基于模擬服役狀態(tài)的瀝青紫外老化性能研究*

王雨瑾 文 科 陶志華 徐金枝 王泳丹 郝培文

(長(zhǎng)安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 西安 710064)(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司2) 成都 610081)

0 引 言

瀝青路面因?yàn)槭艿綗嵫跻蛩丶肮庹盏挠绊憰?huì)發(fā)生老化，其中太陽(yáng)輻射里的紫外光是主要成因.目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于瀝青老化研究主要集中在熱氧老化方面，而對(duì)于瀝青紫外老化研究還處于初級(jí)階段.Yamaguchi等[1]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青紫外老化后飽和烴轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，產(chǎn)生含氧官能團(tuán)，炭黑可降低瀝青材料的紫外老化，進(jìn)而提高路面的耐久性.譚憶秋等[2]在研究瀝青紫外老化機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，紫外老化對(duì)瀝青的影響不同于熱老化，其對(duì)流變特性的影響更為明顯.郭韋韋等[3]研究高寒地區(qū)瀝青混合料的光老化時(shí)發(fā)現(xiàn)，光老化會(huì)顯著影響基質(zhì)瀝青的性質(zhì)，而改性瀝青則具有較好的抗光老化效果.總體而言，目前國(guó)內(nèi)缺乏在服役環(huán)境下模擬瀝青紫外老化的系統(tǒng)研究.

文中采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)分析不同老化條件下70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青老化前后流變性能變化，同時(shí)采用傅里葉變換紅外光譜和原子力顯微鏡研究其老化前后微觀性能的變換，從而深入揭示服役狀態(tài)下瀝青的紫外老化性能特征.

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

采用湖北鄂州生產(chǎn)的AH-70基質(zhì)瀝青和SBS-I-D改性瀝青，兩種瀝青性能見(jiàn)表1～2，均符合相關(guān)技術(shù)要求.

表1 AH-70#道路石油瀝青性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

表2 SBS道路石油瀝青性能指標(biāo)

為了模擬服役環(huán)境對(duì)瀝青老化后性能的影響，將直接紫外老化的瀝青和瀝青混合料紫外老化后抽提的瀝青進(jìn)行對(duì)比分析.在進(jìn)行瀝青混合料紫外老化時(shí)采用了噴淋水和不噴淋兩種條件來(lái)分析水對(duì)瀝青紫外老化的影響.為消除抽提過(guò)程的影響，同時(shí)對(duì)比了未老化瀝青混合料中所抽提的瀝青.試驗(yàn)研究中，瀝青紫外老化是模擬強(qiáng)紫外地區(qū)實(shí)際1個(gè)月的紫外老化條件，室內(nèi)老化時(shí)長(zhǎng)為82 h，輻照強(qiáng)度為100 W/m2，溫度控制在60 ℃.不同瀝青方案見(jiàn)表3.

表3 不同瀝青方案

采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)分析紫外老化瀝青的流變性質(zhì)，評(píng)價(jià)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；采用傅里葉變換紅外光譜研究瀝青紫外老化中官能團(tuán)的變化；并采用原子力顯微鏡觀察瀝青老化前后的表面微觀形貌，探究瀝青在老化過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化[4-5].

根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]可知，紫外老化發(fā)生在瀝青路面表面1 cm左右，所以將紫外老化后的車轍試件表面1 cm進(jìn)行切割，再采用離心法進(jìn)行瀝青抽提及阿布森法進(jìn)行瀝青回收.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 瀝青紫外老化后的流變性能

不同條件下70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青試樣的抗車轍因子(G*/sinδ)隨溫度的變化圖見(jiàn)圖1.

圖1 瀝青不同條件下抗車轍因子變化圖

由圖1可知，隨溫度的升高，70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青所有試樣的抗車轍因子G*/sinδ均呈減小的趨勢(shì)，且其減小趨勢(shì)逐漸緩慢，說(shuō)明瀝青的高溫性能變差，溫差對(duì)瀝青抗車轍性能影響減小.此外隨溫度升高，70#基質(zhì)瀝青的抗車轍因子減小幅度更大，說(shuō)明溫度對(duì)70#基質(zhì)瀝青的影響更大.

相同溫度下，70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青紫外老化后的抗車轍因子均比原樣瀝青大，說(shuō)明紫外老化會(huì)提高瀝青的抗永久變形性能，這主要是因?yàn)樽贤饫匣篂r青復(fù)數(shù)模量增大，從而增加了瀝青的總剪切阻力.相同老化條件下，70#基質(zhì)瀝青老化前后的抗車轍因子差大于SBS改性瀝青，表明70#基質(zhì)瀝青在相同老化條件下老化程度更大.

對(duì)比不同條件下獲取的瀝青抗車轍因子可以發(fā)現(xiàn)：①直接紫外老化瀝青的抗車轍因子G*/sinδ最大，大于抽提噴淋和抽提不噴淋試樣，說(shuō)明直接紫外老化瀝青的老化程度最高，大于紫外老化瀝青混合料中瀝青的老化狀況，因此，不能直接用于模擬路面實(shí)際紫外老化；②抽提空白試樣的抗車轍因子G*/sinδ大于原樣瀝青，說(shuō)明抽提也會(huì)使瀝青產(chǎn)生老化，也不能直接用于模擬路面實(shí)際狀況；③抽提噴淋試樣的抗車轍因子G*/sinδ小于抽提不噴淋試樣，表明水會(huì)一定程度上阻礙瀝青的紫外老化.

2.2 瀝青紫外老化后的微觀性能

2.2.1傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析

利用Magna-IR 750型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)10種不同的瀝青進(jìn)行掃描[8-9]，其掃描的范圍是4 000～400 cm-1波數(shù)之間，不同條件下70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的光譜圖分別見(jiàn)圖2.

圖2 不同條件下瀝青的紅外光譜圖

對(duì)比圖2a)、b)可知，基質(zhì)瀝青和改性瀝青其官能團(tuán)區(qū)4 000～1 300 cm-1的吸收峰差別不大，而指紋區(qū)1 300～650 cm-1卻有所不同，SBS改性瀝青指紋區(qū)的吸收峰更復(fù)雜.

為了進(jìn)一步對(duì)比分析瀝青紫外老化前后官能團(tuán)的變化，采用羰基官能團(tuán)指數(shù)和亞砜基官能團(tuán)指數(shù)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo).為消除制樣時(shí)所產(chǎn)生的誤差，采用飽和的C-H伸縮振動(dòng)相關(guān)吸收峰(2 750，3 000 cm-1)的透過(guò)率(以吸收峰的積分面積表示)作為參照，見(jiàn)圖3.

圖3 70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青相對(duì)羰基和亞砜基官能團(tuán)指數(shù)

由圖3可知：①對(duì)于70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，羰基和亞砜基官能團(tuán)指數(shù)關(guān)系均為直接紫外老化>抽提不噴淋>抽提噴淋>抽提空白>原樣，說(shuō)明試樣老化程度關(guān)系為直接紫外老化>抽提不噴淋>抽提噴淋>抽提空白>原樣，從官能團(tuán)變化角度上表明了水會(huì)阻礙瀝青紫外老化和瀝青在抽提中會(huì)發(fā)生老化；②SBS改性瀝青抽提空白和直接紫外老化試樣相比于原樣的CI和SI增加量均小于70#基質(zhì)瀝青，說(shuō)明在抽提過(guò)程中和直接紫外老化過(guò)程中SBS改性瀝青的老化程度均小于70#基質(zhì)瀝青.

2.2.2原子力顯微鏡(AFM)分析

不同條件下70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的原子力顯微鏡高清測(cè)試圖見(jiàn)圖4～5.

圖4 不同條件下70#基質(zhì)瀝青AFM表面形貌圖

圖5 不同條件下SBS改性瀝青AFM表面形貌圖

圖4～5明暗相間的條紋即是瀝青所特有的“蜂形”結(jié)構(gòu)，目前大部分的研究都認(rèn)為是瀝青中瀝青質(zhì)與其他組分的性質(zhì)不同，在析出過(guò)程中容易出現(xiàn)相位分離的現(xiàn)象，形成黑黃相間的條紋，形成了獨(dú)特的“蜂形”結(jié)構(gòu).

由圖4～5可知，①瀝青老化后 “蜂形”結(jié)構(gòu)在不同程度上數(shù)量增多，體積變小，老化程度越大，其變化程度越大；②對(duì)比瀝青原樣和抽提空白試樣結(jié)果可知，抽提過(guò)程中瀝青確實(shí)被老化了；③抽提噴淋試樣的“蜂形”結(jié)構(gòu)均比抽提不噴淋“蜂形”結(jié)構(gòu)更為小而密，這也證明了水會(huì)減緩瀝青的紫外老化；④70#基質(zhì)瀝青中，直接紫外老化瀝青的“蜂形”結(jié)構(gòu)最小，也最為密集，甚至有的“蜂形”結(jié)構(gòu)消失，出現(xiàn)了“白點(diǎn)團(tuán)聚”和“黑色斑點(diǎn)”的現(xiàn)象，但SBS改性瀝青老化后未觀察到明顯的“白點(diǎn)團(tuán)聚”或“黑色斑點(diǎn)”結(jié)構(gòu)，推測(cè)這可能是因?yàn)闉r青紫外老化的過(guò)程中瀝青質(zhì)含量增大，在瀝青質(zhì)超過(guò)一定的含量時(shí)，其微觀結(jié)構(gòu)將從“蜂形”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為 “白點(diǎn)團(tuán)聚”和“黑色斑點(diǎn)”結(jié)構(gòu).

為了量化樣品表面樣貌的變化，本文采用表面均方根粗糙度參數(shù)Rq作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，Rq計(jì)算值見(jiàn)表4[10-11].本文中若不明確指出均視Rq下降率為相對(duì)于原樣瀝青的Rq下降率.

表4 不同條件下70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的表面粗糙度參數(shù)Rq及下降率

由表4可知:①紫外老化后和抽提空白瀝青的表面粗糙度Rq均出現(xiàn)了不同程度的下降，說(shuō)明紫外老化和熱氧老化均會(huì)使瀝青表面粗糙度下降；②不同條件下兩種瀝青Rq下降率關(guān)系均為直接紫外老化>抽提不噴淋>抽提噴淋>抽提空白>原樣，這也說(shuō)明了瀝青老化程度關(guān)系也是如此；③瀝青抽提噴淋和抽提不噴淋試樣消除抽提過(guò)程產(chǎn)生的影響后，其Rq下降率遠(yuǎn)小于直接紫外老化瀝青的Rq下降率，說(shuō)明直接紫外老化與實(shí)際瀝青路面紫外老化狀況嚴(yán)重不符；④70#基質(zhì)瀝青抽提空白相對(duì)于原樣瀝青的Rq下降率為30.2%，而抽提不噴淋和抽提噴淋相對(duì)于抽提空白的Rq下降率分別為12%和9.9%，說(shuō)明在紫外老化混合料抽提中，抽提產(chǎn)生的熱氧老化對(duì)瀝青表面形貌的影響大于紫外老化對(duì)其表面形貌的影響，這個(gè)結(jié)論同樣適合SBS改性瀝青.

3 結(jié) 論

1) 隨溫度升高，70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的高溫性能逐漸變差，且溫度對(duì)70#基質(zhì)瀝青的影響更大；同一溫度下，紫外老化后和瀝青混凝土抽提的瀝青抗車轍因子G*/sinδ增大，高溫抗變形能力提高，同時(shí)老化后的相位角減小，說(shuō)明紫外老化和熱氧老化都會(huì)造成瀝青中彈性成分減小，粘性成分增加.

2) 瀝青老化過(guò)程中主要發(fā)生氧化反應(yīng)，生成羰基(O-H)和亞砜基(S=O)；瀝青在紫外老化中其組分會(huì)產(chǎn)生變化，飽和分和芳香分含量降低，轉(zhuǎn)化成重質(zhì)的膠質(zhì)和瀝青質(zhì).

3) 原子力顯微鏡試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青在紫外老化過(guò)程中，其瀝青質(zhì)“蜂形”結(jié)構(gòu)的體積變小，數(shù)量增多，當(dāng)老化導(dǎo)致瀝青質(zhì)數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，瀝青質(zhì)會(huì)以“白點(diǎn)團(tuán)聚”和“黑色斑點(diǎn)”的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)；瀝青老化會(huì)使其表面形貌粗糙程度降低，且抽提紫外老化瀝青混合料的過(guò)程中，抽提對(duì)瀝青表面粗糙度的影響大于紫外老化對(duì)表面粗糙度的影響.

4) 直接紫外老化瀝青老化程度最大，且不可用于直接模擬瀝青路面實(shí)際紫外老化狀況；在抽提過(guò)程中瀝青會(huì)產(chǎn)生熱氧老化，因此，抽提紫外老化混合料獲取瀝青也不能直接用于模擬實(shí)際瀝青路面紫外老化狀況；從不噴水紫外老化瀝青混合料中抽提的瀝青比從噴水紫外老化瀝青混合料中抽提的瀝青老化程度大，說(shuō)明水在一定程度上減小了瀝青的紫外老化.

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