全气候作用下沥青混合料中沥青纳米级老化机理和老化动力学研究

The vast majority of China's highway and airport pavement are paved with asphalt mixtures. The asphalt aging of the asphalt pavement is still one of the main reasons it is damaged. To increase the service life of asphalt pavement, the anti-aging property of asphalt binder has to be improved. How to understand the mechanism of asphalt aging is an important topic in the field of bitumen and asphalt pavement. The current asphalt accelerated aging methods are limited to the single influencing factor and to asphalt binder. This form of actual pavement aging - - - asphalt mixture aging under the influence of climate factors, is significant different from the current methods. This project explores the accelerated aging for asphalt mixtures in the combination efforts of heat, oxygen, light, water, climate and environment multi-factors with the most state-of-the-art atomic force microscopy (AFM), mature gel permeation chromatography (GPC) and infrared spectroscopy (IR), respectively, from the perspective of the nano-scale molecular level and functional groups. The project also explores the inherent law between the changes in microstructure and mechanical properties of the asphalt under the multi-climate environmental factors and mixture factors, establishing the asphalt life prediction model in the long-term effect of the all-weather. The study can reflect more scientifically the actual process of aging of the asphalt pavement to provide a theoretical basis for the production of high quality and durable asphalt and asphalt mixtures.

我国公路和机场路面绝大部分是沥青路面。沥青老化仍然是它损毁的主要原因之一。要提高沥青路面使用寿命必须提高沥青抗老化的性能。如何科学的解明沥青的老化规律，一直是沥青路面领域的重要课题。目前的沥青加速老化方法局限在单影响因素和沥青胶结料。这与实际路面老化形式- - 沥青混合料在气候多因素综合影响下的老化， 有明显差异。 本项目探索沥青混合料在热、氧、光、水等气候环境多因素综合加速老化下沥青的老化内在规律， 用最先进的原子力显微镜技术(AFM）、成熟的凝胶渗透色谱(GPC) 和红外光谱(IR)技术，分别从纳米尺度、分子水平和功能团角度探索 沥青在多气候环境因素和混合料因素下的微观结构和力学性能的变化，科学地探明沥青老化的微观变化和力学性能间的内在规律，提出全气候长期作用下的沥青寿命预测模型。该研究使沥青老化更能科学地反映沥青在实际沥青路面的老化过程，为生产长寿耐久的沥青及沥青混凝土提供理论依据。

沥青路面的实际使用寿命远低于其15年的设计寿命。因此成千上万公里的沥青路面的路况因达不到要求，而需要巨大资金对其进行养护。沥青的老化是公路和机场沥青路面损毁的主要原因之一。提高沥青抗老化能力是延长公路和机场沥青路面的最有效的方法之一。沥青材料的老化问题特别是抗老化机理的研究一直是行业界重视的课题，也取得了一定的成果。目前的沥青老化方法和设备还主要针对沥青的氧和热老化，沥青混合料的老化主要还是使用一般烘箱，考虑热老化为主。沥青老化的评价以传统的宏观力学为主。.本研究研制了可以考虑全气候沥青老化的老化设备。对AC、Super、SMA和OGFC四类沥青混合料的马歇尔和车辙板试件分别进行了1000、2000和3000小时的老化。对老化后的试件进行各类宏观性能试验，同时对试件中的沥青进行抽提和萃取。萃取后的沥青，用原子力显微镜（AFM）测定纳米尺寸的形貌，粘附力和弹性模量；用蠕变仪测定沥青的蠕变特性；用傅里叶红外光谱仪测定沥青官能团特性；用色谱柱分析其四组分。全面探索了沥青混合料中沥青在全气候条件下老化机理。.该全气候老化箱成功地用来老化不同骨料和级配的各类沥青混合料试件，成功考虑了全气候因素中的氧、水、热和紫外线老化的影响。AFM技术成功地测试了萃取的不同老化程度沥青的纳米级的形貌、粘附力和弹性模量。AFM自带的图像处理分析软件—NanoScope Analysis分析出它们的粗糙度因子（roughness indexes），定量地评价测试所得形貌、粘附力和弹性模量。用纳米级的形貌、粘附力和弹性模量中三种相态，特别是“峰状结构”可以很好的表征沥青的老化程度。建立了纳米级的沥青性能与其蠕变性能、官能团、四组分间的相关性。用这些微观参数建立了在全气候条件下的沥青老化非线性预测模型。.本项目开创了使用原子力技术测定的纳米级参数来分析沥青老化的内在机理方法，揭示了沥青在全气候条件下的老化规律。为更好的研究沥青老化机理，提供了一个崭新的方法，同时为生产抗老化耐久的沥青提供了一个科学的理论基础。