纤维素纳米晶体改性热拌沥青混合料在氧化老化与冻融条件下的化学—力学综合耐久性评价

《Scientific Reports》：Durability assessment of cellulose nanocrystal-modified hot mix asphalt under oxidative aging and freeze–thaw conditioning: mechanical and FTIR-based evaluation

　　

摘要

本研究通过化学和力学综合评价，探讨了氧化老化和冻融（F–T）条件下纤维素纳米晶体（CNC）改性热拌沥青混合料（HMA）的耐久性。该研究旨在阐明CNC对沥青结合料氧化以及复合环境劣化条件下沥青混合料低温性能的影响。采用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）通过羰基和亚砜基团指数来量化氧化老化程度，同时在0、?10和?20 °C温度下，采用I型和II型加载的半圆形弯曲（SCB）试验测定断裂能（G_f）和断裂韧性（K_IC/K_IIC）。此外，还建立了经验预测模型，用于估算断裂性能作为CNC掺量、温度、加载模式、老化状态和冻融暴露条件的函数。FTIR分析表明，氧化老化使未改性沥青结合料的羰基和亚砜指数显著增加，而CNC改性有效抑制了氧化，与对照结合料相比，羰基指数发展降低了66%。力学评价显示，CNC显著提高了HMA在低温下抗裂纹萌生和扩展的能力，其中含1% CNC的混合料表现出最均衡的综合性能。虽然施加的冻融条件降低了大多数混合料的断裂能和断裂韧性，但CNC改性混合料通常表现出这些性能更好的保持率，表明在所研究的实验室条件下，其对冻融条件初始效应的抗性更强。在复合老化和冻融条件下，老化混合料表现出较高的断裂能但较低的断裂韧性，表明环境条件处理后能量吸收能力和抗裂纹萌生能力存在不同的响应。所提出的经验模型在所研究的实验条件下，对断裂能和断裂韧性均提供了令人满意的预测，平均预测误差分别约为18%和5%。总体而言，研究结果表明纤维素纳米晶体能提高热拌沥青的化学稳定性，并增强其对所研究的环境条件的抗性，包括氧化老化和冻融暴露的初始效应。本研究提出的化学–力学综合评价为评估适用于寒冷和易受水分影响环境的可持续沥青混合料的长期耐久性提供了全面的框架。