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原文传递橡胶改性沥青热氧老化机理与性能评价

论文题名：	橡胶改性沥青热氧老化机理与性能评价
关键词：	橡胶改性沥青;橡胶粉降解;老化机理;老化敏感指标;老化阶段
摘要：	废弃轮胎大量堆积污染环境，占用土地资源，将废弃轮胎破碎成粉末可作为沥青改性剂，用于改善沥青路面耐久性能。橡胶改性沥青路面服役过程中，受老化作用影响而导致其性能发生演化。橡胶改性沥青为多相复合材料，从而导致其性能演化规律较为复杂，对橡胶改性沥青老化机理认识也受限。目前老化橡胶改性沥青路面面临再生难题，划分橡胶改性沥青老化阶段是老化沥青再生前提，当前对此开展相关的研究较少。针对上述关键问题，本文主要开展了以下研究：　　（1）本研究利用微观测试方法（SEM、GC-MS、FTIR、GPC）分别表征了老化橡胶改性沥青“沥青相”与“橡胶粉”的老化状态。对于“沥青相”，老化过程，橡胶改性沥青中羰基、亚砜基、聚丁二烯官能团含量增大。对于“橡胶粉”，橡胶粉改性剂降解释放大分子聚合物至沥青相，并进一步降解为小分子组分。老化橡胶改性沥青中“橡胶粉”降解与交联同时发生。随橡胶粉降解，橡胶粉中橡胶烃含量减少，炭黑等组成成分也释放至沥青相。橡胶粉改性剂降解产物在沥青相中又老化生成4-（2-噻吩基甲基氨基）-乙酯苯甲酸，其次是4-羟基-6-甲基-1-噻吩-2-基甲基-1氢-吡啶-2-酮，以及1氢-吲哚-2-羧酸，6-（4-乙氧基苯基）-3-甲基-4-氧代-4,5,6,7-四氢异丁基酯。橡胶粉降解导致橡胶粉颗粒效应降低，其内部蓬松结构也逐渐消失，从而引起橡胶粉-沥青交互作用降低。橡胶改性沥青不具有“蜂型结构”。老化导致沥青微观粗糙度、微观模量增大，表面能、粘附力降低，相比于基质沥青，橡胶改性沥青具有更小的粗糙度与较大的粘附力。　　（2）基于流变学指标研究了老化橡胶改性沥青黏弹特性与性能演化规律，建立了考虑老化时间、橡胶粉掺量的性能预估模型。老化过程中，主曲线低频域内，橡胶改性沥青复数模量、相位角均出现了“阶段性”演化规律。橡胶改性沥青相位角主曲线中频域内出现“平台区”，但随橡胶粉降解程度增大，“平台区”逐渐消失。平台区出现或消失，以及Blackspace图曲线与Han曲线斜率均可作为评价橡胶粉降解程度指标。老化橡胶改性沥青疲劳与低温性能呈现单调递减的演化规律，其高温性能则具有“阶段性”演化规律。与沥青松驰、延展性相关指标对于评价老化橡胶改性沥青低温性能存在局限性。与沥青延展性相关的参数对于评价老化橡胶改性沥青疲劳性能也存在局限性。高温性能指标G/sinδ、低温性能指标蠕变变形ε、疲劳性能指标Nf与老化橡胶改性沥青微观结构参数具有较强相关性，可作为反映其流变性能演化特征的性能指标，并基于上述指标建立了BP神经网络预估数学模型。　　（3）老化橡胶改性沥青流变性能具有阶段性演化规律，流变指标的非单调性会造成对其老化程度的错误评价，本文通过熵值法与灰色关联分析方法评价了橡胶改性沥青老化指标敏感性。基于橡胶改性沥青性能阶段性演化特征，结合橡胶粉改性剂降解程度，划分了橡胶改性沥青老化阶段，并初步提出了老化橡胶改性沥青再生指导准则。沥青羰基指数IC=O、微观模量对橡胶改性沥青老化程度变化较为敏感，可作为评价橡胶改性沥青老化的指标。橡胶改性沥青老化过程可划分为三阶段：阶段一（未老化-PAV20h），老化橡胶改性沥青以“沥青相”老化为主，再生时以补充轻组分为主；阶段二（PAV20h-PAV60h或PAV20h-PAV80h），橡胶粉改性剂降解程度较大，导致沥青软化。再生时补充适量轻组分和聚合物改性剂；阶段三（PAV80h-PAV100h），橡胶粉中大部分橡胶烃降解完毕。再生时，补充轻组分同时添加足量聚合物改性剂。　　（4）基于BP神经网络模型建立了橡胶改性沥青多相结构老化行为与其流变性能的量化关系数学模型，基于灰色关联分析方法得到了影响老化橡胶改性沥青性能的微观结构因素。橡胶粉-沥青交互作用、残余橡胶粉颗粒效应对于老化橡胶改性沥青的高温性能指标G/sinδ、疲劳性能指标Nf影响显著。沥青相老化程度、橡胶粉降解生成的聚合物断链结构对于老化橡胶改性沥青的低温性能指标低温蠕变变形ε影响显著。
作者：	陈瑞璞
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	朱洪洲
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023