基于红外光谱的沥青结构表征研究

（申请工学硕士学位论文）基于红外光谱的沥青结构表征研究培养单位：材料科学与工程学院学科专业：材料学研究生：张葆琳指导老师：余剑英教授2014年05月分类号密级UDC学校代码10497学位论文题目基于红外光谱的沥青结构表征研究英文CharacterizationofBitumenStructureBasedonFourier题名TransformInfrared研究生姓名张葆琳姓名余剑英职称教授学位博士单位名称材料科学与工程学院邮编430070申请学位级别工学硕士学科专业名称材料学论文提交日期2014.05论文答辩日期2014.05学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席吴少鹏评阅人高山俊吴仲岿2014年5月指导教师独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：导师（签名）：日期I摘要近年来，随着长寿命沥青路面设计理论的提出，在高等级公路的施工过程中，对沥青路面耐久性的要求越来越高。然而，沥青属于有机材料，众所周知，在自然气候环境中的热、光、氧等的作用下，有机材料易老化；沥青的老化所引起的多种病害，如裂缝、麻面和坑槽等，将大大缩短了沥青路面的使用寿命。为延长沥青路面的耐久性能，必须研究揭示沥青在老化与抗老化过程中的成分与结构的变化规律。红外光谱法是研究沥青组分及其分子结构的最重要和最有效的实验手段之一，但由于沥青成分及其结构的复杂性，迄今沥青红外光谱的研究仍存在评价标准不统一、评价体系混乱等问题。本文利用多种来源不同的基质沥青和不同的改性沥青，系统研究傅里叶变换红外光谱法（FTIR）运用于沥青的各种指标评价体系，以揭示沥青的物理性能、成分及其分子结构之间的关系规律。获得的主要结论如下：（1）分别以沥青红外光谱的全振动谱区(4000~700cm-1)、基团伸缩振动谱区(4000~1400cm-1)、指纹振动谱区(1400~700cm-1)和饱和碳氢伸缩振动谱区(3000-2800cm-1)的总峰面积为基准，计算分析沥青中几个主要官能团的基团指数，发现以4000~700cm-1全振动谱区的峰面积为基准计算的各官能团相对含量，最能正确反映基团含量与沥青物理性能之间的关系规律。（2）在实验室模拟的短期热氧老化和短期紫外老化后，沥青中羰基峰和亚砜基峰的峰面积变化增减不一，单独的羰基峰面积更适合于评价道路沥青的短期老化行为；但对于PAV长期老化，羰基和亚砜基峰的峰面积均随老化时间的增加而增加，同时运用羰基峰和亚砜基峰的面积两个指标评价道路沥青的长期老化情况，更为精准。（3）通过四组分研究，发现沥青中饱和分、芳香分和沥青质在采取不同的老化方式老化后各自的变化规律相同，老化过程中饱和分没有发生断链和氧化，芳香分发生了缩聚反应形成了稠环化合物。沥青中的胶质在不同的老化方式下有不同的表现：在热氧老化下WAR（芳香指数变化率）和Wn≥4（长链指数变化率）均增加，形成了更多大分子的稠芳环，即转变为沥青质；在紫外老化下WAR和Wn≥4均不变，主要表现为亚砜基官能团指数的变化率增大，表明在紫外光作用下，胶质中的杂原子发生了氧化反应。II（4）层状双羟基复合金属氢氧化物（LDHs）具有多级层状结构，其多级层板和层间能产生对紫外线的多重吸收和屏蔽，从而起到对紫外线的阻隔作用；有机化蒙脱土（OMMT）也具有类似的层状结构，OMMT片层可有效阻止氧在沥青中的扩散从而抑制沥青的老化；紫外吸收剂通过自身对紫外线的吸收，来避免或减轻紫外线对沥青分子的直接破坏。利用上述全谱区基准法，对LDHs、OMMT和紫外吸收剂在沥青抗老化过程中的作用，以及改性沥青在老化过程中相关特征基团含量的变化情况进行了评价，进一步证实了全谱基准法的可靠性。关键词：沥青；红外光谱；老化机理；四组分；改性沥青IIIABSTRACTInrecentyears,withthelone-lifebitumenpavementdesigntheoryissued，intheconstructionprocessofhigh-gradehighwayrequirementtothedurabilityofbitumenbecomehigherandhigher.Butbitumenisorganicmaterial,asisknowntoallthatorganicmaterialsareeasytoagingundertheactionofnaturalenvironmentofheat,light,Oxygen.Lotofdiseasescausedbyageingofbitumensuchascracking,downpunching,groovingandsoon,shortenthelifeofthebitumenpavementgreatly.Inordertoprolongedthelifeofbitumenpavement,wemustfigureoutthevariationofthecomponentsandstructureduringthebitumenagingandanti-agingprocess.infraredspectroscopyisoneofthemostimportantandeffectiveexperimentalmethodstoresearchintoBitumencompositionanditsmolecularstructure.butbecauseofthecomplexityofthebitumencomponentsandstructure,suchproblemsasevaluationstandardisnotunifiedandevaluationsystemchaosareexisteduntilnow.Inthispaper,accordingtoavarietyofdifferentbitumenandimprovedbitumen,wesystematiclystudyedintotheFourierTransformInfraredSpectroscopy(FTIR).usedasbitumenevaluationstoannouncetherelationshipandrulesbetweenthebitumenphysicalproperties、componentsandmolecularstructure.Themainconclusionsareasfollows:(1)Basedonthetotalpeakareaofbitumenfullspectrum(4000~700cm-1)、groupsstretchingvibrationarea(4000~1400cm-1)、fingerprintarea(1400~700cm-1)andsaturatedC-Hstretchingvibrationarea(3000-2800cm-1)，calculatingandanalysisthegroupindexofthemainfunctionalgroups.Findthattherelativecontentsoffunctionalgroupsbasedon4000~700cm-1fullspectrumpeakarea,canmostcorrectlyreflectthelawbetweengroupcontentandbitumenphysicalproperties.(2)Aftershort-termhotoxygenagingandshort-termultravioletaginginthelab,thepeakareaofcarbonylandsulfoxideinbitumenchangedifferent,thesinglepeakareaofcarbonylisfittoevaluatetheShort-termagingbehaviorofbitumen,butthepeakareaofcarbonylandsulfoxideincreasewiththeincreaseoftimetothePAVagingofbitumen,itisaccuratetousethetotalpeakareaofcarbonylandsulfoxidetoIVevaluatetheLong-termagingbehaviorofbitumen.(3)Throughtheresearchoffourcomponentsanalyticalmethod，wefindthataftertakingdifferentagingmethodsthevariationofsaturates,aromaticsandasphaltenesarethesame.Thechainofsaturatesbreakoroxidationintheagingprocess,polycondensationreactiontakeplaceinaromaticsformingcycliccompounds，resinsinthebitumenrevealsdifferentindifferentagingways:InthermaloxidativeagingWAR和Wn≥4bothincrease,formationofmorelargemoleculararomaticcycles,inotherwords,ittransferredtoasphaltenes.InUVagingWAR和Wn≥4allthesame，mainlyforthechangerateofsulfoxideindexisincrease，indicatethatintheUVagingprocess,impurityatomintheresinsareoxidized.(4)LDHshasmultistagestratifiedstructure,multistagelayerplateandbetweenthelayerscanproducemultipleabsorptionandshieldingofUV,thereforitcutofftheUV.OMMTalsohasthesamestratifiedstructure,OMMTlamellarcanpreventtheoxygenproliferationinthebitumen,socaninhibitbitumenaging.ultravioletabsorberabsorbtheUVtoavoidorreducetheUVdirectdamagetothebitumenmolecular.BythemethodoffullspectrumStandards,evaluatedthefunctionsofLDHs、OMMTandultravioletabsorberduringtheanti-agingprocess,andthechangeofcharactergroupscontentsofmodifiedbitumenduringagingprocess,co