紫外光吸收劑對瀝青性能的影響及其作用機(jī)理研究.pdf

1、隨著國際上長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)理念的提出以及我國西部強(qiáng)紫外線地區(qū)公路建設(shè)的快速發(fā)展，瀝青的紫外光老化問題受到廣泛重視，對其防紫外光老化措施的研究已成為國內(nèi)外瀝青基道路材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近些年來，在高分子材料領(lǐng)域使用效果優(yōu)良的紫外光吸收劑已被用于瀝青的抗紫外光老化。然而，由于瀝青的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，紫外光吸收劑對不同瀝青的物理、流變和老化性能呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的影響，這在一定程度上限制了紫外光吸收劑在瀝青材料中的應(yīng)用。因此，探明紫外光吸

2、收劑對瀝青性能的影響，揭示二者的作用機(jī)理，對于采用紫外光吸收劑制備具有優(yōu)良耐老化性能的瀝青材料，提高瀝青路面的耐久性具有重要的理論指導(dǎo)意義。
　　 本文以3種不同結(jié)構(gòu)的紫外光吸收劑和5種不同產(chǎn)地的基質(zhì)瀝青為研究對象，研究了紫外光吸收劑對不同瀝青物理、流變、熱氧及紫外光老化性能的影響;采用棒狀薄層色譜-氫火焰離子探測儀(TLC-FID)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)和原子力顯微鏡(AFM)研究了紫外光吸收劑對不同瀝青化學(xué)組分、

3、膠體結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和微觀形貌的影響，分析了紫外光吸收劑對瀝青組成、結(jié)構(gòu)的影響及其與性能變化之間的關(guān)系;通過瀝青的化學(xué)組分分離，研究了紫外光吸收劑對瀝青各組分老化前后化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，探討了紫外光吸收劑與瀝青的相互作用機(jī)理;最后，針對不同類型的SBS改性瀝青，研究了紫外光吸收劑對改性瀝青物理、流變和老化性能的影響。主要研究結(jié)論如下:
　　 (1)紫外光吸收劑對瀝青的物理流變性能具有明顯的影響。紫外光吸收劑可使瀝青的針入度略微增大，

4、軟化點(diǎn)和粘度有所減小，延度顯著提高;紫外光吸收劑的加入使瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量略微降低，相位角增大，對瀝青低溫抗裂性能有明顯的改善作用。
　　 (2)紫外光吸收劑對不同瀝青的抗老化性能表現(xiàn)出較為復(fù)雜的影響。紫外光吸收劑對一些瀝青的熱氧和紫外光老化性能具有顯著的改善效果，而對另一些瀝青卻表現(xiàn)為加速老化的作用，二者之間具有特定的選擇性。研究發(fā)現(xiàn)，對于SK-70瀝青，3種紫外光吸收劑（Octabenzone、Bumetrizole和Tin

5、uvin770）均對其熱氧老化和紫外光老化具有良好的改善效果;對于塔河-90瀝青，Octabenzone和Tinuvin770具有較好的改善效果;對于雙龍-70和盤錦-90瀝青，僅Bumetrizole表現(xiàn)出良好的改善效果;而對于殼牌-70瀝青，3種紫外光吸收劑均表現(xiàn)為加速其老化的作用。
　　 (3) TLC-FID分析表明，紫外光吸收劑的加入使瀝青的四組分含量發(fā)生明顯的變化，表現(xiàn)為芳香分含量增大，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量減小，飽和分含

6、量變化不大，膠體結(jié)構(gòu)更趨于溶膠化，這是紫外光吸收劑對瀝青物理流變性能產(chǎn)生影響的主要原因。熱氧和紫外光老化后，紫外光吸收劑對瀝青化學(xué)組分的影響因?yàn)r青種類的不同而無規(guī)律可尋，但其對瀝青膠體結(jié)構(gòu)的影響與老化性能之間具有較好的對應(yīng)性，即:凝膠化指數(shù)（評價(jià)瀝青向凝膠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變程度的指標(biāo)）減小表明紫外光吸收劑對瀝青的耐老化性能具有改善作用，而凝膠化指數(shù)增大則表明紫外光吸收劑加速了瀝青的老化。
　　 (4) FTIR分析表明，紫外光吸收劑的加

7、入增大了瀝青中1601cm-1處的芳香官能團(tuán)相對含量，而對1377cm-1處的支鏈脂肪族官能團(tuán)相對含量影響不大。通過對比支鏈脂肪族官能團(tuán)指數(shù)、芳香官能團(tuán)指數(shù)、羰基與亞砜基官能團(tuán)指數(shù)變化發(fā)現(xiàn):對于具有優(yōu)良耐老化性能的紫外光吸收劑/瀝青體系，瀝青在老化過程中的斷鏈、芳縮化及氧化反應(yīng)被抑制;而對于耐老化性能較差的紫外光吸收劑/瀝青體系，瀝青在老化過程中的斷鏈、芳縮化與氧化反應(yīng)被加劇。
　　 (5)通過FTIR研究了紫外光吸收劑對瀝青四

8、組分化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明紫外光吸收劑與瀝青各組分分別混合后，紫外光吸收劑自身的結(jié)構(gòu)特征未發(fā)生變化，而瀝青各組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)卻受紫外光吸收劑的影響發(fā)生了明顯變化。紫外光老化后，紫外光吸收劑的加入顯著抑制了芳香分中羰基與亞砜基的生成，減緩了芳香分的紫外光老化，對飽和分和膠質(zhì)的紫外光老化也具有一定的抑制作用，而對瀝青質(zhì)的紫外光老化影響不大。
　　 (6) AFM研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青呈現(xiàn)出以瀝青質(zhì)為核心的分散相和以輕組分為主的連續(xù)相，表

9、面較為粗糙，而加入紫外光吸收劑的瀝青表面均變得平整，相位圖向單相化轉(zhuǎn)變，形成了相對均一的體系。這歸因于紫外光吸收劑的加入改變了瀝青的化學(xué)組成，使瀝青向溶膠態(tài)轉(zhuǎn)變，瀝青質(zhì)在輕組分中得到了較好的溶解。對于耐老化性能優(yōu)良的紫外光吸收劑/瀝青體系，熱氧和紫外光老化后瀝青的兩相化程度不明顯，意味著瀝青中瀝青質(zhì)分散相的締合被抑制;而對于耐老化性能較差的紫外光吸收劑/瀝青體系，老化后瀝青表現(xiàn)出明顯的兩相，表明瀝青質(zhì)分散相的締合較為明顯。
　　

10、 (7)綜合TLC-FID、FTIR和AFM的分析結(jié)果可知:
　　 (a)紫外光吸收劑對瀝青耐老化性能具有改善作用時(shí)，其作用機(jī)理為:分散于瀝青中的紫外光吸收劑或通過其分子結(jié)構(gòu)中的氫鍵將有害的紫外光能變成無害的熱能釋放出來（如Octabenzone和Bumetrizole），或利用其分子兩端的仲氨基官能團(tuán)捕獲瀝青老化過程中受熱或紫外光激發(fā)產(chǎn)生的活性自由基（如Tinuvin770），以阻止瀝青分子發(fā)生分子鏈斷裂、芳縮化及氧化反應(yīng)，減

11、少瀝青質(zhì)的形成，減緩瀝青向凝膠化轉(zhuǎn)變，從而抑制瀝青的老化;
　　 (b)當(dāng)紫外光吸收劑對一些瀝青的老化具有加速作用時(shí)，其可能的作用機(jī)理是:紫外光吸收劑可能與瀝青中的某些基團(tuán)發(fā)生了反應(yīng)，使其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化紫外光能或捕獲自由基的能力喪失，失去了抑制瀝青老化的功能，而當(dāng)其遭受熱和紫外光的作用時(shí)還可能被激發(fā)生成活性自由基，引發(fā)自由基連鎖反應(yīng)的發(fā)生，加劇瀝青的分子鏈斷裂、芳縮化及氧化反應(yīng)，促進(jìn)了瀝青向凝膠化轉(zhuǎn)變，從而加速了

12、瀝青的老化。
　　 (8)對于SBS改性瀝青而言，紫外光吸收劑的加入可增大其針入度、延度和軟化點(diǎn)，降低其粘度，對其復(fù)數(shù)剪切模量的影響不大，對相位角的影響則較為復(fù)雜。老化性能評價(jià)表明，紫外光吸收劑與SBS改性瀝青之間也具有特定的選擇性:對于盤錦SBS改性瀝青，Tinuvin770可同時(shí)顯著改善其耐熱氧和紫外光老化性能;對于線形SBS改性瀝青，Bumetrizole和Tinuvin770僅對其耐紫外光老化性能具有一定的改善作用;對于