CN107576587A - 基于等温热分析动力学的沥青老化性能预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是基于等温热分析动力学的沥青老化性能预测方法，属于道路沥青路面耐久性技术领域，解决目前采用沥青某一宏观性能指标衰减推测沥青路用性能劣化程度、无法准确预测沥青老化进程、难以给路面管养工作提供更有实际意义的沥青老化性能预测的问题。本发明首先选取沥青样品，采用热分析仪进行测试，模拟沥青热氧老化，获得沥青TG、DTG数据和成炭率；其次，根据沥青老化过程化学结构、官能团和热稳定性变化，优选与沥青老化过程相对应的反应机理函数，建立沥青等温热分析动力学模型；最后，采用老化‑时间等效性原理，分析沥青老化进程与时间等效性，通过阿伦尼乌斯方程计算恒温老化移位因子，预测沥青老化性能，为沥青路面养护方案决策提供依据。

Description

基于等温热分析动力学的沥青老化性能预测方法

技术领域

本发明是一种基于等温热分析动力学的沥青老化性能预测方法，属于沥青热性能技术领域。

背景技术

随着我国经济的发展，交通需求量增大，我国公路交通事业发展迅速。沥青路面作为主要的铺装形式之一，它的耐久性问题受到道路工作者的关注。沥青的老化，会使沥青变得硬脆，柔性降低，进而影响沥青混合料的黏附性、低温延展性。表现在路用性能上，就是容易产生裂缝。沥青的老化性能大大影响着道路的使用寿命，采用一定的方法预测沥青路面老化程度有利于更好地进行沥青路面养护决策和制定养护方案，使沥青路面始终处于良好服务水平。

目前，沥青路面的老化性能预测，往往通过沥青及沥青混合料的常规实验，从整体上对沥青的老化程度进行预测。研究者往往通过对老化沥青的残留针入度、延度、软化点，初步判断沥青的老化程度，分析个别指标的衰减对沥青路用性能的影响，粗略预测沥青路面使用寿命。这往往是沥青老化状态的定性描述，无法精确量化沥青老化进程。

热分析是指在程序温度(一般是指线性升温或线性降温，也包括恒温、循环和非线性升温、降温)下，测量材料物理性质与温度关系的一类技术，具有精度高、再现性好、操作简便等优点，尤其对于具有热敏感性的复杂沥青体系研究有一定的优势。通过热分析技术研究沥青的热行为及老化性能预测，对研究沥青结构、探讨沥青热氧老化机制、指导沥青加工过程、评价产品质量、进行沥青路面养护决策和制定养护方案等方面都有较大帮助，对更好的利用沥青有重要意义。

热分析动力学是用热分析技术研究物质的物理变化和化学反应，借助于一定的数学处理方法，获取相应反应的动力学参数和反应机理。通过此方法可为物质的热分解、热氧老化等热性能提供有用的参考数据。简单地说，热分析反应动力学是研究热反应的速率和探求化学反应的机理、化学运动全过程的学科。沥青老化的动力学模型有助于认识沥青老化机理，可以用于评价和预测老化进程，可以从不同的角度建立了沥青老化的动力学模型。

动力学模型应用于沥青老化的研究时，起初常常以表观粘度、软化点等宏观力学指标为参数建立了沥青一级老化动力学模型，并用该动力学模型对沥青的抗老化性能进行了研究，求得动力学参数。随着分析化学的发展，通过红外光谱和核磁共振等化学分析仪器对沥青老化后化学结构变化的研究，羰基吸收因子和亚砜基吸收因子(反应沥青氧化程度的微观指标)也成为沥青老化动力学模型的参数。结合老化动力学参数，研究者采用经验分析研究沥青老化后化学结构与沥青性能指标变化的关系，从而预测沥青老化寿命。

可见，采用等温热分析动力学技术可以非常完善地表征沥青材料热氧老化过程的主要特点，热分析仪器与数据处理技术联用可以有效地求解出沥青在热氧老化过程中动力学三要素，即活化能E、指前因子A和最概然机理函数，为沥青有效使用寿命的预测、反应过程速率的定量描述和机理的推断以等提供更为科学的依据。本发明拟采用沥青等温热分析动力学试验获得的数据求解不同送力学参数，建立沥青老化动力学模型，预测沥青的老化性能。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供基于等温热分析动力学的沥青老化性能预测方法，该方法采用等温热分析动力学模型，定量预测沥青老化进程，以动态的观点去研究沥青的老化机理，解决目前采用沥青某一宏观性能指标衰减推测沥青路用性能劣化程度、无法准确预测沥青老化进程、难以给路面管养工作提供更有实际意义的沥青老化性能预测的问题。

(2)技术方案

鉴于目前采用沥青某一宏观性能指标衰减推测沥青路用性能劣化程度、无法准确预测沥青老化进程、难以给路面管养工作提供更有实际意义的沥青老化性能预测的问题。本发明采用等温热分析动力学试验方法，提供基于等温热分析动力学模型的沥青老化性能预测方法，从而提高沥青老化程度预测的精准性，本发明技术方案如下：首先选取沥青样品10mg，采用热分析仪进行测试，以40℃/min速度升温至135℃并保持恒温四小时，其间持续通空气，空气流量为60ml/min，模拟沥青热氧老化，获得沥青TG、DTG数据和成炭率；其次，根据沥青老化过程化学结构、官能团和热稳定性变化，优选与沥青热氧老化过程相对应的反应机理函数，计算沥青等温热分析动力学参数，建立沥青等温热分析动力学模型；最后，采用老化-时间等效性原理，分析沥青老化进程与时间关系等效性，通过阿伦尼乌斯方程计算恒温老化移位因子，结合沥青路面使用过程的环境效应，预测沥青老化性能。

(3)有益效果

沥青的老化会使沥青变得硬脆，在冬季气温骤降及反复升温、降温环境下易引发沥青路面开裂，水分渗入沥青与集料的界面上，会使沥青粘附性降低，在荷载反复作用下，沥青路面会产生松散、坑槽等病害。沥青的老化，严重影响了沥青路面的耐久性，缩短了沥青路面的使用寿命。因此，采用一定的方法预测沥青路面老化程度有利于更好地管理和养护沥青路面，提高沥青路面耐久性和服务品质。

本发明构建等温热分析动力学模型，提供基于等温热分析动力学的沥青老化性能预测方法，以动态的观点去研究沥青的老化机理，更准确地预测沥青的老化寿命。为沥青路面管养工作提供了更具有针对性和指导意义的老化性能预测，有利于更好地进行养护方案决策，制定科学的养护维修方案，延长沥青路面使用寿命，使沥青路面一直处于良好的服务水平，实现沥青路面的可持续发展。

具体实施方式

本发明提供基于等温热分析动力学的沥青老化性能预测方法，具体实施步骤如下：

(1)选取沥青试样，根据现行《高性能沥青混合料设计规范》关于沥青混合料短期老化试验有关规定，确定沥青热氧老化模拟试验温度为135℃，恒温保持4小时；

(2)调节热重(TG)分析仪，设置温度基线，以40℃/min速率升温至135℃，并保持该温度4小时，其间以60ml/min的流量持续通空气，将氧化铝坩埚放置在热分析支架上，按照此过程测试热分析仪的温度程序；

(3)取沥青样品10mg，放入氧化铝坩埚中，再将氧化铝坩埚放置于热分析仪的支架上，测试135℃等温4小时条件下沥青质量变化过程情况，获得沥青TG、DTG数据和成炭率；

(4)根据沥青老化过程化学结构、官能团和热稳定性变化，优选与沥青热氧老化过程相对应的反应机理函数，基于TG曲线和阿伦尼乌斯方程计算沥青等温热分析动力学参数，即活化能和指前因子，建立沥青等温热分析动力学模型；

(5)采用老化-时间等效性原理，分析沥青老化进程与时间改变之间的关系等效性，通过阿伦尼乌斯方程计算恒温老化移位因子，结合沥青路面使用过程的环境效应，预测沥青老化性能，为沥青路面养护方案决策提供依据。

Claims (1)

1.一种基于等温热分析动力学的沥青老化性能预测方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)选取沥青试样，根据现行《高性能沥青混合料设计规范》关于沥青混合料短期老化试验有关规定，确定沥青热氧老化模拟试验温度为135℃，恒温保持4小时；

(2)调节热重(TG)分析仪，设置温度基线，以40℃/min速率升温至135℃，并保持该温度4小时，其间以60ml/min的流量持续通空气，将氧化铝坩埚放置在热分析支架上，按照此过程测试热分析仪的温度程序；

(3)取沥青样品10mg，放入氧化铝坩埚中，再将氧化铝坩埚放置于热分析仪的支架上，测试135℃等温4小时条件下沥青质量变化过程情况，获得沥青TG、DTG数据和成炭率；

(4)根据沥青老化过程化学结构、官能团和热稳定性变化，优选与沥青热氧老化过程相对应的反应机理函数，基于TG曲线和阿伦尼乌斯方程计算沥青等温热分析动力学参数，即活化能和指前因子，建立沥青等温热分析动力学模型；

(5)采用老化-时间等效性原理，分析沥青老化进程与时间改变之间的关系等效性，通过阿伦尼乌斯方程计算恒温老化移位因子，结合沥青路面使用过程的环境效应，预测沥青老化性能，为沥青路面养护方案决策提供依据。