提高沥青粘合剂耐久性：抗氧化剂在缓解氧化老化中的作用
沥青粘结料是路面的重要组成部分，负责确保路面的耐久性和长期性能。然而，沥青粘结料的氧化老化是一个重大挑战，会导致其力学性能下降，从而缩短路面的使用寿命。氧化主要由紫外线照射、温度波动和氧气等环境因素引起。随着时间的推移，这种老化会导致极性化合物的形成，增加粘结料的刚度并降低其柔韧性，最终导致路面开裂、疲劳和车辙。
缓解沥青结合料氧化老化影响的一种很有前景的方法是使用抗氧化剂。抗氧化剂可以通过中和自由基来延缓氧化的发生，从而保持结合料的化学和流变性能。虽然现有文献主要集中于将抗氧化剂应用于单一原油来源的沥青结合料，但对于抗氧化剂如何与来自不同原油来源的结合料相互作用，我们仍知之甚少。此外，抗氧化剂改性沥青结合料的化学组成与流变行为之间的复杂关系也尚未得到充分研究。
本文探讨了三种抗氧化剂——二乙基二硫代氨基甲酸锌（ZDC）、Irganox 1010 和牛皮纸木质素——对三种不同原油来源沥青粘合剂的影响。文章深入分析了这些抗氧化剂引起的化学和流变学变化、粘合剂的高低温性能，以及不同粘合剂对抗氧化剂类型和用量的敏感性。
1.沥青结合料氧化机理
要了解抗氧化剂在沥青粘合剂中的作用机制，首先必须理解其氧化老化机制。沥青粘合剂是由烃类、树脂和沥青质组成的复杂混合物，在氧气、高温和紫外线照射下极易发生氧化。氧化过程中，粘合剂中较轻的组分——芳香烃——与氧气反应生成羰基。这些羰基化合物会增加粘合剂的极性，使其变得更加坚硬和脆性。
这种氧化老化会表现出多种有害影响，包括：
刚度增加：老化过程会增加粘合剂的刚度，降低其在负载下变形的能力，从而导致开裂。
延展性丧失：老化的粘合剂会失去随温度波动而拉伸和收缩的能力，从而导致热裂纹。
抗疲劳性降低：随着粘合剂变得更加脆性，在反复载荷作用下更容易发生疲劳和开裂。
2.抗氧化剂作为一种缓解策略
抗氧化剂能够清除自由基，从而延缓或阻止氧化老化，中断氧化过程。本研究中使用的三种抗氧化剂——二乙基二硫代氨基甲酸锌 (ZDC)、Irganox 1010 和牛皮纸木质素——因其在各种工业应用中的抗氧化特性而闻名。
二乙基二硫代氨基甲酸锌（ZDC）：ZDC是一种有机硫化合物，可作为自由基清除剂。它与自由基反应生成稳定的化合物，从而阻止进一步的氧化反应。
Irganox 1010：一种空间位阻酚类抗氧化剂，Irganox 1010 通过稳定氧化过程中形成的活性中间体提供长期保护。
牛皮纸木质素：一种源自造纸工业的天然抗氧化剂，牛皮纸木质素含有酚羟基，能够中和自由基。由于其环境友好性和减少碳排放的潜力，牛皮纸木质素在沥青粘合剂中的应用备受关注。
3.化学分析：傅里叶变换红外光谱（FTIR）
沥青粘合剂的化学成分可通过傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 进行分析，该方法基于官能团对红外辐射的特征吸收来识别材料中存在的官能团。对于抗氧化剂改性粘合剂，FTIR 有助于确定抗氧化剂如何影响羰基和亚砜基等氧化产物的形成。
研究表明，在沥青粘合剂中添加抗氧化剂会导致光谱发生显著变化，尤其是在羰基和亚砜吸收带对应的区域。然而，一项关键发现是，化学官能团的变化并非总是与流变性能的改善相关，这表明抗氧化剂与粘合剂之间的化学相互作用十分复杂，仅靠傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析无法完全解释。
4.流变分析：动态剪切流变仪（DSR）和弯曲梁流变仪（BBR）
流变学测试对于评估沥青结合料在各种荷载和温度条件下的性能至关重要。动态剪切流变仪 (DSR) 可测量结合料的复数模量和相位角，从而深入了解其在高温下的刚度和弹性。而弯曲梁流变仪 (BBR) 则用于评估结合料的低温性能，重点关注其抗热裂性能。
该研究的动态剪切流变试验（DSR）结果表明，ZDC改性沥青具有优异的高温性能，表现为车辙敏感性降低和劲度值升高。BBR试验表明，ZDC还能提高沥青的低温抗裂性能，说明其在较宽的温度范围内均有效。虽然Irganox 1010和牛皮纸木质素也能提升沥青的性能，但与ZDC相比，其效果并不显著。
5.不同原油来源的性能
该研究的创新之处在于探讨了不同原油来源沥青粘合剂的抗氧化性能。沥青粘合剂的化学成分和流变性能会因原油来源的不同而存在显著差异。这种差异引发了一个问题：抗氧化剂在不同粘合剂中是否表现出一致的性能？
研究发现，虽然ZDC在所有粘合剂中均表现良好，但其有效性会因粘合剂的来源地而异。例如，某些地区的粘合剂对抗氧化剂的用量更为敏感，过量使用会导致性能下降。这一发现强调了确定特定粘合剂的最佳抗氧化剂用量的必要性，因为用量与有效性之间的关系并非简单直接。
6.线性振幅扫描（LAS）试验：疲劳性能评估
线性振幅扫描（LAS）试验是评估沥青结合料疲劳性能的有效工具。它测量结合料在失效前承受反复加载循环的能力。本研究采用LAS试验评估了不同原油来源下ZDC改性结合料的抗疲劳性能。
结果表明，ZDC显著提高了粘结剂的抗疲劳性能，表现为疲劳寿命延长和开裂风险降低。这种性能提升在所有粘结剂中均一致，表明ZDC是一种有效的抗氧化剂，能够增强粘结剂在重复应力下的耐久性。
7.讨论：对路面耐久性的影响
这项研究的发现对路面耐久性和养护策略具有重要意义。抗氧化剂能够有效缓解氧化老化，从而延长沥青路面的使用寿命，减少昂贵的维修和更换需求。然而，该研究也强调了抗氧化剂与粘合剂相互作用的复杂性，尤其是在不同原油来源的粘合剂中。
一项关键结论是，针对每种粘合剂类型优化抗氧化剂用量至关重要。虽然本研究中ZDC是最有效的抗氧化剂，但其在所有粘合剂中的表现并不一致，这表明“一刀切”的方法可能并不适用。未来的研究应着重于制定用量指南，并探索抗氧化剂在实际路面应用中的长期效果。
8.结论
本研究深入探讨了抗氧化剂在提高沥青粘合剂抗氧化老化性能方面的作用。通过化学和流变学分析相结合的方法，证实了ZDC、Irganox 1010和牛皮纸木质素均能增强粘合剂的性能，其中ZDC的效果最为显著。然而，该研究也强调了需要更深入地了解抗氧化剂与粘合剂之间的相互作用，尤其是在原油来源差异和用量优化方面。
随着对更耐用、更可持续的路面材料的需求不断增长，抗氧化剂为延长沥青路面的使用寿命提供了一种很有前景的解决方案。未来的研究应继续探索粘合剂成分、抗氧化剂类型和流变性能之间错综复杂的关系，从而为构建更具韧性的基础设施系统铺平道路。
