水分對瀝青老化的影響分析

錢國平，黎正富，韋 慧，李 崛

(長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

瀝青路面在長期使用的過程中，由于受到各種自然因素的影響，特別是在水分、紫外線及氧氣等的作用下，瀝青材料因發(fā)生許多復(fù)雜的物理、化學(xué)變化而逐漸老化和硬化，導(dǎo)致路面處開裂損壞等。在現(xiàn)有的研究成果中，紫外線和氧氣對瀝青老化的影響研究得較多，而水分對瀝青老化的影響研究得尚少[1-4]。

Tyaxler[5-6]等人列出引起瀝青老化的15種原因中包含了水的作用，并發(fā)現(xiàn)水會在時間、加熱、氧氣及陽光等因素的綜合作用下加速瀝青的老化。呂偉民[7]認(rèn)為，在雨水的作用下，瀝青中的可溶性物質(zhì)被沖洗掉，會造成瀝青的老化變質(zhì)。段明[8]等人認(rèn)為，水的pH值對瀝青中瀝青質(zhì)、酸性分的油-水界面張力的影響很大。李海軍[9]等人在瀝青的壓力老化試驗中加入水分因子，并采用美國戰(zhàn)略性公路研究計劃中的高溫車轍因子和低溫勁度模量等參數(shù)指標(biāo)，表征在瀝青路面使用過程中的雨水和地下水等潮濕因素對瀝青老化性狀的影響。譚志遠(yuǎn)[10]等人提出一種熱、氧、水、光的老化模擬方法對瀝青進(jìn)行老化，并與路面自然老化得到的回收瀝青進(jìn)行了指標(biāo)對比。作者為探究水對瀝青老化的影響，擬提出瀝青水老化試驗?zāi)M方案，針對70#基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青開展不同時長的水老化試驗，探究水分在壓力老化過程中的存在形式及其對老化的加速程度。并用瀝青老化前、后的常規(guī)指標(biāo)變化，分析瀝青的老化程度及其規(guī)律。采用動態(tài)剪切流變試驗，測試樣品的疲勞因子G*sinδ，表征老化后瀝青的中溫疲勞性能。通過低溫彎曲梁流變試驗的勁度模量，探究老化后瀝青的低溫性能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

為研究水對不同瀝青的影響，試驗采用2種瀝青：70#基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青。其中，橡膠瀝青為自行制備，制備工藝為：先將70#基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，然后摻入基質(zhì)瀝青質(zhì)量20%的橡膠粉，攪拌2～3 min后，使橡膠粉充分分散到基質(zhì)瀝青中，用高速剪切儀以4 000 轉(zhuǎn)/min旋轉(zhuǎn)剪切90 min，放置于160 ℃烘箱中，溶脹發(fā)育1.5 h[11-12]。將70#基質(zhì)瀝青和制備的橡膠瀝青進(jìn)行常規(guī)性能試驗，其結(jié)果見表1，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2 水老化試驗

瀝青老化的模擬分為2個階段：① 通過短期老化試驗，模擬瀝青在生產(chǎn)、運輸及施工過程中的老化；② 通過壓力老化試驗，模擬使用過程中的長期老化。

表1 原樣瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of the asphalt

采用薄膜加熱試驗?zāi)M短期老化，試驗采用的盛樣盤內(nèi)徑為140 mm，每盤盛瀝青(50±0.5) g。由于瀝青在生產(chǎn)、運輸及施工過程中不存在水分的影響，因此，短期老化不施加水因素。

將短期老化后的瀝青進(jìn)行壓力老化試驗。采用壓力老化模擬瀝青在使用過程中的長期老化。該過程中瀝青會經(jīng)受來自大氣、降水及地下水等因素的水分作用，因此，在該階段施加水因素。加水壓力老化是通過在盛樣盤的瀝青表面以水霧形式噴灑瀝青質(zhì)量的5%的水，然后將帶水的瀝青盛樣盤放入壓力容器中進(jìn)行長期壓力老化試驗。在高溫作用下，部分水變成水蒸氣，充斥于整個壓力容器中，形成高壓水蒸氣環(huán)境，以模擬瀝青水老化，研究水對瀝青老化的影響。試驗?zāi)M過程如圖1所示。

圖1 水老化試驗?zāi)M過程Fig.1 Simulation process of the water aging for the asphalt

在高溫、高壓下，壓力容器內(nèi)的部分水蒸發(fā)為水蒸氣，使得容器內(nèi)的氣體為高壓水蒸氣和高壓空氣的混合體。同時，高溫、高壓環(huán)境使得瀝青成熔融態(tài)，瀝青與水汽進(jìn)行充分交換，將水汽壓入熔融瀝青中，在瀝青內(nèi)部出現(xiàn)密集的氣泡，如圖2所示。從圖2中可以看出，在瀝青老化過程中，瀝青與水蒸氣充分接觸，并以高溫水蒸氣形式在瀝青內(nèi)部長期停留。

將常規(guī)壓力老化和有水參與的壓力老化后的瀝青刮出盛入不銹鋼杯中，低溫加熱，并稍微攪拌去除氣泡，分別對其進(jìn)行性能試驗，對比研究水對瀝青老化的影響。

圖2 壓力老化后的瀝青內(nèi)部孔隙Fig.2 Pitch internal porosity after pressure aging

2 結(jié)果與分析

2.1 水對老化后瀝青常規(guī)性能的影響

對壓力老化后的瀝青進(jìn)行針入度試驗，試驗條件為25 ℃(100 g，5 s)，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 針入度對比Fig.3 The penetration versus pressure aging time

從圖3中可以看出，隨著老化時間和試驗進(jìn)程的推進(jìn)，瀝青的針入度逐漸降低，且水會加速瀝青針入度的降低。在壓力老化開始5 h后，基質(zhì)瀝青中，有水組的針入度比無水組的小2.21。隨著老化的進(jìn)行，針入度的差距增加，壓力老化至20 h，有水組的針入度比無水組的小3.94。試驗表明：基質(zhì)瀝青壓力老化20 h的針入度與有水分參與的14 h的壓力老化相當(dāng)，推斷有水參與相當(dāng)于加速壓力老化約5 h。水分加速老化的過程同樣可以在橡膠瀝青中體現(xiàn)，壓力老化20 h，針入度之差為2.5，有水參與相當(dāng)于加速瀝青老化5 h。

相關(guān)研究[13-14]表明：當(dāng)瀝青25 ℃針入度下降到20 h時，路面將出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞。從基質(zhì)瀝青來看，壓力老化20 h后，有水壓力老化瀝青針入度已下降為20。此時路面將出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫，裂縫的產(chǎn)生使水分更易進(jìn)入路面內(nèi)部并在內(nèi)部積蓄，形成惡性循環(huán)，縮短路面的使用年限。

軟化點是表征瀝青耐熱性能的指標(biāo)。從圖4中可以看出，水分的作用使得瀝青軟化點升高。其中，壓力老化20 h后，水分導(dǎo)致70#基質(zhì)瀝青的軟化點提升2.7 ℃，橡膠瀝青的軟化點提升3.5 ℃。常規(guī)壓力老化20 h的瀝青軟化點與有水壓力老化15 h相當(dāng)。

圖4 軟化點對比Fig.4 Softening point versus pressure aging time

2.2 水對瀝青中溫疲勞性能的影響

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20-2011)》和美國戰(zhàn)略性公路研究計劃，對瀝青壓力老化后的瀝青進(jìn)行中溫疲勞性能試驗。以疲勞因子G*sinδ評價瀝青的抗疲勞性能，疲勞因子對比如圖5所示。

圖5 壓力老化20 h時，中溫疲勞因子的對比Fig.5 Medium temperature fatigue factor after pressurized aging vessel for 20 hours

G*sinδ達(dá)到5 000 kPa的溫度越低或者同溫度下的G*sinδ越小，表明其抗疲勞性能越好。從圖5中可以看出，橡膠瀝青的中溫性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青的。有水壓力老化瀝青的疲勞因子均大于常規(guī)壓力老化瀝青的。將G*sinδ等于5 000 kPa時的溫度定義為疲勞極限溫度，在70#基質(zhì)瀝青中，有水參與的壓力老化瀝青的疲勞極限溫度為21.8 ℃，而常規(guī)壓力老化瀝青的疲勞極限溫度為20 ℃，有水參與使70#基質(zhì)瀝青的疲勞極限溫度提升了1.8 ℃。在橡膠瀝青中，有水與無水瀝青的疲勞極限溫度分別為18 ℃和15.8 ℃，有水參與使橡膠瀝青的疲勞極限溫度升高了2.2 ℃。表明：有水參與會降低瀝青的抗疲勞特性。在高溫多雨地區(qū)，瀝青的老化更易引起瀝青路用性能的下降，因此，在類似環(huán)境地區(qū)，對瀝青路面的早期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)應(yīng)適時提前進(jìn)行。

2.3 水對瀝青低溫性能的影響

用彎曲梁流變儀測得低溫勁度模量。從-6 ℃開始，以-6 ℃為溫度差逐級下降，直到勁度模量S<300 MPa時結(jié)束試驗。試驗結(jié)果如圖6所示。

低溫勁度模量反映瀝青的低溫性能。若瀝青材料的勁度較大，則瀝青材料呈現(xiàn)脆性，路面在冬季低溫條件下容易產(chǎn)生開裂破壞。從圖6中可以看出，隨著溫度的降低，勁度模量S逐漸增加。表明：隨著溫度的降低，瀝青的低溫抗裂性能逐漸變差。無水壓力老化后，70#基質(zhì)瀝青在-18 ℃時的勁度模量為423 MPa；而有水壓力老化后，70#基質(zhì)瀝青在-18 ℃時的勁度模量為449 MPa。橡膠瀝青整體的低溫抗裂性好于70#基質(zhì)瀝青的，但其中水分的作用規(guī)律與70#基質(zhì)瀝青中的相同。在-24 ℃時，有水壓力老化后橡膠瀝青的勁度模量比無水壓力老化后的高23 MPa。因此，在溫差較大、降水較多的地區(qū)(如：湖南)，夏季高溫炎熱且雨水充沛，水分能加速瀝青的老化；而冬季冰凍嚴(yán)寒，瀝青路面更易產(chǎn)生疲勞裂縫。

3 結(jié)論

通過試驗，得出水分會加速瀝青的老化，對高溫濕熱地區(qū)瀝青路面的設(shè)計、施工及養(yǎng)護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

1) 在壓力老化過程中，在瀝青盛樣盤表面施加瀝青質(zhì)量的5 %的水分，進(jìn)行瀝青水老化模擬試驗。該試驗方法使高壓水蒸氣與瀝青充分交換，可以模擬瀝青在長期使用過程中水分對瀝青性質(zhì)的變化。

2) 相比于常規(guī)壓力老化試驗，有水壓力老化導(dǎo)致70#基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的針入度比常規(guī)壓力老化后的分別小2.21和2.5。軟化點試驗表明：壓力老化20 h后，水分使得70#基質(zhì)瀝青軟化點提升了2.7 ℃，使得橡膠瀝青軟化點提升了3.5 ℃。水分使得橡膠瀝青的針入度下降、軟化點增加，整體加速壓力老化約5 h。

3) 隨著老化程度的加深，瀝青的復(fù)數(shù)模量增加、相位角減小。有水參與的作用使得瀝青的復(fù)數(shù)模量較無水參與的增量更大，其相位角更小。有水參與使得瀝青的疲勞極限溫度下降，降低了瀝青的抗疲勞性能。

4) 有水壓力老化瀝青的勁度模量大于常規(guī)壓力老化瀝青的，表明水分的作用使瀝青變硬、低溫勁度增加及老化程度加深，降低了瀝青的低溫抗裂性能。

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