瀝青老化及老化預(yù)測(cè)模型的研究進(jìn)展

劉 燕 沈菊男

(蘇州科技大學(xué)道路工程研究中心，江蘇 蘇州 215011)

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瀝青老化及老化預(yù)測(cè)模型的研究進(jìn)展

劉 燕 沈菊男

(蘇州科技大學(xué)道路工程研究中心，江蘇 蘇州 215011)

介紹了瀝青老化在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并分析了預(yù)測(cè)瀝青老化壽命的非線性方程在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，指明了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有瀝青老化研究的局限性，為類似問(wèn)題的深入研究提供參考。

瀝青，老化速率，非線性方程，微觀性能

1 瀝青老化國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

瀝青老化的評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法分為相應(yīng)的兩種方式，即短期和長(zhǎng)期老化。表1整理了近10年來(lái)研究者對(duì)瀝青老化的研究。

從表1國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)，老化瀝青的性能包括微觀組成結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)流變性能。有學(xué)者利用IR從微觀角度研究瀝青老化后化合物(羰基和羧基)的含量變化；利用AFM研究瀝青老化后微觀表面的粗糙度和平整度；利用四組分分析老化前后四組分的含量變化；利用GPC試驗(yàn)所得的LMS參數(shù)研究瀝青老化后的分子大粒徑變化；還有對(duì)低溫抗裂和粘度等力學(xué)性能的研究。

但是，國(guó)內(nèi)外關(guān)于瀝青老化因素的研究主要是直接選用瀝青進(jìn)行室內(nèi)模擬老化，這些模擬老化條件主要集中在光、熱、氧和水單一或二者耦合的作用，沒(méi)有考慮熱、氧、光和水等多種氣候環(huán)境因素的耦合作用，這與實(shí)際的瀝青老化條件相差太大。

2 瀝青老化非線性模擬的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早在1995年，美國(guó)試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì)(ASTM)提出了瀝青一般老化模型：

loglogη=A+VTSlogTR。

1995年，Norman W. Garrick[9]認(rèn)為，氧化過(guò)程取決于瀝青分子和氧氣分子的相遇幾率，采用如下的非線性微分方程描述：

x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]。

其中，x(t)為t時(shí)刻兩種分子的結(jié)合程度；x0為x的初始值；L，r均為常數(shù)。

表1 近10年對(duì)瀝青老化的研究

2015年，Ye Fen[10]等選用3%,3.5%,4%的SBS改性瀝青，溫度從170 ℃到30 ℃，每20 ℃為一級(jí)，取相應(yīng)溫度的瀝青試樣中間一小部分迅速降溫至零下以保住其穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)，然后采用熒光顯微鏡分別觀測(cè)其微觀結(jié)構(gòu)圖。在直觀的圖片中可以發(fā)現(xiàn)，SBS改性劑(白色部分)隨著溫度的降低會(huì)呈現(xiàn)聚集的趨勢(shì)，隨后采用MATLAB將圖片劃分為若干個(gè)很小的網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格中白色部分所占的像素?cái)?shù)并計(jì)算統(tǒng)計(jì)頻次，這樣就獲得了像素?cái)?shù)的平均值μ與方差σ2，并選取標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值Vσ來(lái)表征SBS顆粒的離散程度。研究最終提出了一個(gè)普遍方程Vσ=ae-bT(a,b>0)用來(lái)表征SBS瀝青微觀結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與溫度的定量關(guān)系。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

紀(jì)小平[12]試圖應(yīng)用微分方程去描述瀝青性能在外界條件作用下的老化，并且量化了瀝青老化過(guò)程中的兩個(gè)參數(shù)：老化速率和最終老化程度。

鄭南翔[13]認(rèn)為，瀝青的老化過(guò)程主要是由兩個(gè)官能團(tuán)的接觸機(jī)會(huì)決定的。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，可以認(rèn)為瀝青在老化開(kāi)始時(shí)刻的性能的改變率是最大的，隨著老化的進(jìn)行，官能團(tuán)之間的接觸程度越來(lái)越高，最終老化速率將趨于零。式(1)可以用來(lái)描述瀝青的老化規(guī)律。

x′(t)=ax(t)-bx2(t)

(1)

其中，x(t)為t時(shí)刻的瀝青性能；x′(t)為瀝青性能在t時(shí)刻的改變率；a,b均為常數(shù)。

令a=r，a/b=K，將式(1)寫成式(2)，以更好的描述老化方程：

x′(t)=rx(t)[1-x(t)/K]

(2)

將式(2)分離變量，得此微分方程的解：

x(t)=K/(1+Ce-rt)

(3)

其中，C為常數(shù)。

假設(shè)瀝青在初始時(shí)刻(t=0)的性能為x0，則將t=0代入式(3)，得：

C=(K/x0)-1

(4)

將式(4)代入式(3)，得到：

x(t)=K/[1+(K/x0-1)e-rt]

(5)

令K=Lx0，這個(gè)方程可以進(jìn)一步的簡(jiǎn)化為：

x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]

(6)

其中，r,L均為常數(shù)。

紀(jì)小平[12]采用基質(zhì)瀝青進(jìn)行不同時(shí)間的RTFOT。以未老化的瀝青性能為初始時(shí)刻的瀝青性能，以老化450min的瀝青性能為瀝青的最終性能，得到預(yù)測(cè)瀝青老化的非線性微分方程。最后比較發(fā)現(xiàn)，理論方程與實(shí)驗(yàn)值之間有很好的擬合程度，說(shuō)明瀝青的室內(nèi)老化可以通過(guò)方程x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]來(lái)模擬。

康宏偉，譚學(xué)章[14]采用的模擬方程依然是x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]，選用SBS改性瀝青，分別進(jìn)行不同時(shí)間的RTFOT，再測(cè)定其針入度、5 ℃延度、軟化點(diǎn)、135 ℃粘度指標(biāo)。最后，以老化時(shí)間t為自變量，瀝青性能指標(biāo)為因變量，建立起用來(lái)預(yù)測(cè)瀝青老化時(shí)間的非線性微分方程。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)值與老化方程理論計(jì)算值之間的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性系數(shù)均在0.9以上，從而驗(yàn)證了該方程用于預(yù)測(cè)瀝青老化壽命的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外動(dòng)態(tài)反映瀝青老化程度的方程多為線性、對(duì)數(shù)或指數(shù)方程，這類方程的缺點(diǎn)是只能反映瀝青老化程度而不能反映其老化速率。國(guó)內(nèi)學(xué)者采用的非線性方程基本都為x′(t)=ax(t)-bx2(t)，這個(gè)方程的一個(gè)非常有用的特性是它能被方程兩邊的x的初始值x0常態(tài)化，方程的常態(tài)化模型能夠解決有不同初始值的系統(tǒng)模型。但是，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究的局限性在于：

1)室內(nèi)模擬老化試驗(yàn)，如RTFOT,60 ℃通風(fēng)烘箱老化試驗(yàn)，這些模擬試驗(yàn)的條件只考慮了熱、氧兩個(gè)因素，既沒(méi)有考慮熱、氧、光和水等多種氣候環(huán)境因素的耦合作用，也沒(méi)有考慮瀝青混合料特性(瀝青膜厚度、孔隙率和礦料)對(duì)瀝青老化的影響。

2)測(cè)定的老化后瀝青指標(biāo)為針入度、軟化點(diǎn)、粘度和延度，這些指標(biāo)都是瀝青的常規(guī)指標(biāo)，而對(duì)于瀝青老化的微觀性能(如羰基、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、油分的含量)和高溫蠕變、疲勞、低溫抗裂等力學(xué)性能指標(biāo)，并沒(méi)有以此建立的模型。

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Research progress of asphalt aging and aging prediction model

Liu Yan Shen Junan

(CenterforRoadEngineeringResearch,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011,China)

The paper introduces the research status of the asphalt aging at home and abroad, analyzes the non-linear equation of predicting the asphalt aging lifespan at home and abroad, and points out the limitation of the asphalt aging in China, so as to provide some reference for the deeper research on the similar problems.

asphalt, aging rate, non-linear equation, micro-performance

1009-6825(2017)14-0108-03

2017-03-06

劉 燕(1992- )，女，在讀碩士； 沈菊男(1962- )，男，博士，教授

TU535

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