冻融循环下沥青特征官能团含量与流变参数灰熵分析及微观形貌

引用本文

念腾飞, 李萍, 林梅. 冻融循环下沥青特征官能团含量与流变参数灰熵分析及微观形貌[J].吉林大学学报（工学版）, 2018,48(4): 1045-1054
NIAN Teng-fei, LI Ping, LIN Mei. Micro-morphology and gray entropy analysis of asphalt characteristics functional groups and rheological parameters under freeze-thaw cycles[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2018,48(4): 1045-1054 复制到剪切板

Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170802
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冻融循环下沥青特征官能团含量与流变参数灰熵分析及微观形貌

念腾飞, 李萍, 林梅

兰州理工大学土木工程学院,兰州 730050

通讯作者:李萍(1972-),女,教授,博士生导师.研究方向:道路建筑材料.E-mail:lzlgliping@126.com

作者简介:念腾飞(1989-),男,博士研究生.研究方向:道路建筑材料.E-mail:tengfeinian@163.com

基金:国家自然科学基金项目(51668041); 甘肃省科技支撑项目(1504GKCA031); 甘肃省高校科研项目(04-055002).

摘要

为了更好地将沥青化学组分变化与沥青路用性能联系起来,提高寒区沥青路面的耐久性。本文联合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和动态剪切流变(DSR)测试技术,基于灰色关联熵分析数学模型,探讨了冻融循环下沥青流变特性参数和特征官能团含量的变化情况及其关联程度,结合扫描电子显微镜(SEM)表征了冻融循环前、后沥青结构的微观形貌变化情况。研究结果表明:沥青在冻融循环下,发生了水-温老化反应;不同冻融循环次数下,沥青FTIR谱图中亚砜基与羰基呈现出明显增大的趋势、沥青复数剪切模量对数值随温度的升高呈现出负线性增长的趋势、相位角随温度的升高呈现线性增长的趋势、抗车辙因子随温度的升高呈现指数衰减的趋势;沥青化学组分变化对流变特性参数影响程度由大到小的排序为:羰基、芳香族化合物、非对称脂肪族化物、脂肪族化物、亚砜基;基质沥青经过水冻融循环后,沥青膜结构出现明显的褶皱和絮状区。

关键词: 道路工程; 冻融循环; 沥青; 特征官能团; 流变特性参数; 灰熵分析; 微观形貌

中图分类号:U414.1 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2018)04-1045-10

Micro-morphology and gray entropy analysis of asphalt characteristics functional groups and rheological parameters under freeze-thaw cycles

NIAN Teng-fei, LI Ping, LIN Mei

School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

Abstract

In order to better link the chemical analysis with the pavement performance of asphalt binders, improve the durability of asphalt pavement in cold areas, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Dynamic Shear Rheological (DSR) test were used to analyze the changes of asphalt rheological parameters and characteristic functional groups under freeze-thaw cycles. The relationship between the rheological properties and the content of characteristic functional groups of asphalt was discussed based on gray relational entropy analysis model. The microstructure of the asphalt before and after the freeze-thaw cycle was characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM). Results show that water-temperature aging reaction occurs in the asphalt during the freeze-thaw cycles. Under different freeze-thaw cycles, the sulfoxide and carbonyl groups in the asphalt FTIR spectrum show a significant increase. The logarithm of asphalt complex modulus has a negative growth relationship with the increase in temperature. The phase angle changes linearly with the temperature. The rutting factor exhibits and exponential decay pattern with temperature. The asphalt chemical compositions influence the rheological properties in the order carbonyl,asymmetric aliphatic,sulfoxide. The asphalt film structure appears obvious folds and flocculent areas after water freeze-thaw cycles.

Keyword: road engineering; freeze-thaw cycles; asphalt; characteristic functional group; rheological parameters; gray entropy analysis; micro-morphology

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0 引言

沥青路面以其行车平稳、舒适、振动小、噪音低及便于维修养护等诸多优点, 受到世界各国的青睐^[1, 2]。然而, 沥青化学组分变化和流变特性对其路用性能的优劣起关键作用, 选用优良的沥青材料可有效减少路面出现开裂、车辙、沉陷和剥落等一系列早期病害^{[3, 4]}。由于沥青材料的典型黏-弹性材料特性, 目前我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)采用针入度等级标准来评价沥青材料已不能全面反映沥青材料的路用性能^[5]。因此, 采用化学组分分析和流变学特性参数分析相结合的方法对沥青材料的力学性能进行研究, 有助于进一步揭示沥青材料高温流淌与低温脆裂现象的本质原因, 对沥青材料路用性能研究具有重要的现实与理论价值^{[5, 6, 7]}。

为探明寒区沥青化学组分变化对其流变学特性参数的影响。本文联合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和动态剪切流变(DSR)测试技术、采用扫描电子显微镜(SEM)对冻融循环前后沥青微观形貌结构进行表征, 基于工程系统理论— — 灰色关联熵分析法, 探讨冻融循环下沥青特征官能团含量变化与沥青流变特性参数复数剪切模量 $G^{*} 、相位角 δ$ 以及评价沥青高温抗车辙能力指标车辙因子 $G^{*} / \sin δ$ 的关联程度, 从而指导沥青路面设计材料的选择与应用。

1 材料与方法

1.1 主要试验原料

试验所用沥青为90^#A级天津产壳牌克练石油沥青(KL90), 根据现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)检测试验所用沥青的各项技术指标(见表1), 其各项技术指标均符合规范要求。

表1 沥青技术指标测试结果 Table 1 Asphalt technical indicators

1.2 试样制备和试验方法

1.2.1 DSR试样

按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0602的方法制备试样。将原样沥青置于(130± 5) ℃烘箱中加热2 h至足够流动状态, 并浇筑于试验板中心处使沥青基本覆盖整个试验板(除周边留有2 mm宽, 见图1(a)), 待沥青变硬后将试样从试验板上取下便可得DSR试样。

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	图1 试验测试用试件Fig.1 Test of samples

1.2.2 可施加损伤FTIR试样

参考本文作者已授权的实用新型专利《可施加损伤FTIR沥青试件制备机》(2017204972660)方法制备FTIR试样, 制备的试件如图1(b)所示。

1.2.3 冻融循环试验方法

对制备好的试样, 按以下步骤进行冻融循环试验:

(1)将制备好的FTIR与DSR试件放入培养皿中用生活用水浸泡6 h。

(2)将培养皿中的水倒掉, 把试件置于培养皿中在-20 ℃的冰柜中冻12 h。

(3)待达到冻融时间时, 将装有试件的培养皿置于恒温室融化6 h, 恒温室的温度为(25± 0.5) ℃、湿度控制在35%~60%。

以上(1)~(3)步为1个冻融循环过程, 本研究中对经0、3、6、9、12、15和18次的沥青试件进行大量的FTIR与DSR测试。

1.3 测试与表征

1.3.1 DSR测试

试验用高精密TA-AR1500ex流变仪产于美国, 试件尺寸为直径25 mm、试验板间隙(1.00± 0.05) mm, 试验采用温度扫描的模式对经冻融循环0、3、6、9、12、15和18次后的沥青试样进行测试, 温度测试范围为52~76 ℃, 间隔为6 ℃, 试验频率为10 rad/s, 用控制应力的方法对试件进行测试, 其应力水平为120 Pa。

1.3.2 FTIR测试及定量分析方法

试验用傅里叶变换红外光谱仪为美国产Thermo Scientific Nicolet iS5便携式傅里叶变换红外光谱仪。试验测试范围为650~4000 cm^-1, 分辨率为4 cm^-1, 扫描次数为32次, 并选取衰减全反射(Attenuated total reflectance, ATR)iD Foundation-Multi-bounce ATR ZnSe水平槽形附件进行谱图采集, 采用涂膜法将沥青涂抹到ATR晶体上测试。

以吸收峰两侧最低点的切线为校正基线来计算吸收峰面积。依据朗伯-比耳(Lambert-Beer)定律, 对沥青胶结料的FTIR谱图进行定量分析。特征官能团的峰面积比定义如下:

$\{\begin{array}{l} I_{B, a} = (A_{1376} + A_{1456}) / \sum A \\ I_{B} = (A_{2920} + A_{2852}) / \sum A \\ I_{Ar} = A_{1600} / \sum A \\ I_{C = O} = A_{1700} / \sum A \\ I_{S = O} = A_{1031} / \sum A \\ W = (I_{a} - I_{o}) / I_{o} \end{array}$ (1)

式中: $I_{B, a}$ 为非对称脂肪族官能团指数(C-CH₃); $I_{B}$ 为脂肪族官能团指数(CH₂, CH₃); $I_{Ar}$ 为芳香官能团指数; $I_{C = O}$ 为羰基官能团指数; $I_{S = O}$ 为亚砜基官能团指数; $W$ 为沥青各官能团随老化的变化率; $I_{a}$ 为各沥青胶结料老化后各官能团指数; $I_{o}$ 为各沥青未老化各官能团指数; A₁₀₃₁、A₁₃₇₆、A₁₄₅₆、A₁₆₀₀、A₁₇₀₀、A₂₈₅₂、A₂₉₂₀为1031、1376、1456、1600、1700、2852、2920 cm^-1处对应的峰面积; ∑ A为沥青指纹区谱峰范围内不同特征峰峰面积之和, 即:

$\begin{array}{l} \sum A = A_{1700} + A_{1600} + A_{1456} + A_{1376} + A_{1306} + \\ A_{1162} + A_{1031} + A_{968} + A_{861} + A_{810} + A_{744} + A_{722} \end{array}$ (2)

1.3.3 SEM微观形貌表征

试验用德国产蔡司(ZEISS)EVO18扫描电子显微镜对沥青试样进行表征测试, 该电镜最大放大倍数为10万倍。其具体方法为:①将沥青样品融于三氯乙烯中配成质量分数为10%的沥青溶液; ②将沥青样品溶液均匀滴在贴有导电布的金属呈样桩上, 并置于红外灯下干燥; ③待三氯乙烯完全挥发样品干燥时, 对试样进行喷金处理; ④对沥青试样进行SEM测试。

1.4 灰色关联熵分析理论数学模型

灰色控制系统是一种新型工程系统理论, 其应用方向之一灰色关联熵分析虽被广泛应用于众多的科研领域当中^{[8, 9]}, 但在沥青材料化学组分与路用性能特性参数方面的探究鲜有报道。灰色关联熵分析具体步骤如下:

(1)建立灰熵分析参考序列和比较序列

依据功能性、可获取性、完整性、可比性和非重叠性原则选取映射量^[10]。将被影响因素建立成参考序列 $Y_{0} = {y_{0} (k), k = 1, 2, \dots, r},$ 将影响因素建立成比较序列 $Y_{j} = {y_{j} (k), k = 1, 2, \dots, r},$ 其中j=1, 2, …, n。

(2)参考序列与比较序列初值化

在计算过程中, 为了消除数据量纲及数量级对分析结果的影响^{[11, 12]}, 对参考序列与比较序列数据进行无量纲化处理, 其处理方法为: $Y_{0}$ 序列中所有列数据均除以 $y_{0} (1),$ 得初值化处理后的参考序列为 $X_{0}; Y_{j}$ 序列中所有列数据均除以 $y_{j} (1), 得初值化处理后的比较序列为 X_{j} 。$

(3)计算灰关联系数

通过式(3)对模型中灰关联系数进行求解:

$\begin{array}{l} ξ_{j} [x_{0} (k), x_{j} (k)] = \\ |\frac{\min_{j} \min_{k} Δ_{j} (k) + ρ \max_{j} \max_{k} Δ_{j} (k)}{Δ_{j} (k) + ρ \max_{j} \max_{k} Δ_{j} (k)}| \end{array}$ (3)

式中: $ξ_{j} [x_{0} (k), x_{j} (k)]$ 为灰关联系数; $ρ$ 为分辨系数, 取值为[0, 1], 一般取 $0.5; Δ_{j} (k) = | x_{0} (k) - x_{j} (k) |; \min_{j} \min_{k} Δ_{j} (k)$ 为两极最小差; $\max_{j} \max_{k} Δ_{j} (k)$ 为两极最大差。

(4)计算灰关联熵与灰熵关联度

为避免失真现象, 需保证比较序列始终在参考序列的上方或下方^[11], 即规定 $\forall X_{j}, j = 1, 2, \dots, n, 恒有 x_{0} (k) \geq (或者 \leq) x_{j} (k), k = 1, 2, \dots, r 。$

设 $R_{ξj} = {ξ_{j} [x_{0} (k), x_{j} (k)], k = 1, 2, \dots, r}, 且记 p_{h} \in P_{j}, 则映射 R_{ξj} \to P_{j},$ 有:

$\begin{array}{l} p_{h} ≜ \frac{ξ_{j} [x_{0} (h), x_{j} (h)]}{\overset{r}{\sum_{k = 1}} ξ_{j} [x_{0} (k), x_{j} (k)]} \\ h = 1, 2, \dots, r \end{array}$ (4)

式中: $P_{j} 为灰关联系数分布映射; p_{h}$ 为映射值(分布密度值), 满足∀ _h, p_h≥ 0且∑ p_h=1。则称函数

$H (R_{ξj}) ≜ - \overset{r}{\sum_{h = 1}} p_{h} \ln p_{h}$ (5)

为序列 $X_{j}$ 的灰关联熵, 其灰熵关联度为:

$E_{r} (X_{j}) ≜ \frac{H (R_{ξj})}{H_{m}}$ (6)

式中: $H_{m} = \ln r 为灰熵的最大值; E_{r} (X_{j}) 为 X_{j}$ 的灰熵关联度, 灰熵关联度越大, 表示影响越显著。

2 结果与讨论

2.1 流变特性参数讨论与分析

SHRP推荐采用复数剪切模量 $G^{*}$ 和相位角 $δ$ 来描述沥青材料的黏弹性性能。在图2中给出了试验用沥青材料冻融循环下 $\ln G 、 δ 和| G^{*} | / \sin δ$ 随温度的变化。复数剪切模量 $G^{*}$ 是度量材料受重复剪切时所产生的总阻力; 相位角 $δ$ 是沥青黏性成分和弹性成分的比值, $δ$ 越小, 沥青受到荷载作用后变形更容易恢复; 特征函数 $G^{*} / \sin δ$ 是评价沥青高温特性的技术指标, 也称为车辙因子, 反映沥青材料抵抗永久变形的能力^{[13, 14]}。

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	图2 不同冻融循环次数下流变特性参数随温度变化Fig.2 Rheological parameters of different freeze-thaw cycles varying with temperature

从图2可以看出, 经过不同冻融循环次数n后, 沥青复数剪切模量、相位角和车辙因子的温度扫描曲线随温度的变化较大, 根据菲克定律^{[15, 16]}, 沥青在水冻融循环下, 沥青和水接触的表面和内部化学物质的浓度梯度力促使水进入沥青空隙中, 导致沥青内部水溶性物质(亲水基团)被水溶解, 引起沥青物料组成比例发生变化, 发生了水-温老化反应。从图2(a)可以看出, 沥青复数剪切模量对数值随温度的升高呈现出负线性增长趋势, 随着不同冻融循环次数的增大呈现出增大的趋势, 且变化曲线相互平行, 即沥青复数剪切模量随温度变化负线性关系曲线数学表达式在不同冻融循环次数下可通过一个曲线方程式沿纵轴上下平移得到; 从图2(b)可以看出, 在不同冻融循环次数下, 沥青相位角随温度的升高呈现出线性增长的趋势, 且相位角变化曲线随温度的升高呈现出发散趋势, 表明沥青随着温度的升高受到荷载作用后其变形不容易恢复, 且沥青相位角对温度变化敏感性较强; 从图2(c)可以看出, 不同冻融循环下, 抗车辙因子随温度的升高呈现指数衰减的趋势, 且随冻融循环次数的增大呈现出增大的趋势, 分析其原因为经过高低温的交替以及水溶液作用, 沥青轻组分含量减少, 沥青发生水-温老化后变硬。

2.2 FTIR特征官能团表征及定量分析

利用傅里叶变换红外光谱测试技术可以从微观角度定性地分析和研究沥青老化前、后的结构以及化学组分的变化^{[7, 17]}。根据文献[18]并结合研究老化沥青FTIR表征结果, 选取2920和2852 cm^-1脂肪族化合物、1700 cm^-1羰基、1600 cm^-1芳族化合物、1456和1376 cm^-1脂肪族化合物(非对称)及1030 cm^-1亚砜基为不同冻融循环次数下沥青特征官能团(即化学组分变化研究对象), 沥青FTIR测试谱图及特征官能团变化局部放大图见图3。为了分析沥青化学组分变化和流变参数之间的关联程度, 并对所得沥青FTIR测试谱图特征官能团进行定量分析, 不同冻融循环次数下, 各特征官能团含量 $I$ 计算结果见表2。

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	图3 不同冻融循环次数下沥青FTIR表征Fig.3 Asphalt binder characterized FTIR after freez-thaw cycles

表2 冻融循环下沥青FTIR谱图特征官能团含量计算值 Table 2 Calculation result of characteristic functional groups of asphalt binder after freeze-thaw cycles

结合图3和表2可以看出, 随着冻融循环次数的增加, 沥青FTIR谱图中1031 cm^-1亚砜基吸收峰与1700 cm^-1羰基吸收峰呈现出明显增大的趋势, 表明沥青在水冻融循环时发生了老化(此结论与文献[19]所得沥青在冻融循环下发生了老化结论一致), 羰基和亚砜基是可以用来表征沥青老化程度的宏观指标, 且随着老化时间的增大, 羰基和亚砜基吸收峰明显增大。此结果与文献[20]所得沥青中酮、羰基等含氧官能团形成引起沥青老化, 且沥青经老化后出现了羰基C=O和亚砜基S=O, 并且随着老化时间的延长反应程度加深等结论一致。

本研究依据FTIR试验测定结果提出下列沥青冻融循环老化反应历程:

(1)羰基老化

羰基官能团吸收峰随着老化时间延长或者是老化温度提高, 变化都很明显, 且持续增大。原因是酮、羧酸以及芳香族中的苯甲基和许多脂肪烃侧链, 在沥青老化时容易与氧结合, 使在酮、羧酸其他含氧官能团中氧大量增加, 使沥青的极性增强、劲度大幅度增大。温度升高后可以加速沥青的氧化, 因为温度升高, 氧与极性分子反应速度增快; 另外温度升高使部分原来已经缔合的分子裂解, 进一步促进这些组分与氧结合, 氧化速度加大, 氧化组分增多。其双键的氧化反应如下:

(2)亚砜基老化

双键在氢过氧化物的作用下与硫醇官能团反应生成硫醚官能团。而硫醚官能团又可以被氧化成亚砜官能团, 硫的氧化老化后, 反应生成亚砜基团, 描述如下:

2.3 灰色关联熵分析

本文分别以不同冻融循环次数下沥青复数剪切模量 $G^{*} 、$ 相位角 $δ$ 以及车辙因子 $G^{*} / \sin δ$ 建立灰熵分析参考序列, 以不同冻融循环次数下沥青特征官能团变化指数建立比较序列, 探寻冻融循环下沥青特征官能团含量变化与路用性能流变学特性参数间的简单关联程度。

由于本文篇幅原因, 在此仅以温度64 ℃下DSR测试所得的沥青复数剪切模量 $G^{*}$ 建立参考序列来具体探讨灰熵分析的过程, 其他温度下的沥青复数剪切模量 $G^{*} 、$ 相位角 $δ$ 以及车辙因子 $G^{*} / \sin δ$ 分析方法与此相同, 仅给出分析结果。依据1.4节步骤(1), 建立的本研究参考序列及比较序列详见表3, 并对表3参考序列与比较序列数据进行无量纲化处理, 得初值化后的参考序列与比较序列详见表4。

表3 参考序列与比较序列 Table 3 Comparatives and reference grey numeral sequences

参考序列	$Y_{G^{*}}$	1.548	1.579	1.632	1.673	1.724	1.813	1.997
比较序列	Y_B	1.3396	1.2832	1.1941	1.1947	1.2956	1.3295	1.2916
	Y_Ar	0.1258	0.1275	0.1374	0.1327	0.1274	0.1218	0.1304
	Y_C=O	0.0333	0.0339	0.0337	0.0352	0.0360	0.0389	0.0389
	Y_S=O	0.0070	0.0083	0.0129	0.0170	0.0175	0.0225	0.0236
	Y_{B, a}	0.6700	0.6650	0.6540	0.6540	0.6630	0.6650	0.6560

表3 参考序列与比较序列 Table 3 Comparatives and reference grey numeral sequences

表4 初值化后的参考序列与比较序列 Table 4 Comparatives and reference grey numeral sequences after initialization

初值化后的参考序列	$X_{G^{*}}$	1	1.0200	1.0543	1.0807	1.1137	1.1712	1.2901
初值化后的比较序列	X_B	1	0.9579	0.8914	0.8918	0.9672	0.9925	0.9642
	X_Ar	1	1.0132	1.0920	1.0549	1.0129	0.9681	1.0361
	X_C=O	1	1.0182	1.0131	1.0577	1.0811	1.1689	1.1702
	X_S=O	1	1.2304	1.9065	2.5196	2.5937	3.3274	3.4926
	X_{B, a}	1	0.9925	0.9761	0.9761	0.9896	0.9925	0.9791

表4 初值化后的参考序列与比较序列 Table 4 Comparatives and reference grey numeral sequences after initialization

通过式(3)对分析模型灰关联系数进行求解, 结果见表5, 并依据式(4)计算模型中分布密度值, 结果见表6。由于在本分析模型中选取了5种特征官能团指数, 所以采用式(6)进行本模型中灰熵关联度计算时灰熵最大值为 $H_{m} = \ln r = \ln 5,$ 计算所得灰熵关联度如下: $E_{r} (X_{B}) 、 E_{r} (X_{Ar}) 、 E_{r} (X_{C = O}) 、 E_{r} (X_{S = O}) 、 E_{r} (X_{B, a})$ 大小分别为1.207 27、1.207 29、1.208 72、1.151 36、1.207 29。

表5 灰关联系数计算值 Table 5 Grey relative grade

表6 分布密度值 Table 6 Distribution density

此外, 将测试温度为52~76 ℃、间隔为6 ℃下DSR测试所得的沥青复数剪切模量 $G^{*} 、$ 相位角 $δ$ 以及车辙因子 $G^{*} / \sin δ$ 与沥青特征官能团含量变化灰熵关联分析所得灰熵关联度 $E_{r} (X_{j})$ 结果进行汇总, 如图4所示。

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	图4 灰熵分析结果Fig.4 Results of grey relation entropy analysis

图4为不同温度下5种特征官能团指数变化含量与沥青复数剪切模量、相位角和抗车辙因子关联度柱状图。从图4可以看出, 5种因素关联度从大到小的排序为C=O、Ar、B, a、B、S=O, 即沥青化学组分变化对流变特性参数影响程度由大到小的排序为羰基、芳香族化合物、非对称脂肪族化物、脂肪族化物、亚砜基。其中, 可以明显看出, 亚砜基对流变特性参数的影响要远小于其他4种特征官能团指数变化含量的影响。而I_Ar值越大表现为沥青芳香环组分(芳香分、胶质、沥青质)的含量越高, 沥青的延度越大; I_B值越大表现为沥青饱和分含量越高, 沥青的针入度越大, 可以看出, 针入度和延度对沥青流变特性参数影响也较大。因此, 在路面材料选用时应该严格控制沥青老化指标(反映在化学组分上为羰基)、针入度和延度。

2.4 SEM微观形貌表征

扫描电子显微镜(SEM)常用来表征物质微观结构和外貌特征, 在生物和材料等领域得到广泛应用^[21]。图5中给出了基质沥青及6次冻融循环后基质沥青的微观形貌。

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	图5 冻融循环前、后沥青SEM表征Fig.5 SEM photo of base asphalt before and after freeze-thaw cycles

从图5(a)可以看出, 基质沥青在扫面电镜下十分均质, 并呈现出膜结构形态、接近于均相结构。图5(a)中虚线圈处部分成像颜色与其他部分稍有差别, 其原因为试样涂于带有微孔的导电布上, 刚好虚线圈部分处于导电布孔上; 在实线圈内, 试样由于膜结构破裂, 而呈现出孔结构。对沥青膜结构破裂处进一步微观表征, 其结构如图5(b)所示, 可以看出虽然膜结构呈现出褶皱形状, 但是褶皱膜表面依旧呈现出均质相结构。图5(c)为沥青经6次水冻融循环后的SEM图像, 从中可以看出, 沥青膜结构出现明显的褶皱和絮状区, 且图5(d)冻融循环后沥青膜结构破裂处褶皱膜表面呈现出明显的微褶皱结构形态, 分析其原因为水冻融循环下, 沥青中羧酸、脂肪胺和脂类等亲水基团和水溶性物质被水溶解、吸收, 改变了沥青中各化学组分的含量及比例, 发生了水-温老化, 从而使沥青变硬、变脆。

3 结论

(1)沥青在水冻融循环下, 沥青中羧酸、脂肪胺和脂类等亲水基团和水溶性物质被水溶解、吸收, 改变了沥青中各化学组分的含量及比例, 发生了水-温老化反应。

(2)沥青复数剪切模量对数值随温度的升高呈现出负线性增长的趋势, 随着不同冻融循环次数的增大呈现出增大的趋势, 且变化曲线相互平行; 在不同冻融循环次数下, 沥青相位角随温度的升高呈现出线性增长的趋势, 且相位角变化曲线随温度呈现出发散趋势; 不同冻融循环下, 抗车辙因子随温度的升高呈现指数衰减趋势, 且随冻融循环次数的增大呈现出增大的趋势。

(3)随着冻融循环次数的增加, 沥青FTIR谱图中1031 cm^-1亚砜基吸收峰与1700 cm^-1羰基吸收峰呈现出明显增大的趋势。

(4)沥青化学组分变化对流变特性参数影响程度由大到小的排序为:羰基、芳香族化合物、非对称脂肪族化物、脂肪族化物、亚砜基。

(5)基质沥青经过水冻融循环后, 沥青膜结构出现明显的褶皱和絮状区, 且膜结构破裂处褶皱膜表面呈现出明显的微褶皱结构形态。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献列表

[1]	刘能源, 颜可珍, 胡迎斌, 等. 基于横观各向同性的沥青路面加铺层力学分析[J]. 湖南大学学报: 自然科学版, 2017, 44(5): 96-103. Liu Neng-yuan, Yan Ke-zhen, Hu Ying-bin, et al. Mechanical analysis of asphalt concrete overlay over old asphalt pavements considering cross-anisotropy properties[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2017, 44(5): 96-103. [本文引用:1]
[2]	裴建中, 贾彦顺, 张久鹏, 等. 沥青路面结构可靠度的研究进展及展望[J]. 中国公路学报, 2016, 29(1): 1-15. Pei Jian-zhong, Jia Yan-shun, Zhang Jiu-peng, et al. Research progress and future development for reliability of asphalt pavement structure[J]. China Journal of Highway and Transport, 2016, 29(1): 1-15. [本文引用:1]
[3]	Mousavi M, Pahlavan F, Oldham D, et al. Multiscale investigation of oxidative aging in biomodified asphalt binder[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120(31): 17224-17233. [本文引用:1]
[4]	Ruan Y, Davison R R, Glover C J. Oxidation and viscosity hardening of polymer-modified asphalts[J]. Energy & Fuels, 2003, 17(4): 991-998. [本文引用:1]
[5]	崔亚楠, 邢永明, 王岚, 等. 复合胶粉改性沥青的微观结构与流变特性[J]. 高分子材料科学与工程, 2012, 28(2): 41-44. Cui Ya-nan, Xing Yong-ming, Wang Lan, et al. Micro-structure and rheological behavior of composite crumb rubber modified asphalt[J]. Polymer Materials Science & Engineering, 2012, 28(2): 41-44. [本文引用:2]
[6]	Mallick R B, Brown E R. An evaluation of superpave binder aging methods[J]. International Journal of Pavement Engineering, 2014, 5(1): 9-18. [本文引用:1]
[7]	Yut I, Zofka A. Correlation between rheology and chemical composition of aged polymer-modified asphalts[J]. Construction & Building Materials, 2014, 62: 109-17. [本文引用:2]
[8]	侯伟. 基于灰熵法的沥青混合料低温抗裂性能影响因素研究[J]. 重庆交通大学学报: 自然科学版, 2010, 29(6): 904-906, 1001. Hou Wei. Research on influencing factors of low-temperature crack resistance of asphalt mixture based on grey correlation entropy method[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2010, 29(6): 904-906, 1001. [本文引用:1]
[9]	蒋建国, 张学磊, 刘小明, 等. 导电沥青混凝土路用性能影响因素的灰关联分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2015, 12(4): 784-789. Jiang Jian-guo, Zhang Xue-lei, Liu Xiao-ming, et al. Grey relational analysis of influencing factors on pavement performance of conductive asphalt concrete[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(4): 784-789. [本文引用:1]
[10]	应荣华, 侯昭光, 庞海峰. 细集料粒径对沥青砂浆黏弹性参数影响程度的灰熵分析[J]. 重庆交通大学学报: 自然科学版, 2010, 29(3): 398-402. Ying Rong-hua, Hou Zhao-guang, Pang Hai-feng. Influence of fine aggregate particle size on viscoelastic parameters of asphalt mortar by gray entropy method[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2010, 29(3): 398-402. [本文引用:1]
[11]	张久鹏, 黄晓明, 马涛. 沥青混合料高温稳定性影响因素的灰关联熵分析[J]. 交通运输工程与信息学报, 2008, 6(2): 51-55. Zhang Jiu-peng, Huang Xiao-ming, Ma Tao. Effect factor analysis of asphalt mixture rut-resistance property with grey relation entropy method[J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2008, 6(2): 51-55. [本文引用:2]
[12]	李秀君, 张永平, 许光孝, 等. 基于灰熵关联法的泡沫沥青二次冷再生混合料粗集料矿料间隙率影响因素分析[J]. 水资源与水工程学报, 2016, 27(5): 180-184. Li Xiu-jun, Zhang Yong-ping, Xu Guang-xiao, et al. Factors of impacting gap rate of coarse aggregate of foamed asphalt secondary cold recycled mixture based on grey correlation entropy method[J]. Journal of Water Resources&Water Engineering, 2016, 27(5): 180-184. [本文引用:1]
[13]	Abdullah M E, Zamhari K A, Buhari R, et al. Short term and long term aging effects of asphalt binder modified with montmorillonite[J]. Key Engineering Materials, 2013, 594-595: 996-1002. [本文引用:1]
[14]	AASHTO. Stand ard method of test for determining the rheological properties of asphalt binder using a dynamic shear rheometer (DSR)[S]. 2012. [本文引用:1]
[15]	丁锐, 桂泰江, 蒋建明, 等. 应用拉普拉斯变换和留数法求解常见非稳态扩散情况下的菲克定律[J]. 数学的实践与认识, 2017, 47(1): 271-279. Ding Rui, Gui Tai-jiang, Jiang Jian-ming, et al. Solution of fick's second law in the case of common diffusion[J]. Mathematics in Practice and Theory, 2017, 47(1): 271-279. [本文引用:1]
[16]	韩吉伟, 崔亚楠, 李震, 等. 改性沥青微观结构及低温性能的研究[J]. 功能材料, 2017, 48(2): 2140-2143. Han Ji-wei, Cui Ya-nan, Li Zhen, et al. Research on microstructure and low temperature performance of modified asphalt[J]. Journal of Functional Materials, 2017, 48(2): 2140-2143. [本文引用:1]
[17]	Nian T F, Li P, Mao Y, et al. Connections between chemical composition and rheology of aged base asphalt binders during repeated freeze-thaw cycles[J]. Construction and Building Materials, 2018, 159: 338-350. [本文引用:1]
[18]	Mikhailenko P, Bertron A, Ringot E. Methods for analyzing the chemical mechanisms of bitumen aging and rejuvenation with FTIR spectrometry[C]∥The 8th RILEM International Symposium on Testing and Characterization of Sustainable and Innovative Bituminous Materials, Ancona, Italy, 2015: 1-13. [本文引用:1]
[19]	Hamzah M, Yee T, Golchin B, et al. Use of imaging technique and direct tensile test to evaluate moisture damage properties of warm mix asphalt using response surface method[J]. Construction and Building Materials, 2017, 132: 323-334. [本文引用:1]
[20]	陈华鑫, 陈拴发, 王秉纲. 基质沥青老化行为与老化机理[J]. 山东大学学报: 工学版, 2009, 39(2): 125-130. Chen Hua-xin, Chen Shuan-fa, Wang Bing-gang. The aging behavior and mechanism of base asphalts[J]. Journal of Shand ong University (Engineering Science), 2009, 39(2): 125-130. [本文引用:1]
[21]	崔亚楠, 韩吉伟, 冯蕾, 等. 盐冻循环条件下改性沥青微细观结构[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2017, 47(2): 452-458. Cui Ya-nan, Han Ji-wei, Feng Lei, et al. Microstructure of asphalt under salt freezing cycles[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2017, 47(2): 452-458. [本文引用:1]

2017

0.0

. 2017, 44(5):96-103 DOI:doi:10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.05.012

Mechanical analysis of asphalt concrete overlay over old asphalt pavements considering cross-anisotropy properties

基于横观各向同性的沥青路面加铺层力学分析

Liu Neng-yuan , Yan Ke-zhen , Hu Ying-bin

刘能源, 颜可珍, 胡迎斌

摘　要：考虑到沥青混凝土呈现一定的横观各向同性特性，采用有限元数值分析方法，建立沥青加铺层路面三维有限元模型；将沥青加铺层及旧沥青面层视为横观各向同性体，并考虑了加铺层温度场特性和沥青混合料模量随温度变化的特性以及层间接触状态，研究了不同温度条件下沥青加铺层路面的力学行为，分析了沥青混合料的横观各向同性对加铺层路面的变形和应变等的影响．研究结果表明，沥青混凝土的横观各向同性及模量梯度特性和层间结合条件对加铺层受力状况都有较大影响．

... 0 引言沥青路面以其行车平稳、舒适、振动小、噪音低及便于维修养护等诸多优点,受到世界各国的青睐^[1,2] ...

2016

0.0

. 2016, 29(1):1-15

Research progress and future development for reliability of asphalt pavement structure

沥青路面结构可靠度的研究进展及展望

Pei Jian-zhong , Jia Yan-shun , Zhang Jiu-peng

裴建中, 贾彦顺, 张久鹏

To clarify the status quo of structural reliability research in asphalt pavement field,the research advances on the following topics were reviewed,including probability analysis models for reliability of asphalt pavement structure,uncertainty factors,reliability calculation methods,as well as the research focuses for structural reliability.The existing probability analysis models of asphalt pavement structure were comparatively analyzed,the uncertainty factors in design and construction stage were discussed,and the reliability calculation methods were summarized.Finally,the development directions for structural reliability of asphalt pavement were discussed.The results show that the first order second moment method can meet the precision requirement for the reliability calculation of asphalt pavement structure.There exist some shortcomings in the reliability research for asphalt pavement structure,such as the reliability design indexes,limit states and the probability analysis models.Further research should be conducted from the following aspects,including time-dependent reliability,system reliability and random reliability.Furthermore,the robust and redundancy analysis should be developed based on the structure reliability.

为了明确沥青路面结构可靠度理论的研究现状,对沥青路面结构可靠度概率分析模型、不确定性影响因素、可靠度计算方法以及结构可靠度研究热点等方面的研究进展进行了综述,对比分析了各国沥青路面结构概率分析模型,探讨了设计和施工过程中的不确定性因素,归纳了路面结构可靠度计算方法,最后论述了沥青路面结构可靠度的发展方向。综合分析表明:一次二阶矩法可以满足沥青路面结构可靠度的计算要求;当前沥青路面结构可靠度研究在设计指标、极限状态和概率分析模型等方面还存在不足,需要从时变可靠度、体系可靠度、随机可靠度等方面进一步深入研究;建议开展基于可靠度的结构鲁棒性和冗余性分析。

... 0 引言沥青路面以其行车平稳、舒适、振动小、噪音低及便于维修养护等诸多优点,受到世界各国的青睐^[1,2] ...

2016

0.0

... 然而,沥青化学组分变化和流变特性对其路用性能的优劣起关键作用,选用优良的沥青材料可有效减少路面出现开裂、车辙、沉陷和剥落等一系列早期病害^[3,4] ...

2003

0.0

2012

0.0

. 2012, 28(2):41-44

Micro-structure and rheological behavior of composite crumb rubber modified asphalt

复合胶粉改性沥青的微观结构与流变特性

Cui Ya-nan , Xing Yong-ming , Wang Lan

崔亚楠, 邢永明, 王岚

Composite crumb rubber modified asphalt(CCRMA) was obtained by adding 18 percent waste tire rubber powders and 2 percent styrene-butadiene-styrene copolymer(SBS) into base asphalt by means of wet process.The rheological characterization and micro-structure of the rubber powder modified asphalt were studied by using dynamic shear rheometer(DSR) over wide range of temperatures and scanning electron microscope(SEM);the complex module master curve was fitting,therefore the rheological behavior of the asphalt can be studied in a wider frequency range. The results indicate that the network structure of rubber powers can adsorb asphalt commendably,so that the heteropolymer structure is formed in the modified asphalt,which makes the binder elasticity increase at high temperature,the temperature sensitivity is improved.The phase angle and module change a little with the temperature reducing,showing that there exists the trend to maintain certain fluidity,resulting in its flexibility improved and anti-breakage at low temperature enhanced;so CCRMA has good engineering mechanical properties.

在基质沥青中加入18%的废胎橡胶粉和2%的SBS,通过湿法得到复合胶粉改性沥青(CCRMA)。采用扫描电镜(SEM)和动态力学的方法(DSR)研究了改性沥青的微观结构和较宽温度范围的流变性能;通过对复数模量主曲线的拟合,在更宽频率范围内研究该沥青的流变特性。结果表明,胶粉颗粒的表面网状结构可很好地吸附沥青,改性后的沥青中形成了一种非均相的稳定结构;在较高的温度下仍保持一定的弹性,感温性能较普通沥青好;随温度的降低,模量的变化及相位角变化趋于缓和,始终保持一定的流动性,从而改善了其柔韧性,提高了抗低温开裂性,该沥青具有较好的工程力学性能。

... 由于沥青材料的典型黏-弹性材料特性,目前我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)采用针入度等级标准来评价沥青材料已不能全面反映沥青材料的路用性能^[5] ...

... 因此,采用化学组分分析和流变学特性参数分析相结合的方法对沥青材料的力学性能进行研究,有助于进一步揭示沥青材料高温流淌与低温脆裂现象的本质原因,对沥青材料路用性能研究具有重要的现实与理论价值^[5,6,7] ...

2014

0.0

2014

0.0

... 2 FTIR特征官能团表征及定量分析利用傅里叶变换红外光谱测试技术可以从微观角度定性地分析和研究沥青老化前、后的结构以及化学组分的变化^[7,17] ...

2010

0.0

. 2010, 29(6):904-906,1001

Research on influencing factors of low-temperature crack resistance of asphalt mixture based on grey correlation entropy method

基于灰熵法的沥青混合料低温抗裂性能影响因素研究

Hou Wei

侯伟

摘　要：通过小梁低温弯曲试验测试沥青混合料的临界弯拉应变指标,运用灰熵法分析影响沥青混合料低温抗裂性因素——集料级配、石料种类、沥青针入度、沥青用量、空隙率、4.75 mm筛孔通过率及拌和温度等的显著性。研究结果表明：沥青用量、沥青针入度、集料级配对沥青混合料低温抗裂性具有较显著影响。

... 4 灰色关联熵分析理论数学模型灰色控制系统是一种新型工程系统理论,其应用方向之一灰色关联熵分析虽被广泛应用于众多的科研领域当中^[8,9],但在沥青材料化学组分与路用性能特性参数方面的探究鲜有报道 ...

2015

0.0

. 2015, 12(4):784-789

Grey relational analysis of influencing factors on pavement performance of conductive asphalt concrete

导电沥青混凝土路用性能影响因素的灰关联分析

Jiang Jian-guo , Zhang Xue-lei , Liu Xiao-ming

蒋建国, 张学磊, 刘小明

2010

0.0

. 2010, 29(3):398-402

Influence of fine aggregate particle size on viscoelastic parameters of asphalt mortar by gray entropy method

细集料粒径对沥青砂浆黏弹性参数影响程度的灰熵分析

Ying Rong-hua , Hou Zhao-guang , Pang Hai-feng

应荣华, 侯昭光, 庞海峰

对不同细集料粒径组成的沥青砂浆进行单轴压缩蠕变试验,用Burgers模型拟合蠕变试验结果,并通过灰熵法分析了细集料粒径对黏弹性参数的影响程度,以研究沥青砂浆的黏弹性特性.研究结果表明:1.18～2.36 mm档集料对黏弹性参数E1、E2、η2均产生显著的影响;小于0.075 mm档集料对4个黏弹性参数的影响程度都居于其次;2.36～4.75 mm档集料对参数η1的影响程度显著.

... 依据功能性、可获取性、完整性、可比性和非重叠性原则选取映射量^[10] ...

2008

0.0

. 2008, 6(2):51-55

Effect factor analysis of asphalt mixture rut-resistance property with grey relation entropy method

沥青混合料高温稳定性影响因素的灰关联熵分析

Zhang Jiu-peng , Huang Xiao-ming , Ma Tao

张久鹏, 黄晓明, 马涛

... 在计算过程中,为了消除数据量纲及数量级对分析结果的影响^[11,12],对参考序列与比较序列数据进行无量纲化处理,其处理方法为: Y0序列中所有列数据均除以 y0(1),得初值化处理后的参考序列为 X0 ...

... 为避免失真现象,需保证比较序列始终在参考序列的上方或下方^[11],即规定 ∀Xj,j=1,2,…,n,恒有x0(k)≥(或者≤)xj(k),k=1,2,…,r ...

2016

0.0

. 2016, 27(5):180-184 DOI:doi:10.11705/j.issn.1672-643X.2016.05.33

Factors of impacting gap rate of coarse aggregate of foamed asphalt secondary cold recycled mixture based on grey correlation entropy method

基于灰熵关联法的泡沫沥青二次冷再生混合料粗集料矿料间隙率影响因素分析

Li Xiu-jun , Zhang Yong-ping , Xu Guang-xiao

李秀君, 张永平, 许光孝

以粗集料矿料间隙率作为评价泡沫沥青再生混合料骨架性能的指标,通过灰熵关联法分析泡沫沥青二次冷再生混合料不同的粗集料粒径组的比例对粗集料矿料间隙率的影响规律.研究表明:各档粗集料对粗集料矿料间隙率的影响程度由大到小依次为:19～26.5、4.75～9.5、16～19、9.5 ～13.2、13.2 ～ 16 mm;在级配设计中,通过合理调整不同粒径的碎石比例,可使泡沫沥青二次冷再生混合料具有优良的骨架性能;当4.75 ～9.5、9.5 ～13.2、13.2 ～ 16、16～19、19～26.5 mm这5档粗集料的比例分别为32.55％、19.60％、13.70％、11.15％、15.29％、7.73％时,集料骨架结构最具稳定性;通过分析灰熵关联度值之间的差异,得到构成泡沫沥青二次冷再生混合料骨架结构主要矿料粒径范围和关键筛孔.

2013

0.0

... /sinδ是评价沥青高温特性的技术指标,也称为车辙因子,反映沥青材料抵抗永久变形的能力^[13,14] ...

2012

0.0

... /sinδ是评价沥青高温特性的技术指标,也称为车辙因子,反映沥青材料抵抗永久变形的能力^[13,14] ...

2017

0.0

. 2017, 47(1):271-279

Solution of fick's second law in the case of common diffusion

应用拉普拉斯变换和留数法求解常见非稳态扩散情况下的菲克定律

Ding Rui , Gui Tai-jiang , Jiang Jian-ming

丁锐, 桂泰江, 蒋建明

... 从图2可以看出,经过不同冻融循环次数n后,沥青复数剪切模量、相位角和车辙因子的温度扫描曲线随温度的变化较大,根据菲克定律^[15,16],沥青在水冻融循环下,沥青和水接触的表面和内部化学物质的浓度梯度力促使水进入沥青空隙中,导致沥青内部水溶性物质(亲水基团)被水溶解,引起沥青物料组成比例发生变化,发生了水-温老化反应 ...

2017

0.0

. 2017, 48(2):2140-2143 DOI:doi:10.3969/j.issn.1001-9731.2017.02.025

Research on microstructure and low temperature performance of modified asphalt

改性沥青微观结构及低温性能的研究

Han Ji-wei , Cui Ya-nan , Li Zhen

韩吉伟, 崔亚楠, 李震

摘　要：利用红外光谱（IR）、原子力显微镜（AFM）和弯曲梁流变仪（BBR）研究了3种道路工程常用沥青（基质沥青、SBS改性沥青和胶粉改性沥青）的微观结构和低温性能,分析了改性剂对沥青性能的作用机理。结果表明,改性剂与沥青发生了物理共混和化学改性双重作用,形成稳定的结构,具有良好的相容性。改性剂与沥青形成的特定结构可以很好地吸附沥青中的轻组分,使沥青黏度增大。BBR实验发现,改性沥青的低温性能优于基质沥青,且不同种类沥青的低温性能的适用温度范围不同,为寒冷地区道路建设中沥青种类的选择提供了依据。

2018

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2015

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... 根据文献[18]并结合研究老化沥青FTIR表征结果,选取2920和2852 cm^-1脂肪族化合物、1700 cm^-1羰基、1600 cm^-1芳族化合物、1456和1376 cm^-1脂肪族化合物(非对称)及1030 cm^-1亚砜基为不同冻融循环次数下沥青特征官能团(即化学组分变化研究对象),沥青FTIR测试谱图及特征官能团变化局部放大图见图3 ...

2017

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... 结合图3和表2可以看出,随着冻融循环次数的增加,沥青FTIR谱图中1031 cm^-1亚砜基吸收峰与1700 cm^-1羰基吸收峰呈现出明显增大的趋势,表明沥青在水冻融循环时发生了老化(此结论与文献[19]所得沥青在冻融循环下发生了老化结论一致),羰基和亚砜基是可以用来表征沥青老化程度的宏观指标,且随着老化时间的增大,羰基和亚砜基吸收峰明显增大 ...

2009

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. 2009, 39(2):125-130

The aging behavior and mechanism of base asphalts

基质沥青老化行为与老化机理

Chen Hua-xin , Chen Shuan-fa , Wang Bing-gang

陈华鑫, 陈拴发, 王秉纲

... 此结果与文献[20]所得沥青中酮、羰基等含氧官能团形成引起沥青老化,且沥青经老化后出现了羰基C=O和亚砜基S=O,并且随着老化时间的延长反应程度加深等结论一致 ...

2017

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. 2017, 47(2):452-458

Microstructure of asphalt under salt freezing cycles