文摘

沥青遭受一系列衰老过程的自然环境。这是沥青路面病害的一个重要因素。衰变过程的属性研究的自然风化沥青的特点将有助于区分各种类型的沥青路面材料的选择。整洁的沥青A70, styrene-butadiene-styrene——(SBS)改性沥青和沥青crumb-rubber-modified AR暴露在室外自然气候条件。这个过程是跟踪测试的基本物理性质和沥青的表面自由能,采用悬滴法。结果说明,沥青的基本物理性质变化显著的自然风化过程中,橡胶沥青的抗老化性更好,而整洁的沥青A70老化的敏感性较高。此外,SBS的存在和橡胶粉修饰符转换的表面自由能的变化趋势的沥青。骨料和沥青之间的附着力工作可以用来定量评价它们之间的粘合性能。同时,沥青和骨料之间的水分变化的内聚破坏脱胶。

1。介绍

在自然环境中,沥青将经历复杂的物理和化学反应的影响下阳光,氧气和热量,导致沥青性能的恶化1- - - - - -3]。沥青的粘附失效表现为骨料表面的剥落(由于水分的存在)是另一个重要因素,影响沥青路面的耐久性(4- - - - - -6]。因此,理解自然风化沥青的物理胶粘剂性能是至关重要的。

目前,研究沥青的老化是广泛的模拟。大多数研究是在实验室里进行。老化的方法包括薄膜烘箱试验(TFOT),滚动TFOT和加压老化船(7]。这些标准laboratory-aging方法是沥青的短期和长期老化模拟(8- - - - - -11]。模拟自然风化条件优化,研究人员评估天气加速老化后沥青的性能。沥青样本具有一定厚度辐照一段时间在指定的温度和辐照度的紫外辐射强度(12- - - - - -14]。然而,实验室模拟沥青样本的方法仍不能完全反映自然环境。因此,研究沥青老化的实际情况在自然环境中,一些研究人员正在暴露改性沥青户外条件让它们自然风化最多为一年(2,15,16]。这是足够的时间来实现一个模拟整个沥青暴露在户外的使用寿命的条件。

Asphalt-aging主要研究的目的是建立绩效指标量化的新旧程度沥青为了提高预测沥青的性质。目前,传统asphalt-aging性能的评价指标包括基本物理性质(例如,渗透,软化点和延性)和流变指标(如粘度、复杂的模量( ),和相位角(δ))(7]。许多现代测试方法,如原子力显微镜(AFM),已经被应用。AFM有可能测量微米大小的域间附着力差异在沥青粘结剂(17]。玉等人评价老化沥青的粘结力绑定使用AFM定量方法(18]。研究表明,沥青路面性能与内部的凝聚力和粘合剂asphalt-aggregate系统,和cohesive-adhesive结合相关系统的表面自由能的特点(19]。然而,研究沥青的粘性和胶粘剂性能的变化后自然风化(基于表面自由能理论)。

一般来说,传统和先进的性能指标可以实现asphalt-aging的评价和预测性能标准实验室老化方法和自行设计老化的方法。然而,研究沥青的老化方法的自然风化仍不足,和允许的自然衰老时间不够长。然而,研究后沥青的粘性和胶粘剂性能的自然风化(基于表面自由能理论)是显著的。

评价物理胶粘剂性能自然风化的沥青,沥青三种暴露于自然风化。每年,样本检索性能评价。在这一点上,他们已经老化了4年。性能指标包括渗透,软化点,延性和粘度。沥青样品的表面自由能是研究在不同老化时间。

2。材料和实验设计

2.1。材料

整洁的沥青A70渗透70级和sbs改性沥青(SBSMA)被用于这项研究。三种橡胶沥青,使用“湿过程。“橡胶沥青的性能指标如表所示1。根据“橡胶沥青路面建设规范”规定在中国,弹性恢复率不得低于70%时,软化点大于60°C。最后,橡胶沥青与22 wt % crumb-rubber-powder内容使用。A70的PG成绩、SBSMA和ar - 22% PG64-22, PG82-22和PG82-28分别。所使用的聚合物是石灰岩、玄武岩和花岗岩。

表1
基于“增大化现实”技术的性能指标三个内容。
2.2。衰老的过程

一定量的沥青是称重和倒在折叠和固定大小的银纸。然后,沥青的银纸放在玻璃板上,然后加载到烤箱。玻璃板块与统治者水平调整水平。烤箱温度控制在100°C和135°C,所以基础和改性沥青分布均匀,这样沥青膜的厚度是2毫米。最后,所有的样品都暴露在户外条件,这种情况下,北京城市的天气,温带季风气候地区年龄在自然环境中(见图1)。进行了自然老化4年来,从2016年1月至2020年1月。沥青是检索以每年的间隔进行测试。


图1
老化的自然风化的环境条件。
2.3。表征方法
2.3.1。基本性能测试

渗透,软化点,根据ASTM D5测量和延性,ASTM D36和ASTM D113分别。粘度是通过使用布氏粘度计。大约8.5克的样品放入布氏粘度计与主轴旋转试管和测试20 rpm,整洁的沥青和SBSMA (ASTM D4402) [7]。扭矩控制在50%的粘度测试基于“增大化现实”技术,在延性和拉伸速度测试基于“增大化现实”技术的沥青是1厘米/分钟,依照本法规定的“指导设计与施工的沥青橡胶和混合物在北京”(2006)。

2.3.2。接触角测试

沥青表面能的计算,标准液体的接触角与已知的表面能量参数对沥青表面必须被测量。在这个研究中,液滴的接触角测量方法下降形状分析仪器在德国。液滴方法示意图如图2。


图2
接触角测量的示意图。

根据理论的范Oss et al .,总表面自由能可以分为两个部分,即极性Lifshitz-van范德华(LW)组件和极地刘易斯酸碱(AB)组件(20.]。 在哪里 固体材料的表面自由能, 表面自由能的色散分量, 是极性成分的表面自由能。

接触角(θ)可以测量液体(l)是湿固体表面(S),和之间的相互作用能l和S可以通过杨氏方程描述如下(21,22]: 在哪里 表面能量(或表面张力)的液体, 是固体的表面能, 之间的界面张力是吗l和S。

根据界面张力理论,自旋界面自由能可以表示如下(23,24]: 在哪里 年代的色散分量表面自由能, 年代的极性分量表面自由能, 的色散分量吗l表面自由能, 的极性分量吗l表面自由能。

方程(4可以通过结合方程(获得)2)和(3)如下:

转置形式方程(4)所示如下:

根据方程(5),S的表面能参数后,能通过线性分析得到两个以上的表面能参数标准试剂是已知的,和年代表面上的接触角测量。在这项研究中,使用的试剂测试包括蒸馏水的表面自由能,甲酰胺,甘油,乙二醇。表面自由能和组件的试剂如表所示2。

表2
表面自由能成分的试剂(25]。

3所示。结果与讨论

3.1。基本物理性能

针入度指数是用来评价沥青的一致性。结果可以被认为是一个属性的材料,和它的柔软。图3显示了不同自然风化时间的沥青的渗透。沥青的针入度指数大大降低后一年的自然风化和衰减速度减慢后三年。表3介绍了残余渗透比率(渗透系数在衰老和衰老之前)的沥青。三种沥青中,渗透A70沥青减少最快的。其残余渗透比例仅为39.4%和18.5%,1年,经过4年的自然风化,分别。AR沥青下降最慢的渗透,其残余渗透比率是59.4%和37.0%后1年4年的自然风化后,分别。改性沥青的渗透率变化两者之间SBSMA瀑布。人行道上时将容易开裂渗透沥青在25°C的价值低于20(0.1毫米)。A70的渗透率值,SBSMA跌破20第二和第三年,分别。然而,基于“增大化现实”技术的价值仍高于20自然风化的四年后。这一发现表明,橡胶沥青AR还软,风化后难以破解。


图3
的渗透沥青与不同风化。
表3
残余渗透沥青的比例。

可以用来评价沥青软化点的易感性热量。图4提出了沥青的软化点不同的自然风化。比较表明,衰老的第一年之后,沥青软化点的增加最和稳步上升在随后的衰老过程。自然风化的影响的软化点的沥青A70是最重要的,但是对改性沥青的影响相对较小,和变化的两种改性沥青的软化点关闭。经过四年的自然风化、软化点变化A70, SBSMA,和基于“增大化现实”技术的48.8%,22.3%,和26.2%,如表4所示。


图4
软化点的沥青与不同风化。
表4
软化点的变化率。

沥青的流变特性是评价粘度指标,及其粘度在160°C。图5介绍了沥青的粘度不同的自然风化。沥青粘度(160°C)的增加逐渐老化的进展。橡胶沥青的粘度变化速率AR是小相比其他两种沥青,和粘度的增加经过四年的老化仅为45.7%,而整洁的沥青和sbs改性沥青的粘度增加高达432.4%和372.9%,分别如表所示5。这也表明,粘度是最敏感的地产指数的老化沥青和橡胶沥青的抗老化性。


图5
粘度沥青与不同风化。
表5
沥青粘度变化的速度。

沥青延性评价抗裂性是一个重要的性能指标。表6介绍了沥青在不同风化的延性日期时间。表中的数据5表明脆性破裂发生在整洁的沥青改性沥青SBSMA A70,,延性测试气候老化后1年。延性数据值0。sbs改性沥青的延性日期是11.6 (10°C)和0 (5°C)风化后1年。在随后的实验中,当测试温度增加到10°C,脆性断裂仍发生在沥青A70 SBSMA,虽然橡胶沥青的延性值仍然是可以测量的。这一发现表明,橡胶沥青在自然风化条件下具有良好的延性。

表6
沥青的延性日期。

上述分析表明,自然风化对沥青的基本物理性质产生重大影响。经过4年的衰老,渗透,软化点、粘度、沥青表现出不同程度的衰减和延性;老化的第一年最重要的影响。橡胶沥青的性能相对稳定,基础沥青A70老化的敏感性较高。

沥青将遭受一系列复杂的物理化学反应里在自然环境中,如挥发、氧化、缩合。这些反应会发生沥青,使它更难和更脆弱。氧化沥青的性能起着重要的作用。据赵等人的研究。16),当沥青暴露在自然环境中,会发生氧化,导致其羰基和亚砜含量的增加。羰基指数的变化(CI)同意明显的流变特性的变化。与此同时,在SBSMA羰基含量较少的增加,而整洁的沥青。这表明SBSMA,氧化,整洁的沥青的优越的抗衰老过程。SBSMA导致较慢的高粘度沥青的流动,从而降低氧化的机会。这导致基础沥青的物理性质的变化,比sbs改性沥青。羰基含量增加较小crumb-rubber-modified沥青比SBSMA [2]。这表明基于“增大化现实”技术的抗老化性优于SBSMA。羰基含量的变化速率也同意流变特性的变化比率。这是与本文中概述的研究结果一致。橡胶沥青的抗老化性,和基础沥青A70老化敏感性高。

3.2。凝聚力和胶粘剂的性能

沥青的接触角值与蒸馏水、甲酰胺、甘油,乙二醇试剂测量液滴的测试。沥青的表面能组件可以通过方程(5),计算接触角和表面自由能之间的关系。表7列出了沥青的表面自由能成分与各种自然风化。

表7
表面自由能沥青的组成部分。

表中的数据的比较分析7表明基础沥青的表面自由能A70随老化时间,和变化率达到16.9%经过4年的衰老。然而,SBSMA和基于“增大化现实”技术的第一表面自由能的增加,达到最大值后第二年老化,然后逐渐减少在未来2年。沥青主要是由非极性烃导致沥青的色散分量远远大于极性分量。然而,极地沥青化学团体的存在,比如在某些官能团,包括羰基(C = O)和亚砜(S = O),沥青的性能有重要的作用。自然风化后,表面能的极性分量的变化特征也很重要。A70沥青的极性分量随老化时间,而另外两种改性沥青的极性分量到达最小值经过3年的衰老和第四年增加。老化对沥青组成和沥青化学成分和表面自由能之间的关系需要进一步研究。

凝聚力的工作定义为均质材料时的能耗分为两个新的表面。价值可以从表面自由能计算以下方程: 在哪里 是工作的凝聚力, 沥青的表面自由能, 是色散组件, 是极性的组分。

图6介绍了沥青凝聚力的工作与不同的自然风化。凝聚力的工作有相同的变化趋势为沥青的表面自由能。基础沥青的粘性工作增加逐渐随着时间老化,和增加改性沥青的粘性工作最初,达到最大值后第二年老化,然后逐渐减少在未来两年。结果表明SBS的存在和橡胶粉变换矩阵的变化趋势的有凝聚力的工作沥青。这种现象使改性沥青后变得更加容易粘着破坏长期的自然风化。


图6
工作凝聚力的沥青。

粘附的工作可观测到的自由能下降时两相物质分离。在干旱条件下,可以计算出的值从表面自由能按照下列方程(25]:

水条件下,沥青和集料之间的粘附可以制定如下(25]: 在哪里 是附着在干燥条件下的工作, 粘附在水条件下的工作, 骨料的表面自由能, 色散和极性成分的总表面自由能, 是沥青和水之间的界面自由能, 骨料和水之间的界面自由能,然后呢 之间的界面自由能是骨料和沥青。

骨料的表面自由能成分表中列出8。石灰石的表面自由能是低于玄武岩和花岗岩。石灰石和玄武岩的色散元件是略大于极地组件,而花岗岩的色散分量要小得多比极地组件。根据方程(7)和(8),沥青和集料的粘附工作干和水的条件下可以获得。

表8
组件骨料的表面自由能。

工作在干燥条件下沥青和集料之间的粘附图所示7。这项研究的结果表明,骨料的表面能是影响胶性能的主要因素。在干燥条件下,沥青和玄武岩之间粘附的工作是最大的花岗岩是最小的。这一结果表明,沥青和玄武岩的粘着性和antispalling能力比花岗岩。与沥青的凝聚力工作相比,如图6,沥青的粘附工作和总大于三种沥青的凝聚力在干燥条件下工作。这表明,沥青混合料的内聚破坏将发生在干燥条件下优先,当受到外部力量。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图7
工作之间的附着力沥青和(a)石灰石,花岗岩玄武岩(b)和(c)在干燥的条件下。

然而,深化自然风化的沥青,沥青和集料之间的粘附的工作在干燥条件下显示一个下降的趋势,和数值略有变化。然而,对花岗岩的附着力的影响比较显著。自然风化作用降低了粘结剂沥青的性质。

水分的存在的一个重要因素的加速度的沥青混合料水损害。工作在水条件下沥青和集料之间的粘附图所示8。沥青和集料的粘附工作在水环境中显著降低,小于沥青在干旱条件下的衔接工作。水的存在会导致沥青和骨料的可怜的粘合强度。当水分损失发生时,沥青会脱落的表面聚合,而不是团结地失败。比较三个骨料,附着力的顺序工作,从最大的到至最少,石灰岩、玄武岩和花岗岩。沥青是一种弱酸性物质容易坚持碱性骨料。然而,花岗岩是一种酸石,花岗岩与沥青的粘附工作小于另外两个的总量,不管水存在。因此,从的角度来看粘附理论工作,花岗岩和沥青粘合剂性能不佳。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图8
工作与沥青粘附和(a)石灰石,花岗岩玄武岩(b)和(c)水条件下。

此外,在水条件下,沥青粘附与整洁的工作A70与老化时间逐渐增加,改性沥青的最初增加然后减少后4年的自然老化。这个观察符合沥青的表面自由能的变化趋势,但在干燥条件下不同。

沥青会遭受一系列复杂的物理和化学反应在自然环境中,因为阳光,热、氧气和水分。当沥青暴露在自然环境中,一些光组件将挥发。沥青也会改变组件的顺序。,将转化为芳烃树脂,树脂将转化为沥青质,和沥青质可以也变成了甲苯不溶性物质,因为分子协会和冷凝。羰基亚砜和其他复合组织生产,因为氧官能团的反应。

总的来说,沥青分子量的增加。然而,改性沥青的老化过程比较复杂。之间的交互SBS共聚物的分子量高,整洁沥青使改性沥青有更好的抗氧化性能。深化SBS的老化降解成小分子物质(16]。同样,在橡胶沥青、橡胶粉将pyrolyze,热解产物和氧化和凝结,从而使橡胶沥青的老化机理更为复杂。这一现象的原因可能是表面能的变化趋势。此外,改性沥青的粘附工作不同于简洁的沥青。

上述分析沥青的粘附和聚集显示每个聚合的财产在粘附的主要因素,而沥青性质和自然风化的影响相对较轻。花岗岩、水是否存在或缺席,沥青粘附是不太可能比另外两个聚合。与石灰石相比,玄武岩具有更好的粘附在干燥条件下,而灰岩水存在时具有更好的附着力。水分的存在改变内聚破坏到沥青和集料之间的粘附失效。胶粘剂的性能指标是相对独立的基本物理性质,需要进一步的研究。

4所示。结论

整洁的沥青A70、sbs改性沥青SBSMA crumb-rubber-modified沥青AR暴露在户外条件四年,自然风化。的物理性质、表面自由能和沥青胶粘剂性能的评估。可以得出以下结论:(1)自然风化导致沥青硬化和变得脆弱,从而减少穿透性和提高软化点和粘度。经过四年的衰老,沥青的残余渗透比率只有18.5%∼37.0%,和软化点的增加率达到22.3%∼48.8%。同时,老化的第一年最重要的效果。(2)橡胶沥青AR抗老化性优越,基础沥青A70老化的敏感性较高。橡胶沥青的粘度变化速率AR只有45.7%经过四年的衰老,而粘度增加的沥青和sbs改性沥青达到高达432.4%和372.9%。经过四年的老化,橡胶沥青的延性值仍大于3厘米,而其他两种类型的沥青有脆性断裂状态恶化。(3)整洁的沥青逐渐增加的表面自由能随着时间老化,而改性沥青最初增加,达到最大值后第二年老化,然后逐渐减少在未来两年。SBS和橡胶粉的存在改变的表面自由能的变化趋势的沥青。(4)粘附能有效评估胶粘剂性能的工作,和骨料的表面自由能和水分是影响胶性能的主要因素。在干燥条件下,附着力工作大约50乔丹·m−2,但水分存在时,粘附的石灰岩、玄武岩,花岗岩减少到大约30乔丹·m−223岁的乔丹·m−2,和12乔丹·m−2,分别。这些都是小于沥青的衔接工作,大概是33乔丹·m−2。这意味着存在水分变化的内聚破坏脱胶。

沥青会遭受一系列复杂的物理和化学反应在自然环境中,因为阳光,热、氧气和水分。沥青化学成分的变化应该进一步研究发现自然风化的法律,应该指导沥青的生产和应用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国中央政府的专项资金支持基础科学研究在公益研究机构(no.2018 - 9016)。