM微观形貌图像。对图像举行二值化处置惩罚，发明图中泛起显着的两相结构，一样平常以为是蜂窝结构与一连相，如图6、图7所示。

基于微观角度的沥青老化历程流变性能研究

由图6、图7可知，沥青经由室内模拟老化，其“蜂”形结构数目和面积爆发显着转变，短期老化后的沥青“蜂”形结构较基质沥青而言，其数目与面积基内情似，而恒久老化后沥青“蜂”形结构较基质沥青有着显着的差别，恒久老化后沥青“蜂”形结构数目显着变得麋集，且单个“蜂”形结构变小。其缘故原由在于，沥青在老化历程中陪同有内部化学组分的转变，主要体现在非极性组分(饱和分、芳香分)向极性组分(胶质、沥青质)转化，导致“蜂”形结构数目和面积爆发改变，使得沥青内部分子量相互作用力增强，进而影响沥青的流变性能。

微观指标与流变性能相关性剖析

在沥青一直老化历程中，其流变性能是由沥青自身微观形貌结构与内部化学组成转变所引起的，因此，沥青的流变性能转变与微观形貌结构、化学组成之间一定保存一定的相关性。

本研究使用红外光谱测定沥青老化历程中其内部特征官能团转变情形。沥青在老化历程中会与空气中的氧气天生系列极性含氧官能团，如羟基、亚砜、酮等，使得沥青内部分子间作用力越发细密。别的，AFM获得的微观形貌图像显示沥青内部“蜂”形结构在老化作用下数目逐渐增多。凭证“蜂”形结构与沥青质含量之间的相关性可知，随着老化历程一直加深，“蜂”形结构数目增多，即沥青内部沥青质含量增大，这与沥青流变性能效果中相位角减小、复数模量以及车辙因子增大效果一致。

结语

(1)随着沥青老化水平的一直加深，其相位角减小、车辙因子与复数模量增大，高温性能相对原样沥青有所提升；恒久老化作用关于沥青老化水平影响显着强于短期老化，即沥青老化主要爆发在恒久服役阶段。

(2)红外光谱试验批注，沥青老化历程中陪同着一系列含氧特征官能团的天生，导致沥青分子量变大，进而影响沥青的流变性能。

(3)沥青AFM试验中，“蜂”形结构在老化作用下，其数目增多，总体面积增大。

(4)在老化历程中，沥青流变性能与其内部化学组分和微观形貌结构的转变保存着一定的相关性，沥青的内部化学组分与微观形貌结构的转变对沥青流变性能转变起决议性作用，而沥青流变性能则是其内部化学组分与微观形貌结构转变的详细体现。

参考文献：

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[5]李秀君.沥青流变特征研究[D].西安:长安大学2002:87.

[6]李凯.沥青团结料流变性能与低温性能研究[D].呼和浩特:内蒙古大学,2019:121.

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[17]JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混淆料试验规程[S].

全文完宣布于《公路》2021年5月

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B091M 压力老化容器 (PAV)

沥青压力老化容器用来模拟现场沥青在效劳5～10年后（恒久老化）老化，试样袒露在高压和高温情形20小时（可选99小时），意大利matest沥青压力老化试验仪（PAV）切合实验室相关沥青老化标准。沥青压力老化试验仪由不锈钢压力容器（AISI304，由ASME和CE认证）和围绕容器的加热器组成，压缩空气至少2.1MPa，压力调理器维持实验要求的老化条件。

产品特点

▍沥青压力老化试验仪具备结实的不锈钢机架和容器

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▍温度和压力实时监测

▍集成 7 英寸彩色触屏控制器

▍通过传感器实时压力监测，标准规范试验压力 2.1±0.03MPa

▍通过 CE 和 ASME认证

B066M/B066N KIT旋转薄膜烘箱 (RTFO)

用于沥青旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)，以测试沥青薄膜在旋转中受温度和空气对其的影响，测定试验前后沥青性子的转变，以评价其老化性能。意大利matest的沥青旋转薄膜烘箱外部框架和内室壁都是不锈钢制成，双层中心有隔热的玻璃钢，门上有大玻璃视察窗利便检查。沥青旋转薄膜烘箱须毗连一个合适的空气压力源。包括一个高精度的数字式温控系统来确保163℃的测试温度，ASTM 13C标准温度计，循环透风装置和一套8个的玻璃试验罐，64 x 140mm ( 直径 x 高度），沥青旋转薄膜烘箱配备一个双重的恒温器以避免温度过高。

产品特点

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