基于RTFOT試驗方法的瀝青老化性能研究

陳驚宇 武翔云

瀝青作為重要的交通建筑材料，其老化現(xiàn)象一直是尚未解決的一大難題。導致瀝青老化的因素有很多，比如交通荷載、溫度、紫外線、水分等，并且瀝青的老化是持續(xù)性的，在制作、運輸過程以及施工過程中也會產(chǎn)生老化。道路瀝青主要的老化過程發(fā)生在路面交付使用之后，特別是面層瀝青，在車輪荷載和自然因素的共同作用下，瀝青材料性能衰減較為明顯。

1 瀝青室內(nèi)老化

為了縮短試驗周期，并控制實驗條件，達到滿意的試驗效果，學者們提出了室內(nèi)模擬瀝青老化的試驗。瀝青的模擬老化是通過控制室內(nèi)條件對瀝青在自然環(huán)境中的老化因素進行模擬，并加速瀝青老化進程，以便在較短的試驗周期內(nèi)得到瀝青老化后的試驗數(shù)據(jù)。由于這種方法是在室內(nèi)條件下進行，試驗者可根據(jù)研究目的設(shè)計所需要的實驗條件，排除其余非研究條件的干擾。從目前研究資料和成果來看，室內(nèi)模擬老化試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)具有良好的規(guī)律性和重現(xiàn)性。

2 室內(nèi)老化與自然老化對照關(guān)系

栗培龍等人研究得出常見瀝青老化試驗方法與瀝青在自然條件下老化的相互對照關(guān)系。瀝青RTFOT、PAV、60℃烘箱老化主要是由于瀝青發(fā)生了氧化反應，瀝青經(jīng)RTFOT老化解熱85min、180min、360min之后的輕組分揮發(fā)（質(zhì)量變化）主要發(fā)生在初期，隨著老化程度加深，逐漸專戶額為一種吸氧反應。

TRFOT是通過提高老化溫度或者反應物濃度來加快瀝青老化進程，RTFOT加熱時長與路面使用自然條件下瀝青老化年限的對照關(guān)系如表1。

表1 瀝青老化時長與實際服務(wù)年限之間的關(guān)系

3 RTFOT老化試驗

3.1 試驗方法

本次試驗采用瀝青為韓國SK-70#瀝青，使用的老化設(shè)備為旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（如圖1），該設(shè)備能保持瀝青的加熱溫度為163±0.5℃，內(nèi)部有空氣噴嘴、溫控調(diào)節(jié)器和可旋轉(zhuǎn)鋼架?？諝鈬娮煸阡摷茏钕路揭?000mL/min±200mL/min的流速向烘箱內(nèi)部噴射熱空氣，為瀝青老化提供氧氣；可旋轉(zhuǎn)鋼架上有8個圓孔，可同時放置8個內(nèi)部直徑為31.75mm±1.5mm的盛樣瓶，每個盛樣瓶中課注入35g±0.5g瀝青以供老化。

參照《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20-2011）T0609-2011方法，將加熱時間分別設(shè)置為85min、180min、360min、600min進行加熱老化，以模擬不同使用年限老化的道路瀝青。

試驗前應先將加熱烘箱預熱不小于16h，然后打開計時器開始計時，設(shè)置計時時限為85min、180min、360min、600min，到達規(guī)定時限之后停止環(huán)形架轉(zhuǎn)動，關(guān)閉熱空氣噴射，立即逐個取出盛樣瓶，迅速將試樣倒入潔凈的容器中，以備后期試驗使用。

3.2 瀝青指標分析

通過對比瀝青基本指標對瀝青老化程度和性能變化進行評價，不同時長RTFOT老化之后的瀝青性能測試結(jié)果如表2。

表2 不同時間（RTFOT）老化后基本指標結(jié)果

將表2瀝青老化后基本指標變化結(jié)果分析得圖1。

圖1 老化后基本指標隨著老化時間變化圖

從圖表中可以看出，隨著老化時間延長，瀝青延度和針入度降低，并且降低速率放緩，軟化點升高。瀝青軟化點隨著老化時間延長而不斷增加，說明老化后的瀝青高溫穩(wěn)定性越來越好。針入度也是隨著老化加深而逐漸減小，在老化前期（從未老化到RTFOT加熱85min）針入度減少較多，而在老化后期（RTFOT加熱180～600min）針入度減少的差值逐漸減少。從表2中可以算出，針入度比不斷下降，這就說明瀝青的老化程度不斷加深，但性能衰減的速率有所放緩。瀝青的延度隨著老化時間延長而明顯降低，并且呈現(xiàn)出差值變小的趨勢，這說明隨著瀝青老化程度的加深，瀝青的低溫抗變形能力越來越差，老化初期時低溫抗變形能力衰減迅速，隨著老化程度加深，衰減速率逐漸減緩。綜合來講，瀝青的老化會導致其高溫性能有所提高，但是低溫性能明顯衰減，其衰減速率逐漸放緩。

3.3 瀝青組分分析

瀝青是原油經(jīng)過處理后的產(chǎn)物，其化學成分十分復雜，由很多復雜的碳氫化合物和碳氫化合物衍生物混合組成的，C和H元素的含量達到97%以上。從瀝青的構(gòu)成上來看，可以將其大致分為縮合芳香烴、碳氫化合物、環(huán)烷烴等有機化合物組成。鑒于瀝青的復雜構(gòu)成，想要將瀝青分離成單獨的化合物單體十分困難，目前的分析手段難以達到理想的效果，因此有常用的手段是將瀝青看做是四個組分構(gòu)成：瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分、飽和分。經(jīng)過對老化后的瀝青進行組分分析，得出不同老化程度的瀝青四組分含量如表3。

從試驗結(jié)果可以看出，瀝青中的芳香分、飽和分含量逐漸減少，并且減少速率有逐漸放緩的趨勢。這是由于芳香分容易在熱氧環(huán)境下與瀝青中的環(huán)烷烴發(fā)生氧化反應形成膠質(zhì)，而飽和分雖然性質(zhì)較為穩(wěn)定，但也會由于高溫逐漸揮發(fā)，但揮發(fā)量逐漸減少。從圖2中可以看出瀝青中的瀝青質(zhì)含量明顯增多，但是也會隨著老化程度加深而增量減少。這是由于瀝青中的其他成分會在熱氧環(huán)境下發(fā)生氧化反應，逐漸形成膠質(zhì)，而膠質(zhì)逐漸聚合形成瀝青質(zhì)，導致瀝青質(zhì)含量增多。從以上分析可得知，瀝青膠質(zhì)的變化不僅與芳香分氧化形成膠質(zhì)的速率有關(guān)，還跟膠質(zhì)聚合形成瀝青質(zhì)的速率有關(guān)。綜上所述，瀝青的老化隨著時間延長導致老化程度逐漸加深，但速率有逐漸放緩的趨勢。

表3 不同老化程度瀝青四組分分析結(jié)果

圖2 不同程度老化后瀝青組分變化

4 結(jié)論

瀝青的RTFOT室內(nèi)老化能較好的模擬瀝青在自然條件下的老化，試驗結(jié)果呈現(xiàn)良好的規(guī)律性和重現(xiàn)性。室內(nèi)老化（RTFOT）能明顯加速瀝青老化進程，從瀝青的基本指標來看，延度、針入度減少最為明顯，從組分分析來看，瀝青質(zhì)的增加最為明顯。從而得出，瀝青老化會導致其低溫抗裂性能迅速衰減，瀝青的延展性變差，瀝青粘度明顯增大，這使得瀝青的疲勞壽命逐漸降低，但是其老化速率逐漸放緩。

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