CN110174372A - 一种沥青老化性能的预测方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青老化性能的预测方法及其应用，采用沥青羰基指数作为沥青老化性能的指标；通过计算经历若干不同路径下的热‑光耦合老化后的沥青羰基指数，来对沥青老化进行定量分析，其要点在于，给出了在任意温度、紫外线强度下的沥青中羰基的生成速率的计算公式。通过实测数据与预测数据的对比，采用本申请的一种沥青老化性能的预测方法及其应用，能够较好的预测沥青老化性能。

Description

一种沥青老化性能的预测方法及其应用

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种沥青老化性能的预测方法及其应用。

背景技术

老化是影响沥青在路面使用效率的主要因素，评价与预测沥青老化性能对延缓老化至关重要。

现有技术中：“基于PG值的机场道面沥青抗老化性能预估模型”，刘芳等，建筑材料学报，2017年2月(第20卷第1期)从沥青老化机理出发,提出了预测机场道面沥青抗老化性能的预估模型；在标准大气压下针对1种基质沥青和2种改性沥青进行4种温度下不同时间段的老化处理,同时采用动态流变剪切仪(DSR)对沥青试样的PG上限温度值进行测试,研究其在老化作用下的变化规律。

“基于氧化动态模型的沥青热氧老化性能预测”，刘芳等，湖南大学学报，2018年：在该文献中，对3种沥青在不同时间和温度条件下进行热氧老化，采用动态流变剪切仪对各老化后的沥青试样进行动态频率扫描试验，得到沥青的复数剪切模量、相位角主曲线，进而获得各试样的交叉模量，分析交叉模量在沥青老化过程中随老化时间和老化温度的动态变化规律，建立预测交叉模量的氧化动态模型。

目前普遍采用的模拟沥青老化的试验方法为旋转薄膜烘箱试验(RTFO)，和压力老化容器试验(PAV)，但这两种试验均存在着诸多问题。首先，这些方法均是通过升高温度或增大气压来加速沥青老化进程实现的，不可避免的，这样的高温高压条件会改变沥青中诸多碳氢化合物的化学反应平衡，同时在高温条件下还会引发沥青中某些组分发生其他化学反应而在实际路面常温条件下不会发生。其次，这些方法均是在单一温度条件下进行的，而实际路面温度是随时间不断变化的，路面沥青材料性能随温度和时间也在不断改变，因此无法动态的评价沥青在使用过程中不同时期的老化程度和老化速率，也无法精确预测其老化性能。除此之外，太阳紫外光辐射也是导致沥青老化的主要原因，而PAV试验中并没有考虑光照的作用。

综上，目前面临的困境是较短时间的试验所测得沥青老化性能与实际相差较大，而沥青路面在自然气候条件下发生的老化是非常缓慢的，若以自然条件下进行老化试验获得较为准确的结果则需要相当长的时间。因此，将实验室较短时间内得到的道面老化的信息，如何利用上述信息来预测和评价沥青老化性能是一个亟待解决的问题。

现有技术：“机场道面老化特性的多智能体仿真分析与预测研究”，刘芳，南京航空航天大学，2016年，在该文献中，对于紫外线影响沥青的老化机理进行了系统的研究。但是，咋该文献中并未对预测紫外线-温度耦合的方法进行研究。

因此，考虑紫外线-温度耦合下的沥青老化预测方法称为一个亟待解决的问题。

同时，现有技术中，也没有针对沥青老化预测方法，如何应用到具体工程中的论述，即缺乏理论研究-实际工程结合的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沥青老化性能的预测方法，其目的在于能够考虑紫外线-热耦合条件下的沥青老化。

本发明的目的在于提供一种沥青路面维修的施工方法，其目的是为了合理指导施工，对沥青路面进行预防性维修。

本申请的方案如下：

一种沥青老化性能的预测方法，包括以下步骤：

一种沥青老化性能的预测方法，其特征在于：采用沥青羰基指数作为沥青老化性能的指标；

CA是经历若干不同路径下的热-光耦合老化后的沥青羰基指数，其经历的路径为：

t1时间内,温度为T1,紫外线强度为I1；

t2时间内,温度为T2,紫外线强度为I3；

……

tn时间内,温度为Tn,紫外线强度为In；

其中，CA_RTFO是经RTFO老化后的沥青羰基指数；表示在温度T_i、紫外线强度I_i下的沥青中羰基的生成速率，1/day。

进一步：在任意温度Ty、紫外线强度Ix下，羰基的生成速率通过下式可求得：

其中，l,n,m为模型参数；其中，m为常数，0.0315；

表示无紫外线辐射情况下的沥青热氧老化活化能，J/mol；R表示摩尔气体常量，8.314472J/(mol·K)；

其中，l,n,三个模型参数通过试验测量得到，其方式为：

第一，沥青经短期旋转薄膜烘箱试验后制备沥青薄膜试样，同时利用傅里叶红外光谱仪测试沥青经短期旋转薄膜烘箱试验老化后的羰基指数CA_RTFO；

第二，将形成薄膜的沥青试样分别放入光-热耦合老化试验装置中，对所述试样进行不同紫外光辐射强度I_A，A＝1,2,3…a、不同温度T_B，B＝1,2,3…b和老化试验时间t_c，C＝1,2,3…c下的的老化反应；并利用傅里叶红外光谱仪，测定不同老化程度的沥青试样的羰基指数(共计abc个数据)；

其中，I₁＝0W·m^-2(必须进行无紫外光辐射下的试验)；

第三，分别绘制在I_A(A＝1,2,3…a)紫外光辐射强度与老化温度T_B(B＝1,2,3…b)条件下，不同沥青的羰基指数与老化试验时间t_c的关系曲线图，利用以下公式拟合(每次拟合时，有c个数据；共计需要拟合ab次)，即线性方程拟合(EXCEL可完成)：

可以求得(产生ab个数据)；

第四，绘制在紫外光辐射强度条件下I_A，与1/(RT_B)的曲线(需要绘制a次)：

通过下式进行拟合(每次拟合时，有b个数据；共计需要拟合a次)，即线性方程拟合(EXCEL可完成)：

可以求得，老化反应的频率因子(产生a个数据)，1/hour，老化活化能(产生a个数据)，J/mol；

特别的，绘制在紫外光辐射强度条件下I₁，与1/(RT_B)的曲线：

通过下式进行拟合，即：

可以求得，老化反应的频率因子1/hour，无紫外光辐射时的老化活化能J/mol；

第五，计算n、l：

绘制与I_A的曲线，采用下式进行拟合(拟合一次，共计a组数据)，即线性拟合(EXCEL可完成)：

能够计算求得，n与l的数值。

进一步，所取沥青薄膜厚度范围为0.1mm-1mm。

进一步，利用光-热耦合老化试验装置对沥青薄膜试样进行不同紫外光辐射强度、温度和老化试验时间的老化，其中紫外光辐射强度、温度和老化试验时间均不少于3组，紫外光辐射强度范围为0～50W·m^-2，每组辐射强度间隔不小于10W·m^-2，温度范围为40～100℃之间，每组温度间隔不小于15℃。

进一步，所述n、l参数测量过程中，对沥青试样进行不同紫外光辐射强度、温度和老化试验时间条件下的老化见表1(进行60次试验)。

表1沥青老化试验方案

进一步，所述步骤③中，采用傅立叶变换红外光谱分析仪对沥青试样进行红外光谱测试，分析红外光谱图，波数范围为1700cm^-1则为羰基C＝O吸收峰，获取的羰基指数为羰基C＝O吸收峰面积占各官能图积分面积总和之比，如下式，

∑A＝A₁₇₀₀+A₁₆₀₀+A₁₀₃₁+A_{1035,1120,1214}+A_{1465,2850,2920}+A_1375,2960 (7)

其中A₁₇₀₀为1700cm^-1附近吸收峰波段的面积，∑A为所有吸收峰波段面积之和；

进一步，式中的单位为：

式中，为沥青中羰基的生成速率，1/day；

—为老化反应的频率因子，1/day；

—为老化活化能，J/mol；

R—为摩尔气体常量，J/(mol*K)；

T_B—为热力学温度，K。

进一步，m、n、l，计算拟合参数的依据为，

式中，m，n，l为模型参数；I—为紫外光辐射强度，W·m^-2。

一种沥青路面维修的施工方法，其施工步骤在于：

第一，路面施工后的不同年份的沥青的羰基指数，采用前述的方法进行计算：

其中，沥青采用该路段新建时所采用的沥青，将上述沥青进行旋转薄膜烘箱试验，利用傅里叶红外光谱仪测定其羰基指数CA_RTFO；

其中，查询当地历年气象资料，得到该路段在不同年份下的紫外光年平均辐射强度I_i以及路面的年平均温度T_i；

然后，根据权利要求2的方式，能够求得不同年份下的k值；进而，能够得到当前时间下的CA值；

第二，当CA≥CA_维护时，需要对沥青路面进行维修养护。

本发明的有益效果：

第一，鉴于沥青复杂的结构特征，对沥青进行老化性能的动态预测和评价。通过本发明所获得的沥青羰基指数老化动态方程，能够预测任意紫外光辐射、温度与老化时间条件下沥青的羰基指数，因此在实际自然气候条件下路面温度时刻变化的状况下，可实现沥青老化性能准确预测和评价。

第二，预测紫外光-温度耦合条件下的沥青老化，是本申请的主要构思，其核心方式是：

上述m为常数，其依据是：对于不同种类的沥青而言，满足：这一关系。

第三，本申请的第二个主要构思在于，将沥青老化的预测方法运用到工程实践中，用来对工程项目进行预防性养护维修。将沥青老化预测的方法中的若干参数与实际工程的条件联系起来，如I、T分别指的是该路段在不同年份下的紫外光年平均辐射强度I_i以及路面的年平均温度T_i。

具体实施方式

一种沥青老化性能的预测方法的步骤如下：

步骤1，采用3种不同产地不同标号的沥青，经短期薄膜烘箱试验(RTFO)后，分别将一定质量的沥青倒入容器中，冷却至室温，在容器中加入四氢呋喃，使沥青充分溶解于四氢呋喃中。提供多个载具，将溶解的沥青有机溶液倒入载具中，且在每一载具中倒入的沥青试样的质量相等。静置24小时，待四氢呋喃充分挥发后使得沥青在载具表面形成薄膜。本发明中，载具为直径10cm的铝盘，载具中倒入的实际沥青为1g-10g，形成薄膜厚度分别为0.1mm-1mm的沥青薄膜试样。

步骤2，将每种沥青薄膜试样放入已公知的光-热耦合老化试验装置中进行不同程度的老化，老化条件具体见表2。

表2沥青老化试验方案

步骤3，按表2中不同紫外光辐射强度、温度条件下对应的老化试验时间取出老化的沥青试样，进行红外光谱测试。用OMINIC软件对各试样的红外光谱图进行分析，波数范围为1700cm^-1则为羰基C＝O吸收峰，根据式(6)和(7)计算羰基吸收峰面积占各官能图积分面积总和之比，进而对沥青试样羰基含量(CA)进行定量统计。本试验主要通过对评价沥青老化程度的化学指标即羰基指数在老化过程中的变化规律进行分析。

步骤4，在相同紫外光辐射强度不同老化温度条件下，绘制不同沥青的羰基指数与老化试验时间的关系曲线图，获取羰基生成的速率k。

利用式(4)，可计算沥青发生氧化反应生成羰基的活化能E和频率因子A。

步骤5，对不同沥青发生老化反应过程中生成羰基的活化能E、频率因子A以及紫外光辐射强度I进行最小二乘法回归分析，利用式(5)，计算拟合参数，并利用皮尔逊相关系数对试验进度进行拟定。综合上述结果，建立以紫外光辐射强度、温度、老化试验时间为参数的沥青羰基指数的老化动态方程：

CA＝CA_RTFO+kt (10)

利用该方程可实现沥青老化性能准确预测和评价。

步骤6，试验验证

重复上述步骤1对沥青试样进行制备，将沥青薄膜试样放入光-热耦合老化试验装置中，设定紫外光辐射强度为35W·m^-2，温度为80℃，分别老化10、20和30天。

通过实验获取步骤3对不同老化程度的沥青试样的性能测试结果，即沥青试样的羰基指数，与沥青羰基指数的老化动态方程(10)得到的预测值进行对比验证，结果表明，大部分数据的预测精度在90％以上。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (5)

1.一种沥青老化性能的预测方法，其特征在于：采用沥青羰基指数作为沥青老化性能的指标；

CA是经历若干不同路径下的热-光耦合老化后的沥青羰基指数，其经历的路径为：

t1时间内,温度为T1,紫外线强度为I1；

t2时间内,温度为T2,紫外线强度为I3；

……

tn时间内,温度为Tn,紫外线强度为In；

其中，CA_RTFO是经RTFO老化后的沥青羰基指数；表示在温度T_i、紫外线强度I_i下的沥青中羰基的生成速率。

2.如权利要求1所述的一种沥青老化性能的预测方法，其特征在于：在任意温度T_y、紫外线强度I_x下，羰基的生成速率的计算公式为：

其中，l,n,m为模型参数；m＝0.0315；

表示无紫外线辐射情况下的沥青热氧老化活化能；R表示摩尔气体常量，8.314472J/(mol·K)；

其中，与l、n通过以下实验进行测量，测量步骤包括：

第一，沥青经短期旋转薄膜烘箱试验后制备沥青薄膜试样，同时利用傅里叶红外光谱仪测试沥青经短期旋转薄膜烘箱试验老化后的羰基指数CA_RTFO；

第二，将形成薄膜的沥青试样分别放入光-热耦合老化试验装置中，对所述试样进行不同紫外光辐射强度I_A，A＝1,2,3…a、不同温度T_B，B＝1,2,3…b和老化试验时间t_c，C＝1,2,3…c下的的老化反应；并利用傅里叶红外光谱仪，测定不同老化程度的沥青试样的羰基指数

其中，I₁＝0；

第三，分别绘制在I_A紫外光辐射强度与老化温度T_B条件下，不同沥青的羰基指数与老化试验时间t_c的关系曲线图，利用以下公式拟合：

可以求得

第四，绘制在紫外光辐射强度条件下I_A，与1/RT_B的曲线：

通过下式进行拟合：

求得，老化反应的频率因子为老化活化能

其中，绘制在紫外光辐射强度条件下I₁，与1/RT_B的曲线：

通过下式进行拟合：

能够得到

第五，计算n、l

绘制与I_A的曲线，通过下式进行拟合：

能够求得n，l。

3.根据权利要求1或2所述的预测沥青老化性能的预测方法，其特征在于：所取沥青薄膜厚度范围为0.1mm-1mm。

4.根据权利要求1或2所述的沥青老化性能的预测方法，其特征在于：利用光-热耦合老化试验装置对沥青薄膜试样进行不同紫外光辐射强度、温度和老化试验时间的老化，其中紫外光辐射强度、温度和老化试验时间均不少于3组，紫外光辐射强度范围为0～50W·m^-2，每组辐射强度间隔不小于10W·m^-2，温度范围为40～100℃之间，每组温度间隔不小于15℃。

5.一种沥青路面维修养护的施工方法，其特征在于，

第一，求解路面施工后的不同年份的沥青的羰基指数，采用下式计算

其中，沥青采用该路段新建时所采用的沥青，将上述沥青进行旋转薄膜烘箱试验，利用傅里叶红外光谱仪测定其羰基指数CA_RTFO；

其中，查询当地历年气象资料，得到该路段在不同年份下的紫外光年平均辐射强度I_i以及路面的年平均温度T_i；

然后，根据权利要求2的方式，能够求得不同年份下的k值；进而，能够得到当前时间下的CA值；

第二，当CA≥CA_维护时，需要对沥青路面进行维修养护。