復雜環(huán)境作用下瀝青老化性能變化速率研究

曹雪娟，吳博文，高豪，丁勇杰，毛鑫勃

(1.重慶交通大學 材料學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.重慶重交再生資源開發(fā)股份有限公司，重慶 404100)

瀝青路面在日常使用中老化現(xiàn)象嚴重，常出現(xiàn)泛油、鼓包等病害[1-3]，主要因為瀝青老化導致路面使用性能下降。

李洪軍等[4]進行熱老化實驗，發(fā)現(xiàn)隨著熱老化程度加深，瀝青混合料疲勞性能逐漸降低。 Liu等[5]研究改性瀝青的紫外老化實驗，結(jié)果表明低溫特性較好的SBR改性瀝青抗紫外老化能力較SBS改性瀝青低。傳統(tǒng)實驗模擬瀝青老化，考慮因素多為單一變量，與實際偏差大，對瀝青老化過程中間節(jié)點性能變化分析少，對瀝青性能變化速率研究缺乏直觀反映[6-9]。

本文全面考慮瀝青老化因素，建立完善的老化方案，嚴格控制老化時間，在此基礎上研究老化過程中瀝青力學性能變化。

1 實驗方法

1.1 原料與儀器

本實驗采用韓國SK公司生產(chǎn)的70#基質(zhì)瀝青，軟化點為47.9 ℃，15 ℃的延度為143 cm，25 ℃針入度為64.8 mm。

RG80瀝青耦合老化箱；紫外線強度儀。

1.2 瀝青老化實驗

利用紫外線強度儀測試室外及老化箱內(nèi)紫外輻射強度分別為2 298 W/m2和8 827 W/m2，確定瀝青老化加速率為3.84。考慮實驗中水、溫度和氣流速率的影響，加速率3.84需要進行修正，選取修正因子為1.25，瀝青老化綜合加速率為4.8。根據(jù)楊小梅、馮婧等[10-11]對我國西南地區(qū)日照時數(shù)的研究，夏季年平均日照為465.5 h，結(jié)合瀝青老化綜合加速率發(fā)現(xiàn)實驗室模擬老化96 h相當于實際1年的瀝青老化情況，本實驗將瀝青老化96，192，288 h，以此來表征1年、2年和3年的瀝青老化情況。

RG-80瀝青耦合老化箱，可調(diào)控溫度-20～150 ℃，光譜輻射范圍360～440 nm。實驗過程中將基質(zhì)瀝青加熱至流動狀態(tài)，稱取 500 g置于老化箱中，老化箱體設定溫度為65 ℃，相對濕度控制45%，空氣流通速率定為20 L/min，同時每隔6 h在樣品表面均勻噴灑少許水，并用玻璃棒攪拌瀝青試樣，使其均勻老化，將高壓汞燈放置于距樣品表面約35 cm處，老化時間為96，192，288 h，耦合老化實驗箱見圖1。

圖1 耦合老化實驗箱Fig.1 Coupling aging test chamber

1.3 實驗方法

利用布氏旋轉(zhuǎn)粘度計測試瀝青老化前后粘度變化，選用20號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為100 r/min，實驗溫度分別選定為115，135，155，175 ℃。利用動態(tài)剪切流變實驗進行溫度掃描，測定條件為：樣品Φ25 mm×1 mm，溫度區(qū)間為40～82 ℃，溫度步頻6 ℃，停留時間360 s，應力設定12%，角頻率設定10%。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學性能分析

2.1.1 三大指標實驗分析 我國道路工程采用針入度、軟化點和延度分別表征瀝青的粘滯性、溫度敏感性和延性性能，統(tǒng)稱為三大指標。本文根據(jù)JET E20-2011實驗規(guī)范中的測試方法分別對基質(zhì)瀝青、老化96 h、老化192 h和老化288 h的瀝青進行測試。瀝青老化前后的三大指標實驗結(jié)果，見表1。

表1 瀝青老化前后三大指標Table 1 Three indexes of asphalt before and after aging

由表1可知，瀝青的針入度和延度隨著老化時間增加而降低，軟化點隨著老化時間增加而升高。主要因為瀝青老化后其中的輕組分-芳香芬極易受到氧化作用轉(zhuǎn)變成瀝青質(zhì)膠質(zhì)，由于瀝青質(zhì)膠質(zhì)的性質(zhì)不穩(wěn)定，在復雜環(huán)境作用下(高溫、水分和氧分)發(fā)生化學反應向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，由于瀝青質(zhì)質(zhì)地較硬且脆性較大，因此老化時間越長瀝青的針入度和延度降低越明顯，軟化點增加較多。

對實驗中瀝青的三大指標的變化進行量化分析，針入度的降低率為8.01%，14.4%，15.9%，軟化點的增長率為7.3%，5.64%，6.08%，延度的降低率為27.6%，37.7%，65.3%，利用origin軟件進行非線性擬合所得曲線方程分別為y=16.523 72-35.571 52e-x/66.240 28、y=6.047 69+4.950 54e-x/72.300 15、y=21.988 57+2.133 13e-x/-95.495 75，方程所表示變化率曲線見圖2。

圖2 三大指標變化率圖Fig.2 Change rate of three indicators

由圖2可知，在老化初期，瀝青的針入度變化率較小即針入度下降速率較慢，但曲線斜率較大即針入度下降速率逐漸加快，老化后期下降速度逐漸穩(wěn)定在較快的水平。在老化過程中瀝青的軟化點增長率較小，變化率曲線沒有明顯的起伏，即軟化點增長率較為穩(wěn)定，線性關系較為明顯。瀝青延度變化率在老化初期較大，即延度的下降速率較快，隨著老化時間的延長，延度變化率曲線斜率逐漸增大，延度下降速度進一步加快。

2.1.2 粘度實驗 實驗分別測試了耦合作用下瀝青老化前后的布氏旋轉(zhuǎn)粘度，結(jié)果見圖3。

圖3 布氏旋轉(zhuǎn)粘度線性化圖Fig.3 Linearization diagram of Brinell rotational viscosity

由圖3可知，在溫度逐漸升高的條件下，半對數(shù)坐標系中，瀝青老化前后的旋轉(zhuǎn)粘度逐漸降低，線性關系較為明顯，而且，在溫度相同的條件下，瀝青的老化時間越長，旋轉(zhuǎn)粘度越大。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T 0625—2000中指出當使用石油瀝青進行施工作業(yè)時，宜控制拌合溫度為粘度在(0.17±0.02) Pa·s時的溫度，壓實成型溫度為粘度在(0.28±0.03) Pa·s時的溫度。各老化階段的拌合溫度和壓實成型溫度見表2。

表2 不同老化階段瀝青的拌合溫度和壓實成型溫度Table 2 Mixing temperature and compactiontemperature of asphalt in different aging stages

由圖3及表2可知，老化后的瀝青拌合溫度和壓實成型溫度均有不同程度增加，主要因為老化后瀝青中輕組分轉(zhuǎn)變?yōu)橹亟M分即芳香分轉(zhuǎn)變成膠質(zhì)，隨著老化持續(xù)進行，膠質(zhì)最終也會緩慢向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，瀝青的分子鏈段會逐漸增加。因此，在溫度相同的條件下，老化瀝青流動性降低，拌合溫度和壓實成型溫度增加，施工和易性降低。

對拌合溫度及壓實成型溫度進行量化分析，拌合溫度下限的增長率為1.96%，1.92%，3.14%，壓實成型溫度下限增長率2.13%，2.08%，2.72%，利用origin軟件進行非線性擬合所得曲線方程分別為y=1.978 32+4.163 41E-5e-x/-28.088 85、y=2.147 53+3.009 15E-4e-x/-38.130 09，方程所表示的增長率變化曲線見圖4。

圖4 拌合溫度及壓實成型溫度下限增長率圖Fig.4 Lower limit growth rate of mixing temperature andcompaction molding temperature

由圖4可知，在瀝青老化初期，拌合溫度下限增長率及壓實成型溫度下限增長率均較低且較為穩(wěn)定。到了老化后期，二者增長率均有明顯的上升趨勢，同時拌合溫度的上升趨勢更大。說明在瀝青老化初期，由于瀝青中輕組分與重組分之間的轉(zhuǎn)化，芳香分化為膠質(zhì)，膠質(zhì)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)含量逐漸增多，導致瀝青的拌合溫度及壓實成型溫度均有相似程度的非線性上升趨勢，到了瀝青老化后期，由于瀝青性能變化的積累，瀝青質(zhì)含量較多，二者的增速陡然上升，反映出瀝青老化對時間的依賴性。

2.1.3 流變性能分析 復數(shù)模量G*由彈性形變而儲存的能量和粘性形變所損失的能量構成，在瀝青中主要表現(xiàn)為粘彈性能量[12-13]；相位角δ是材料受力后應力與應變之間存在的相位差，其值是彈性和粘性成分的比例指標，數(shù)值越小彈性越好[14-15]。本實驗利用動態(tài)剪切流變實驗研究耦合作用下瀝青老化前后復數(shù)模量G*和相位角δ變化，見圖5。

由圖5(a)可知，隨著溫度上升，瀝青的復數(shù)模量陡然降低，當溫度達到60 ℃時，降低較為平緩，當作用溫度上升到76 ℃時，復數(shù)模量不再有明顯差異，主要因為在高溫作用下，瀝青早已達到了軟化點，從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成粘性狀態(tài)，當超過76 ℃時，4種瀝青試樣中粘性成分所占比例幾乎相等，因此，在超過此溫度時，老化前后瀝青的復數(shù)模量幾乎相等；相同溫度作用下瀝青的復數(shù)模量隨著老化時間的增加而增加，瀝青在耦合作用下芳香分以及膠質(zhì)不斷向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，瀝青質(zhì)本身較硬，形成瀝青中的重組分，使得瀝青硬度增大脆性增強，因而其在中高溫作用時其復數(shù)模量較大。由圖5(b)分析可知，隨著溫度的升高，瀝青的相位角不斷增加，表明瀝青逐漸從彈性向粘性過度；在相同溫度作用下，瀝青的相位角隨老化時間的增長而逐漸減小，這主要由于老化瀝青中瀝青質(zhì)含量較多，彈性性能較好，粘滯性較差；當溫度升高到80 ℃以上時，瀝青老化前后的相位角此時差異較小，主要因為高溫作用下，瀝青質(zhì)受熱變軟，瀝青從粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變成粘性狀態(tài)，在粘性狀態(tài)下老化前后瀝青的相位角只取決于溫度，與老化時間關系較小。

圖5 (a)瀝青老化前后復數(shù)模量G*變化圖；(b)瀝青老化前后相位角δ變化圖Fig.5 (a) Change diagram of complex modulus G* beforeand after asphalt aging； (b) Change diagram of phase angleδ before and after asphalt aging

美國SHRP規(guī)范定義G*/sinδ為車轍因子，其值越大則表示瀝青的彈性性質(zhì)越顯著即抗永久變形的能力越強。瀝青老化前后車轍因子G*/sinδ見圖6。

圖6 瀝青老化前后車轍因子G*/sinδ變化圖Fig.6 Change of rutting factor G*/sin δ beforeand after asphalt aging

由圖6可知，隨著溫度的升高，車轍因子G*/sinδ逐漸減小，彈性性能降低；隨著老化時間的增加，瀝青的車轍因子增加，即老化后的瀝青抗車轍性能較好，主要與其中的瀝青質(zhì)含量增加有關。40～58 ℃時，車轍因子降低較快，因為溫度增加，瀝青從彈性狀態(tài)向粘彈性狀態(tài)變化，粘性性能占優(yōu)，抗車轍能力下降；64～82 ℃時，車轍因子變化率較小，基本趨于穩(wěn)定，主要因為瀝青處于軟化點溫度以上，瀝青軟化后粘性流動，抗車轍能力降低，且其粘流狀態(tài)不隨溫度變化而變化，因此車轍因子變化較小。

對64 ℃下的車轍因子進行量化分析，其增長率分別為41.8%，31.7%，43.4%，利用origin軟件進行非線性擬合所得曲線方程為y=37.120 64+4.039 45e-x/-659.352 24，方程所表示的增長率變化曲線見圖7。

圖7 車轍因子增長率圖Fig.7 Growth rate of rut factor

由圖7可知，相比于拌合溫度及壓實成型溫度的增長率，車轍因子的增長率較大，隨著老化時間的增長，瀝青的車轍因子增長率呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，說明在老化時間不斷延長的條件下，老化程度不斷加深，由于瀝青中輕組分不斷向重組分轉(zhuǎn)變，小分子化合物不斷向大分子化合物轉(zhuǎn)變，在瀝青組分中芳香分最為活躍，芳香分不斷轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，膠質(zhì)又轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，使得瀝青質(zhì)的含量不斷增大，瀝青質(zhì)的硬度較大，抗變形能力較強，導致車轍因子G*/sinδ的增長越來越快，并且增長幅度也逐漸增大，瀝青逐漸變脆變硬，抗老化性能也逐漸增強。

3 結(jié)論

(1)在老化初期，瀝青的針入度下降速度較慢，但下降速度逐漸加快，老化后期下降速度逐漸穩(wěn)定在較快的水平。在老化過程中瀝青的軟化點增長率較小且較為穩(wěn)定，線性關系較為明顯。瀝青的延度在老化初期下降速度較快，并且隨著老化時間的延長，其變化率逐漸增大，延度下降速度進一步加快。

(2)在老化初期，瀝青拌合溫度下限及壓實成型溫度下限的增長率較小也較為穩(wěn)定，隨著老化時間的延長，在老化后期二者均有較大幅度的增長，并且拌合溫度下限增長率的上升趨勢更顯著。

(3)在老化初期瀝青車轍因子增長率較大，增長速度較快，隨著老化時間的延長，車轍因子增長率呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。