Ảnh hưởng của nhiệt độ lão hóa ngắn hạn đến tính chất của Nhựa đường

Tính chất của hỗn hợp nhựa đường sau khi lão hóa là các thông số cơ bản để xác định hiệu suất lâu dài (ví dụ: độ bền) của các vật liệu này. Với sự phổ biến ngày càng tăng của các hỗn hợp nhiệt độ thấp, chẳng hạn như nhựa đường trộn ấm (WMA), câu hỏi đặt ra là việc giảm lão hóa ngắn hạn sẽ ảnh hưởng như thế nào đến các tính chất sau khi lão hóa dài hạn của vật liệu bitum. Bài báo này nhằm mục đích nâng cao hiểu biết của chúng ta về ảnh hưởng của nhiệt độ sản xuất nhựa đường đến lão hóa và các tính chất cơ học thu được của chất kết dính bitum bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của lão hóa ngắn hạn và dài hạn của các mẫu bitum khác nhau theo hàm số của nhiệt độ lão hóa ngắn hạn.

Với mục đích này, các thí nghiệm vòng tròn đã được tiến hành trong ủy ban kỹ thuật RILEM (TC) 252 về đặc tính cơ học hóa học của vật liệu bitum do 10 phòng thí nghiệm từ 5 quốc gia thực hiện bằng cách sử dụng bốn chất kết dính cùng loại (bút 70/100) từ các nguồn thô khác nhau. Quá trình lão hóa ngắn hạn được thực hiện bằng quy trình chuẩn để thử nghiệm lò màng mỏng cán (RTFOT), nhưng thay đổi nhiệt độ. Quá trình lão hóa dài hạn được thực hiện bằng quy trình chuẩn để thử nghiệm bình lão hóa áp suất (PAV) ngoài RTFOT. Đối với đặc tính cơ học, dữ liệu lưu biến được xác định bằng cách sử dụng lưu biến kế cắt động (DSR) và các thử nghiệm thông thường, với độ xuyên kim và điểm mềm hóa sử dụng phương pháp vòng và bi. Kết quả cho thấy mặc dù nhiệt độ lão hóa ngắn hạn khác nhau cho thấy sự khác biệt đáng kể về các đặc tính cơ học của chất kết dính, nhưng những khác biệt này đã biến mất sau khi lão hóa dài hạn bằng PAV.

Giới thiệu

Là một vật liệu hữu cơ, Nhựa đường trải qua những thay đổi về đặc tính cơ học, thành phần hóa học và cấu trúc vi mô do tác động của môi trường trong suốt vòng đời của nó (Glotova, Gorshkov, Kats, Shapiro, & Yureva, Citation1980; Lee, Tia, Ruth, & Page, Citation1997; Mills-Beale và cộng sự, Citation2012; Yao, Dai, & You, Citation2015). Sự mất mát các thành phần dễ bay hơi ở nhiệt độ cao và quá trình oxy hóa là hai yếu tố chính gây ra những thay đổi này. Về mặt tính chất cơ học, Nhựa đường có xu hướng trở nên cứng hơn, đàn hồi hơn và giòn hơn theo thời gian. Về thành phần hóa học, có thể quan sát thấy sự thay đổi trong các thành phần SARA (chất bão hòa, chất thơm, nhựa và asphaltene) với lượng asphaltene tăng dần và lượng aromatic giảm dần theo thời gian (Hofko, Eberhardsteiner, Fussl, & Grothe, Citation2016; Lu & Isacsson, Citation2002). Những thay đổi này thường được tóm tắt bằng thuật ngữ “lão hóa”. Quá trình lão hóa nhựa đường có thể được chia thành lão hóa ngắn hạn và lão hóa dài hạn. Trong trường hợp nhựa đường nóng, lão hóa ngắn hạn xảy ra trong quá trình sản xuất, vận chuyển và đầm nén hỗn hợp nhựa đường tại công trường, tất cả diễn ra trong vòng vài giờ.

Quá trình này được đặc trưng bởi nhiệt độ tương đối cao (>130°C) và do đó, tốc độ oxy hóa cao. Quá trình lão hóa dài hạn xảy ra trên mặt đường nhựa tại hiện trường do tiếp xúc với giao thông và điều kiện khí hậu trong suốt thời gian sử dụng. So với quá trình lão hóa ngắn hạn, lão hóa dài hạn là một quá trình oxy hóa chậm, chủ yếu xảy ra ở vài milimét trên cùng của lớp bề mặt. Liệu các tác nhân oxy hóa, ngoài oxy trong khí quyển, có đóng vai trò gì trong quá trình lão hóa dài hạn hay không, và tác động của bức xạ UV lên quá trình lão hóa mạnh đến mức nào, vẫn là chủ đề gây tranh cãi trong khoa học (Hofko và cộng sự, Citation2015). Mặc dù tác động của tia UV lên quá trình lão hóa nhựa đường đã được báo cáo từ nửa thế kỷ trước (Vallerga, Monismith, & Granthem, Citation1957), nhưng các quy trình lão hóa tiêu chuẩn hiện hành lại bỏ qua tác động của tia UV lên quá trình lão hóa nhựa đường. Một lý do cho điều này là tác động của tia UV chỉ áp dụng cho bề mặt trên của mặt đường nhựa đường và do đó tác động lên toàn bộ cấu trúc có thể không đáng kể (Durrieu, Farcas, & Mouillet, Citation2007). Về mặt mô phỏng lão hóa trong phòng thí nghiệm, khá nhiều phương pháp đã được thử nghiệm (Airey, Citation2003; Colbert & You, Citation2012). Các phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là thử nghiệm lò màng mỏng lăn (RTFOT) để mô phỏng quá trình lão hóa ngắn hạn và thử nghiệm bình lão hóa áp suất (PAV) để mô phỏng quá trình lão hóa dài hạn. Cũng có báo cáo rằng tác động lão hóa của tia UV và PAV về độ cứng và góc pha phụ thuộc vào nguồn nhựa đường và cấp (Xiao, Amirkhanian, Karakouzian, & Khalili, Citation2015). Quá trình lão hóa của bitum có tác động quan trọng đến độ bền của hỗn hợp nhựa đường (Lu, Redelius, Soenen, & Thau, Citation2011), vì chất kết dính cứng hơn và giòn hơn khiến mặt đường nhựa đường dễ bị nứt hơn.

Động lực và mục tiêu

Do nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến động học phản ứng nói chung và do đó đến tốc độ oxy hóa, nhiệt độ sản xuất hỗn hợp nhựa đường thấp hơn dẫn đến quá trình lão hóa nhựa đường ngắn hạn ít hơn. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ liệu hiệu ứng này có thể được quan sát thấy trong quá trình lão hóa dài hạn ít hơn hay không. Ngoài ra, dữ liệu và kiến ​​thức sâu rộng đã được thu thập về cách lão hóa ảnh hưởng đến nhựa đường về mặt cơ học và thành phần hóa học. Tuy nhiên, những dữ liệu này chủ yếu được xây dựng riêng biệt cho thử nghiệm cơ học và phân tích hóa học.

Mục tiêu chính của bài báo này là trình bày những kết quả đầu tiên của nghiên cứu về quá trình lão hóa ngắn hạn và dài hạn của các mẫu nhựa đường khác nhau từ nhiều nguồn dầu thô khác nhau, với nhiệt độ lão hóa ngắn hạn khác nhau. Các mẫu nhựa đường nguyên chất, lão hóa ngắn hạn và lão hóa dài hạn được đánh giá bằng các phương pháp phân tích cơ học và hóa học khác nhau. Trọng tâm của bài báo này là kết quả phân tích cơ học. Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao hiểu biết về quá trình lão hóa ngắn hạn và dài hạn, cũng như tác động của nhiệt độ lão hóa ngắn hạn lên sự phát triển các tính chất của nhựa đường.