光熱耦合對(duì)基質(zhì)瀝青物化性能的影響研究*

柳景祥 陳美祝 喻文海 張 東 劉思晴

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

瀝青作為一種有機(jī)高分子材料，受太陽光照極易發(fā)生氧化和縮合等老化反應(yīng)，導(dǎo)致路面產(chǎn)生裂縫、松散等病害[1-2].強(qiáng)紫外光輻照的西部地區(qū)，瀝青路面更易發(fā)生過早老化[3].多年來，國內(nèi)外對(duì)瀝青老化開展了大量研究并取得不少成果，但這些研究大多通過室內(nèi)模擬加速老化方法改變實(shí)驗(yàn)溫度或者環(huán)境氣壓大小來對(duì)試樣進(jìn)行的，忽視了光熱同時(shí)作用對(duì)瀝青路面材料的影響，與瀝青路面實(shí)際服役中所遭受的光熱老化有很大差異[4].

國外學(xué)者對(duì)瀝青及瀝青混合料的光老化進(jìn)行了多年的研究，并取得了一系列成果.Migliori等[5]在紫外光條件下研究了SBS改性瀝青中聚合物分子結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律.Mouillet等[6]開發(fā)了一種紫外老化試驗(yàn)裝置研究瀝青長期老化.國內(nèi)學(xué)者對(duì)此也展開了大量工作.葉奮等[7]研究了瀝青在紫外光輻照條件下的光氧老化機(jī)理，調(diào)研了青藏高原地區(qū)的紫外輻照強(qiáng)度和波段區(qū)間分布，建立了瀝青紫外光老化仿真系統(tǒng).叢培良等[8]研究了不同溫度、不同紫外光強(qiáng)度及輻照時(shí)間對(duì)SBS改性瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)了SBS改性瀝青在光熱耦合條件下性能變化規(guī)律.

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青的熱氧和紫外老化做了大量研究，但對(duì)紫外光輻照條件下瀝青混合料老化及其抽提瀝青的規(guī)律研究較少.本文依托國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用專項(xiàng)，以蘭州為少雨、強(qiáng)紫外光地區(qū)為代表，通過該地區(qū)紫外光年輻照總量、年均氣溫的調(diào)查研究確定瀝青光熱老化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)AH-70瀝青混合料進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，研究老化瀝青的常規(guī)物理性能、流變性能以及四組分與官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化，并與傳統(tǒng)老化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，為研究強(qiáng)紫外輻照地區(qū)瀝青老化規(guī)律提供了更準(zhǔn)確地模擬方法.

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料及其主要物理性質(zhì)

采用AH-70 重交石油瀝青，集料為玄武巖，礦粉為石灰石粉.依據(jù)文獻(xiàn)[9]對(duì)原材料的基本物理性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明,各項(xiàng)性能均滿足相應(yīng)規(guī)范要求,見表1～2.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

表1 AH-70基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表2 粗集料性能測(cè)試結(jié)果

以AH-70基質(zhì)瀝青混合料為研究對(duì)象，通過對(duì)蘭州地區(qū)氣溫及紫外光強(qiáng)度的調(diào)查，確定瀝青混合料老化的光熱參數(shù)，并與瀝青混合料加速老化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比[10].瀝青混合料老化后，抽提其中的老化瀝青，并測(cè)試其常規(guī)物理性能、流變性能及四組分與官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化，具體技術(shù)路線見圖1.

圖1 技術(shù)路線圖

經(jīng)調(diào)查，蘭州地區(qū)紫外輻照總量在410～468 MJ/m2之間.選取1 000 W高壓汞燈作為紫外光光源，調(diào)整紫外光光源離試樣表面的距離為15 cm得到輻照強(qiáng)度為221.9～248.5 W/m2的紫外線.本實(shí)驗(yàn)設(shè)定模擬12，20，28及36個(gè)月的自然紫外輻照總量，對(duì)應(yīng)室內(nèi)模擬紫外光輻照時(shí)間分別為15，25，35及45 d.根據(jù)甘肅蘭州市2012—2016年月均、季均及年均氣溫的變化情況，將環(huán)境溫度設(shè)置為8，16，24，32 ℃，并通過軸流風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)對(duì)箱內(nèi)溫度進(jìn)行控制.

蘭州地區(qū)出現(xiàn)年均氣溫8～9 ℃的天數(shù)較多，故將8 ℃設(shè)定為環(huán)境溫度，紫外光輻照時(shí)間為變量(試樣編號(hào)分別為D1，D2，D3，D4)，以研究路面材料在紫外光輻照時(shí)間為變量下的光熱老化；選取1年的紫外輻照總量為定量，以環(huán)境溫度為變量(試樣編號(hào)分別為T1，T2，T3，T4)，以研究路面材料在環(huán)境溫度為變量下的光熱老化.將未經(jīng)老化作用的試樣編號(hào)為Y0，將經(jīng)加速老化后的試樣編號(hào)為L0.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 光熱老化對(duì)抽提瀝青物理性能的影響

2.1.1瀝青殘留針入度比

瀝青的稠度和軟硬程度可以采用針入度值的大小來反映，將瀝青老化后的針入度與老化前的比值定義為殘留針入度比，其可反映瀝青的老化程度[11].當(dāng)老化瀝青殘留針入度比越小時(shí)，表明瀝青老化后針入度越小，其老化越嚴(yán)重.圖2為紫外光輻照時(shí)間和環(huán)境溫度對(duì)瀝青殘留針入度比的影響規(guī)律.

圖2 不同紫外光輻照時(shí)間與溫度對(duì)瀝青殘留針入度比的影響

由圖2可知，隨著紫外光輻照時(shí)間與環(huán)境溫度的增加，瀝青殘留針入度比均是逐漸降低的，說明瀝青的老化程度在逐漸加深.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)瀝青的殘留針入度比與紫外光輻照時(shí)長、溫度均具有較好的線性相關(guān)性，這說明紫外光輻照時(shí)間與環(huán)境溫度均可以較好地預(yù)測(cè)瀝青老化程度，且從擬合方程y=ax+b中的a的絕對(duì)值大小可知，殘留針入度受溫度的影響更為顯著.

2.1.2瀝青軟化點(diǎn)增量和粘度老化指數(shù)

瀝青的高溫穩(wěn)定性和稠度可以采用軟化點(diǎn)和粘度的大小來反映，為了更好地評(píng)價(jià)紫外光輻照與溫度對(duì)瀝青性能的影響，本文還采用軟化點(diǎn)增量(SPI)和粘度老化指數(shù)(VAI)來評(píng)價(jià)瀝青的老化程度.軟化點(diǎn)增量及粘度老化指數(shù)計(jì)算，見式(1)～(2).

SPI=Saged―Sunaged

(1)

VAI= (Vaged―Vunaged) /Vunaged×100

(2)

式中：SPI為軟化點(diǎn)增量，℃；Saged為老化后軟化點(diǎn)，℃；Sunaged為老化前軟化點(diǎn)，℃)；VAI為粘度老化指數(shù)，%；Vaged為老化后粘度，Pa·s；Vunaged為未老化粘度，Pa·s.

軟化點(diǎn)增量和粘度老化指數(shù)越大則表明瀝青老化越嚴(yán)重.圖3為紫外光輻照時(shí)間與溫度對(duì)瀝青的軟化點(diǎn)增量和粘度老化指數(shù)的影響規(guī)律.

圖3 不同紫外光輻照時(shí)間與溫度對(duì)瀝青軟化點(diǎn)增量和粘度的影響

由圖3可知，軟化點(diǎn)增量和粘度老化指數(shù)隨紫外光輻照時(shí)間和溫度的增加而增加，而且也是具有線性相關(guān)性；與對(duì)瀝青殘留針入度影響規(guī)律一樣，仍然是溫度的影響更為顯著.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，軟化點(diǎn)增量的擬合方程y=ax+b中a的絕對(duì)值相對(duì)較大，這說明瀝青軟化點(diǎn)比其粘度受紫外光與溫度影響更為顯著.因此，該結(jié)果說明，紫外光與溫度對(duì)瀝青軟化點(diǎn)與粘度有較大影響，且溫度的影響相對(duì)顯著，與瀝青殘留針入度的影響規(guī)律一致.

2.1.3瀝青流變性能

瀝青是一種對(duì)溫度和荷載變化十分敏感的粘彈性材料，隨著溫度的升高，瀝青的流動(dòng)性增大，其復(fù)合模量(G*)逐漸減小，抗流動(dòng)變形能力減弱且較容易出現(xiàn)永久變形.若G*值在一定溫度下較大，則其抵抗外加荷載變形的能力較強(qiáng).本文采用DSR實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)不同光熱老化后瀝青的流變性能，圖4為不同老化瀝青及未老化瀝青復(fù)合模量的變化規(guī)律.

圖4 不同老化條件對(duì)瀝青復(fù)合模量的影響

由圖4可知，瀝青復(fù)合模量隨紫外光輻照時(shí)間和環(huán)境溫度的增加而增加，說明其老化程度逐漸加深，抵抗變形的能力逐漸增強(qiáng).L0模擬的是路面5～7年服役的老化過程，結(jié)果顯示L0與D4，T2復(fù)合模量接近老化程度相似，表明光熱老化條件較單純熱氧老化更嚴(yán)苛.比較D4和T2可知，在環(huán)境溫度為16 ℃、紫外輻照15 d的情況下就能達(dá)到環(huán)境溫度為8 ℃、輻照時(shí)長45 d的老化水平.因此，復(fù)合模量結(jié)果表明瀝青光熱老化過程中，發(fā)生了光熱耦合效應(yīng)，且溫度促進(jìn)瀝青紫外光老化更為明顯.

由于瀝青的粘彈性，在外力的作用下，瀝青產(chǎn)生應(yīng)變滯后，利用相位角(δ)來衡量.相位角越大表明材料粘性成分越多，彈性成分越少；反之，粘性成分越少，彈性成分越多.圖5為不同老化瀝青及未老化瀝青相位角的變化規(guī)律.由圖5可知，相位角隨紫外光輻照時(shí)間和環(huán)境溫度的增加而逐漸減小，說明瀝青變硬變脆，彈性成分增多，粘性成分減少，且環(huán)境溫度對(duì)于高溫相位角的影響較明顯，與復(fù)合模量變化規(guī)律一致.

圖5 不同老化條件對(duì)瀝青相位角的影響

2.2 光熱老化對(duì)抽提瀝青化學(xué)組分及化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1瀝青四組分

瀝青中各個(gè)組分的相對(duì)含量決定了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步研究光熱老化對(duì)瀝青的膠體結(jié)構(gòu)的影響，本文采用了四組分測(cè)試方法研究老化瀝青的膠體結(jié)構(gòu).通過瀝青的膠體不穩(wěn)定指數(shù)(Ic)反映軟瀝青質(zhì)分散瀝青質(zhì)的能力，其值越高表明瀝青膠體結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，老化程度越嚴(yán)重.膠體不穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算式見式(3).

膠體不穩(wěn)定指數(shù)=(飽和分+瀝青質(zhì))/(膠質(zhì)+芳香分)

(3)

圖6為不同老化條件對(duì)瀝青四組分的影響，可以看出芳香分、瀝青質(zhì)以及膠質(zhì)含量隨紫外光輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度增加均有明顯變化，其中芳香分含量明顯降低，瀝青質(zhì)含量增加，飽和分含量較穩(wěn)定.瀝青質(zhì)含量的增加提高了瀝青的稠度，使得瀝青軟化點(diǎn)升高、粘度增加，針入度減小，也影響著瀝青的流變性能，與前文物理性能變化規(guī)律研究相符.L0瀝青質(zhì)含量與D4接近，且介于T2和T3之間，說明其老化程度接近，表明光熱老化比單純熱氧老化更嚴(yán)重，該結(jié)果表明光熱老化過程中紫外光和溫度相互促進(jìn)了對(duì)瀝青的老化作用，且溫度促進(jìn)效果更為明顯.

圖6 不同老化條件對(duì)瀝青四組分的影響

圖8為不同老化條件對(duì)瀝青膠體不穩(wěn)定指數(shù)的影響，可以看出膠體不穩(wěn)定指數(shù)隨環(huán)境溫度和紫外光輻照時(shí)間的增加而呈增長趨勢(shì)，表明其老化程度逐漸加深，膠體結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z型；與物理性能研究結(jié)果一致，膠體不穩(wěn)定指數(shù)隨環(huán)境溫度變化更明顯.同時(shí)，結(jié)果顯示L0，D2，D3和T2的膠體不穩(wěn)定指數(shù)接近，結(jié)合模擬老化時(shí)長，說明了光熱老化條件更嚴(yán)苛.膠體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變結(jié)果進(jìn)一步表明瀝青光熱老化過程中，發(fā)生了光熱耦合效應(yīng)，且溫度占主導(dǎo)作用.

圖7 不同紫外光輻照時(shí)間與溫度對(duì)瀝青膠體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定指數(shù)的影響

2.2.2瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)

瀝青紅外光譜中吸收峰的位置、強(qiáng)度，可以用于判斷瀝青老化前后官能團(tuán)的變化，以了解瀝青光熱老化的機(jī)理.為了突出不同老化條件官能團(tuán)變化的區(qū)別，綜合前文的分析，選取了Y0，L0，D4和T4條件下的老化瀝青進(jìn)行測(cè)試分析.其中，與瀝青老化密切相關(guān)的兩個(gè)官能團(tuán)是羰基和亞砜基，瀝青老化越嚴(yán)重，這兩個(gè)官能團(tuán)的變化峰面積越大，強(qiáng)度指數(shù)越大，見式(4)～(5).

(4)

(5)

圖8 不同老化條件下瀝青的紅外光譜圖

表3為瀝青老化前后的羰基和亞砜基指數(shù)，由表3可知，羰基指數(shù)由小到大依次為Y0，D4、T4、L0，表明熱氧老化對(duì)瀝青中羰基含量影響較大，高溫和氧氣更利于瀝青中羰基的生成；亞砜基指數(shù)由小到大依次為L0，Y0，T4，D4，表明了紫外輻照是促使瀝青中硫化物氧化為亞砜基的關(guān)鍵因素.由此，這可以揭示了在光熱老化過程中光熱耦合作用的成因，隨著紫外光輻照時(shí)間以及環(huán)境溫度的增加，與瀝青老化相關(guān)的亞砜基指數(shù)和羰基指數(shù)不斷增長，從而加速了瀝青的老化.

表3 不同老化條件下瀝青羰基和亞砜基指數(shù)

3 結(jié) 論

1) 隨著紫外光輻照時(shí)間的增加以及環(huán)境溫度的上升，瀝青殘留針入度比、軟化點(diǎn)增加和粘度老化指數(shù)均呈現(xiàn)出線性增長趨勢(shì)，表明光熱老化過程中，紫外光輻照時(shí)間以及環(huán)境溫度均能很好地預(yù)測(cè)老化瀝青的性能.

2) 隨著紫外光輻照時(shí)間的增加和環(huán)境溫度的上升，瀝青復(fù)合模量逐漸增加，相位角逐漸減小，老化程度加深，瀝青變硬變脆，彈性成分增多，粘性成分減少；復(fù)合模量和相位角隨環(huán)境溫度變化較明顯.對(duì)比傳統(tǒng)熱氧老化可知，光熱老化過程產(chǎn)生了光熱耦合效應(yīng)，且環(huán)境溫度在耦合效應(yīng)中占主導(dǎo)作用.

3) 從微觀機(jī)理上講，隨著紫外光輻照時(shí)間的增加以及環(huán)境溫度的上升，瀝青中輕質(zhì)組分減少，膠體不穩(wěn)定指數(shù)增加，膠體結(jié)構(gòu)從溶膠型轉(zhuǎn)變?yōu)槟z型；紫外光輻照時(shí)間一定時(shí)，四組分隨環(huán)境溫度變化更為明顯；不同老化條件下，瀝青中分子結(jié)構(gòu)變化不同，熱氧老化和紫外光輻照分別促進(jìn)羰基和亞砜基的生成，是造成光熱耦合老化的主要因素.

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