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原文传递基于红外光谱的道路沥青老化性能表征及疲劳寿命评估

论文题名：	基于红外光谱的道路沥青老化性能表征及疲劳寿命评估
关键词：	红外光谱技术;沥青路面;道路老化;主成分分析;疲劳寿命
摘要：	沥青老化所引起的路面多种病害在一定程度上不仅缩短了沥青路面的使用寿命，同时也提高了沥青路面维护成本，更为严重的是影响了交通运输的畅通和行车安全。研究沥青的老化程度、老化过程中的物理变化、微观结构变化以及抵抗高温变形能力对沥青老化性能的研究和降低沥青路面的道路养护成本具有重大现实意义。本文针对沥青路面常用的两种70#基质沥青和两种SBS改性沥青进行了RTFOT和PAV老化试验，基于红外光谱技术(FTIR)研究了沥青在热氧老化过程中物理性能、微观结构和流变性能的演化规律，基于灰熵关联理论建立了以PG上限温度值TPG为参数的高温老化预估方程;分析了老化对沥青混合料路用性能的影响，最后以耗散能变化率为疲劳寿命评价指标，结合FTIR和主成分分析方法(PCA)建立并验证了沥青老化时程和疲劳寿命预估模型，为沥青路面老化性能评价体系的建立奠定了理论基础。主要成果如下: 　　(1)老化后TPC70#沥青的软化点增幅最大，SBS-2改性沥青和JL70#沥青次之，SBS-1沥青的软化点增幅最小，表明SBS-1沥青抗老化性能最强，TPC70#沥青抗老化性能最差。随着老化程度的加深，两种70#基质沥青的针入度和延度趋于接近;两种SBS改性沥青的针入度和延度也趋于接近，且SBS改性沥青老化后的针入度比70#基质沥青小，延度比70#基质沥青大，表明添加SBS改性剂可以明显改善沥青的老化性能。135℃粘度与RTFOT老化时间的关系可以用线性关系来描述。　　(2)通过对比70#基质沥青和SBS改性沥青红外光谱图，发现可通过700cm-1和967cm-1处有无特征吸收峰来区分70#基质沥青与SBS改性沥青，这对研究基质沥青与改性沥青种类判别具有重要意义。以A1基准(650～1400cm-1范围内的峰面积和)计算得出各样品的官能团指数，发现两种70#基质沥青官能团指数非常接近，说明它们的饱和分、芳香分、胶质和沥青质含量较为接近。亚砜基和羰基能在一定程度上反映沥青老化程度。分析了四种沥青的老化指数(IA)与老化时间的关系，绘制了沥青老化程度曲线，拟合优度R2均大于0.91，其中，SBS-1改性沥青的线性拟合相关度高达0.9815，因此，根据沥青老化指数IA得到的拟合曲线方程可在一定程度上预测沥青老化程度。以未恢复蠕变柔量Lr和恢复率R指标评价沥青抵抗高温变形能力，四种沥青的高温抵抗变形能力排序依次为SBS-2＞SBS-1＞TPC70#＞JL70#。建立了沥青的官能团指数与Jnr和R的预测模型，相关性系数较高，且通过了F检验，最后验证了模型的可信度，表明沥青老化后其高温抵抗变形能力与化学官能团含量变化呈现出多元线性关系，可通过衰减全反射红外光谱对老化沥青的高温流变性能进行预测。　　(3)分析了两种70#基质沥青老化前后四组分含量变化及胶体结构变化，JL70#的沥青质增加速率较TPC70#慢，且JL70#的胶体不稳定指数Ic低于TPC70#沥青，表明JL70#沥青老化后的胶体结构比TPC70#沥青相对稳定，其抗老化能力也优于TPC70#沥青。老化作用使沥青混合料的高温稳定性增强，使沥青混合料性能的低温性能和水稳定性都有显著衰减，表现为低温劲度增大，变形能力显著减弱，同时亲水性增强，加速了水损害。基于灰熵关联数学模型，探讨了沥青高温指标与特征官能团指数的关联程度，用Verhulst数学模型和1stOpt数据非线性拟合软件对PG分级试验结果进行了非线性拟合，建立了以PG上限温度值TPG为参数的高温老化预估模型，且TPG所建方程的计算值与实测值之间相关性较好，具有一定的可靠性。　　(4)结合FTIR技术与主成分分析方法(PCA)，确定了两个主成分因子，分别定义为氧化因子PCA1和组分变化因子PCA2，基于因子综合评价的综合指标F，建立并验证了沥青老化时程预估模型，可在一定程度上实现沥青老化时程快速预测。最后，比较了基于四种不同评价指标的沥青疲劳寿命，结果表明:NDER、NRDR和NG在一定程度上低估了疲劳寿命，以耗散能变化率为评价指标的NRDEC最接近沥青的真实疲劳寿命。以NRDEC为疲劳寿命评价指标，四种沥青的疲劳寿命排序依次为:SBS-1＞SBS-2＞JL70#＞TPC70#，且NRDEC与老化时间呈指数相关，并在此基础上建立了沥青疲劳寿命的预估模型。
作者：	严园
专业：	机械工程
导师：	周兴林;冉茂平
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉科技大学
学位年度：	2021