基于表面能理论的紫外线老化条件下温拌沥青的粘附特性研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:xiaogege0451
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温拌沥青混合料(WMA)技术是一种正在兴起的绿色筑路新技术、新材料。与热拌沥青混合料(HMA)相比施工温度降低了约30℃,减少近35%的能源消耗,降低30%的温室气体和45%的粉尘排放。由于WMA较低的集料加热温度,使得集料中残存水分较多,致使温拌沥青-集料界面粘附能力较低,相比HMA更易发生水损害。与此同时沥青作为一种高分子材料,在光、热等因素作用下易发生老化,从而影响其路用性能。在对温拌沥青的老化研究中,热老化研究较多且形成统一的试验规程;而紫外(UV)老化研究相对较少,尚无明确的标准;且在紫外光源的选择、设备的应用方面尚未达成共识。虽然紫外光在太阳光谱中仅占5%,但由于其波长最短,能量最高,可以破坏沥青材料分子结构,导致沥青路面性能衰减,加速了温拌沥青-集料体系粘附性能的衰减,因此温拌沥青的紫外老化不容忽视。为探究原材料及温拌剂掺量对温拌沥青粘附特性的影响,在基质沥青(SK、ZH和KL)中添加Evotherm M1(0%、0.5%、1.0%)与Sasobit(0%、1.5%、3.0%)温拌剂制备温拌沥青。采用自主研发的沥青紫外线老化室内加速模拟系统对沥青试样进行加速UV老化,在此基础上采用躺滴法测定了UV老化前后温拌沥青与蒸馏水、丙三醇和甲酰胺3种液体的接触角。基于表面能理论,得到了温拌沥青UV老化前后的表面能及其分量、粘聚功、粘附功、剥落功和配伍率,研究了UV老化对温拌沥青粘附性能的影响,以此来表征温拌沥青的粘附性能。结合红外光谱图像,依据特征官能团来分析原材料种类及掺量对温拌沥青粘附性能的影响。为进一步探究紫外老化条件对温拌沥青的粘附性能的影响,选用甘肃省常用的SK90#基质沥青为原样沥青,制备温拌沥青。对温拌沥青分别进行旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)、紫外老化(UV)和压力老化(PAV)试验。分别以表面自由能和官能团指数为指标评价温拌沥青的粘附特性,并比较UV老化前后温拌沥青红外光谱图的变化。同时,根据红外光谱图中官能团指数的变化,定量表征UV老化对温拌沥青化学结构的影响。在此基础上,对不同粘附特性指标与温拌沥青官能团指数之间进行相关性分析,从而建立UV老化条件下温拌沥青化学结构与粘附性能的内在关系。研究结果表明:(1)三种基质沥青中,KL沥青的表面能及其分量最大,SK沥青最小;KL沥青抗粘聚破坏的能力相对最强,而SK沥青发生粘聚破坏的可能性最大。结合三种沥青与石灰岩集料的粘附功、剥落功的变化情况,综合可知ZH沥青与石灰岩集料的粘附性能最好,SK沥青次之,KL沥青最小。对比隔氧和光氧耦合情况下温拌沥青的接触角,发现在UV老化时氧气的参与加快了沥青的老化进程。(2)Evotherm M1温拌剂的加入使温拌沥青的表面能及其分量、粘聚功、粘附功和配伍率较基质沥青有大幅度的提升,剥落功相对降低,Evotherm M1温拌剂在一定程度上能够提升沥青的粘附性能;反之,加入Sasobit温拌剂后沥青的接触角、表面自由能及其分量、粘聚功、粘附功、剥落功和配伍率朝向粘附性能降低的方向发展。UV老化导致Evotherm M1和Sasobit温拌沥青与石灰岩集料的粘附性能整体变差。(3)三种基质沥青和两种温拌沥青在1032cm-1处普遍存在亚砜基(S=O)伸缩振动吸收峰,在UV老化和PAV老化后于1700cm-1处普遍出现了羰基(C=O)特征官能团,并且该官能团峰值和面积随着老化时间的延长不断增大;1030cm-1处的亚砜基(S=O)官能团峰值和面积略有增大,亚砜基在短期的热氧条件下,发生了轻微热氧老化。(4)羰基指数与基质沥青、3%Sasobit温拌沥青UV老化后的粘附性能具有较好的相关性;Evotherm M1(0.5%、1%)温拌沥青和1.5%Sasobit温拌沥青在UV老化后的粘附功、剥落功与亚砜基指数相关性较大;对比分析,发现Evotherm M1温拌剂掺量为0.5%、Sasobit温拌剂掺量为3%时,更适合强紫外线地区使用。
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