Повышение долговечности асфальтового вяжущего: роль антиоксидантов в смягчении окислительного старения.
Асфальтовые вяжущие являются важнейшим компонентом дорожных покрытий, обеспечивающим их долговечность и эксплуатационные характеристики на протяжении длительного времени. Однако окислительное старение асфальтовых вяжущих представляет собой серьезную проблему, приводя к ухудшению механических свойств и, следовательно, к сокращению срока службы дорожного покрытия. Окисление происходит в основном под воздействием факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое излучение, колебания температуры и присутствие кислорода. Со временем это старение приводит к образованию полярных соединений, увеличивая жесткость вяжущего и снижая его гибкость, что в конечном итоге вызывает растрескивание дорожного покрытия, усталость и образование колеи.
Одним из перспективных подходов к смягчению последствий окислительного старения асфальтовых вяжущих является использование антиоксидантов. Антиоксиданты могут замедлить начало окисления, нейтрализуя свободные радикалы, тем самым сохраняя химические и реологические свойства вяжущего. Хотя в литературе основное внимание уделялось применению антиоксидантов к асфальтовым вяжущим из отдельных источников сырой нефти, существует пробел в понимании того, как антиоксиданты взаимодействуют с вяжущими из различных источников сырой нефти. Более того, сложная взаимосвязь между химическим составом и реологическим поведением модифицированных антиоксидантами асфальтовых вяжущих остается в значительной степени неизученной.
В данной статье исследуется влияние трех антиоксидантов — диэтилдитиокарбамата цинка (ZDC), Irganox 1010 и крафт-лигнина — на асфальтовые вяжущие материалы, полученные из трех различных источников сырой нефти. Рассматриваются химические и реологические изменения, вызванные этими антиоксидантами, высоко- и низкотемпературные характеристики вяжущих материалов, а также чувствительность различных вяжущих материалов к типу и дозировке антиоксиданта.
1. Механизм окисления асфальтового связующего
Для понимания того, как антиоксиданты действуют в асфальтовых вяжущих, необходимо сначала разобраться в механизме окислительного старения. Асфальтовое вяжущее представляет собой сложную смесь углеводородов, смол и асфальтенов, которые подвержены окислению при воздействии кислорода, тепла и УФ-излучения. В процессе окисления более легкие компоненты вяжущего — ароматические углеводороды — реагируют с кислородом, образуя карбонильные группы. Эти карбонильные соединения повышают полярность вяжущего, что приводит к большей жесткости и хрупкости материала.
Окислительное старение проявляется в ряде пагубных последствий, в том числе:
Повышенная жесткость: В процессе старения жесткость связующего вещества увеличивается, что снижает его способность деформироваться под нагрузкой и может привести к растрескиванию.
Потеря пластичности: Со временем связующие вещества теряют способность растягиваться и сжиматься при колебаниях температуры, что приводит к термическому растрескиванию.
Сниженная усталостная прочность: по мере того, как связующее вещество становится более хрупким, оно более подвержено усталости и растрескиванию под воздействием многократных нагрузок.
2. Антиоксиданты как стратегия смягчения последствий
Антиоксиданты могут замедлять или предотвращать окислительное старение, нейтрализуя свободные радикалы и тем самым прерывая процесс окисления. Три антиоксиданта, использованные в этом исследовании — диэтилдитиокарбамат цинка (ZDC), Irganox 1010 и крафт-лигнин — известны своими антиоксидантными свойствами и применяются в различных отраслях промышленности.
Диэтилдитиокарбамат цинка (ДДЦ): ДДЦ — это органическое серосодержащее соединение, которое действует как поглотитель свободных радикалов. Он реагирует со свободными радикалами, образуя стабильные соединения и предотвращая дальнейшие окислительные реакции.
Ирганокс 1010: Этот стерически затрудненный фенольный антиоксидант обеспечивает долговременную защиту, стабилизируя реакционноспособные промежуточные соединения, образующиеся в процессе окисления.
Крафт-лигнин: природный антиоксидант, получаемый в бумажной промышленности, содержит фенольные гидроксильные группы, способные нейтрализовать свободные радикалы. Его использование в асфальтовых вяжущих материалах представляет интерес благодаря его экологичности и потенциальной возможности снижения выбросов углекислого газа.
3. Химический анализ: Фурье-преобразовательная инфракрасная спектроскопия (FTIR)
Химический состав асфальтовых вяжущих можно анализировать с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), которая идентифицирует функциональные группы, присутствующие в материале, на основе их характерного поглощения инфракрасного излучения. В контексте вяжущих, модифицированных антиоксидантами, FTIR помогает определить, как антиоксиданты влияют на образование продуктов окисления, таких как карбонильные и сульфоксидные группы.
Исследование показало, что добавление антиоксидантов к асфальтовым вяжущим приводит к заметным изменениям в спектрах, особенно в областях, соответствующих полосам поглощения карбонильных и сульфоксидных групп. Однако одним из ключевых выводов стало то, что изменения в химических функциональных группах не всегда коррелируют с улучшением реологических характеристик, что указывает на сложность химических взаимодействий между антиоксидантами и вяжущими и на невозможность их полного объяснения только с помощью ИК-спектроскопии.
4. Реологический анализ: динамический сдвиговой реометр (DSR) и реометр с изгибающим лучом (BBR)
Реологические испытания имеют решающее значение для оценки характеристик асфальтовых вяжущих в различных условиях нагрузки и температуры. Динамический сдвиговой реометр (ДСР) измеряет комплексный модуль и фазовый угол вяжущих, позволяя получить представление об их жесткости и эластичности при высоких температурах. Реометр с изгибающим стержнем (РИС), с другой стороны, оценивает низкотемпературные свойства вяжущих, уделяя особое внимание их способности противостоять термическому растрескиванию.
Результаты исследования DSR показали, что вяжущие материалы, модифицированные ZDC, демонстрируют превосходные характеристики при высоких температурах, о чем свидетельствует меньшая склонность к образованию колеи и более высокие значения жесткости. Испытания BBR показали, что ZDC также улучшает сопротивление растрескиванию при низких температурах, что указывает на его эффективность в широком диапазоне температур. Хотя Irganox 1010 и крафт-лигнин также улучшают характеристики вяжущих материалов, их эффект был менее выраженным по сравнению с ZDC.
5. Показатели эффективности при использовании различных источников сырой нефти
Одним из новаторских результатов исследования является изучение антиоксидантных свойств вяжущих материалов, полученных из различных источников сырой нефти. Асфальтовые вяжущие материалы могут значительно различаться в зависимости от источника сырой нефти, отличаясь химическим составом и реологическими свойствами. Эта изменчивость поднимает вопрос о том, проявляют ли антиоксиданты стабильные характеристики в разных вяжущих материалах.
Исследование показало, что, хотя ZDC хорошо зарекомендовал себя во всех группах связывающих веществ, его эффективность варьировалась в зависимости от источника базового связывающего вещества. Например, связывающие вещества из определенных регионов были более чувствительны к дозировке антиоксиданта, причем избыточное количество приводило к снижению эффективности. Этот вывод подчеркивает необходимость определения оптимальных дозировок антиоксидантов для конкретных связывающих веществ, поскольку взаимосвязь между дозировкой и эффективностью не является прямолинейной.
6. Тест линейной амплитудной развертки (LAS): оценка усталостной прочности.
Испытание с линейной амплитудной разверткой (LAS) является ценным инструментом для оценки усталостной прочности асфальтовых вяжущих. Оно измеряет способность вяжущего выдерживать многократные циклы нагружения до разрушения. В данном исследовании испытание LAS использовалось для оценки усталостной стойкости вяжущих, модифицированных ZDC, из различных источников сырой нефти.
Результаты показали, что ZDC значительно улучшает усталостную прочность вяжущих материалов, о чем свидетельствует увеличение срока службы при усталостных нагрузках и снижение вероятности растрескивания. Это улучшение было одинаковым для всех вяжущих материалов, что говорит о том, что ZDC является мощным антиоксидантом, повышающим долговечность вяжущих материалов при повторяющихся нагрузках.
7. Обсуждение: Последствия для долговечности дорожного покрытия
Результаты этого исследования имеют важное значение для долговечности дорожных покрытий и стратегий их обслуживания. Эффективно предотвращая окислительное старение, антиоксиданты могут продлить срок службы асфальтобетонных покрытий, снижая потребность в дорогостоящем ремонте и замене. Однако исследование также подчеркивает сложность взаимодействия антиоксидантов со связующими веществами, особенно в случае связующих веществ из разных источников сырой нефти.
Один из важнейших выводов заключается в необходимости оптимизации дозировки антиоксидантов для каждого типа связующего вещества. Хотя ZDC оказался наиболее эффективным антиоксидантом в этом исследовании, его эффективность не была одинаковой для всех типов связующих веществ, что указывает на то, что универсальный подход может быть неприемлемым. Будущие исследования должны быть сосредоточены на разработке рекомендаций по дозировке и изучении долгосрочных эффектов антиоксидантов в реальных условиях эксплуатации дорожных покрытий.
8. Заключение
Данное исследование предоставляет ценную информацию о роли антиоксидантов в повышении устойчивости асфальтовых вяжущих к окислительному старению. С помощью сочетания химического и реологического анализов было показано, что ZDC, Irganox 1010 и крафт-лигнин могут улучшать характеристики вяжущих, при этом ZDC показал наиболее перспективные результаты. Однако исследование также подчеркивает необходимость более глубокого понимания взаимодействия антиоксидантов и вяжущих, особенно в отношении изменчивости источников сырой нефти и оптимизации дозировки.
По мере роста спроса на более долговечные и экологичные дорожные материалы антиоксиданты предлагают перспективное решение для продления срока службы асфальтобетонных покрытий. В будущих исследованиях следует продолжить изучение сложных взаимосвязей между составом связующего вещества, типом антиоксиданта и реологическими характеристиками, что проложит путь к созданию более устойчивых инфраструктурных систем.
