基于流變指標(biāo)的膠粉復(fù)合改性瀝青熱氧老化程度評(píng)估

肖 鵬，鄭佳輝，丁 燕

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 前 言

復(fù)合改性技術(shù)就是利用復(fù)合劑對(duì)瀝青高、低溫性能的不同改性效果進(jìn)行復(fù)合，充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，使各改性劑之間相互促進(jìn)和補(bǔ)充。采用SBS對(duì)瀝青進(jìn)行改性可顯著改善瀝青的高低溫性能、彈性性能與抗老化性能，但SBS昂貴的價(jià)格限制了其大規(guī)模應(yīng)用。廢舊輪胎制成的橡膠粉加工成橡膠瀝青，提高了路面的高溫抗車(chē)轍能力和低溫抗開(kāi)裂能力。將SBS與廢舊橡膠粉對(duì)瀝青進(jìn)性復(fù)合改性能發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，不但可以回收利用舊橡膠粉，提高路面的使用性能，而且減少了SBS的用量，降低了改性瀝青的成本[1]。梁星敏等[2]研究不同TLA摻量對(duì)湖瀝青改性瀝青高溫、低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)RTFO老化后的湖瀝青改性瀝青的車(chē)轍因子得到了較大提高。Zhang Lei等[3]通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)試橡膠瀝青的車(chē)轍因子，發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青較基質(zhì)瀝青的高溫性能有顯著提升。Ramez A.Al-Mansob等[4]通過(guò)旋轉(zhuǎn)粘度儀和DSR試驗(yàn)研究了摻加環(huán)氧化天然橡膠瀝青老化前后的流變參數(shù)，發(fā)現(xiàn)改性瀝青在老化后粘性增強(qiáng)程度比基質(zhì)瀝青大，顯示出優(yōu)越的流變性能，說(shuō)明環(huán)氧化天然橡膠能提高瀝青路面的耐久性。崔亞楠等[5]研究了SBS復(fù)合膠粉改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)和流變性能，發(fā)現(xiàn)該瀝青形成了一種非均相的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在高溫下仍保持一定的彈性，低溫下仍保持一定的流動(dòng)性，說(shuō)明復(fù)合改性瀝青具有較好的工程力學(xué)性能。劉斌清等[6]分析了橡膠瀝青四組分與各項(xiàng)性能指標(biāo)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青的性能與瀝青四組分密切相關(guān)。目前對(duì)于改性瀝青老化性能的研究主要是通過(guò)測(cè)試針入度、延度、軟化點(diǎn)以及相位角、車(chē)轍因子等指標(biāo)來(lái)反映改性瀝青老化后的性能，對(duì)于在熱氧老化過(guò)程中膠粉復(fù)合改性瀝青微觀組成結(jié)構(gòu)與流變指標(biāo)變化的關(guān)系尚未有深入的研究。因此，本研究以膠粉復(fù)合改性瀝青為研究對(duì)象，研究熱氧老化程度對(duì)瀝青流變性能的影響，將膠粉復(fù)合改性瀝青在不同熱氧老化程度下的流變指標(biāo)與四組分含量相結(jié)合，通過(guò)膠粉復(fù)合改性瀝青內(nèi)部組分的變化規(guī)律闡釋改性瀝青流變指標(biāo)的變化規(guī)律，進(jìn)一步探究流變指標(biāo)與溫度和組分比的關(guān)系，為膠粉復(fù)合改性瀝青的再生提供參考依據(jù)。

2 原材料與制備工藝

2.1 原材料

試驗(yàn)采用70#道路石油瀝青，虹磊60目斜交胎膠粉，YH-791型SBS改性劑(呈白色粒柱狀)，SBS技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 YH-791型SBS技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of SBS

2.2 膠粉復(fù)合改性瀝青的制備

在175±5℃的條件下，向基質(zhì)瀝青中加入16%的60目橡膠粉和2%的YH-791型SBS，均勻攪拌30min，攪拌速率為500r/min；然后在高速剪切儀中高速剪切30min，轉(zhuǎn)速為3500r/min，剪切完成后將混合物放入170℃的烘箱溶脹1h，得到膠粉復(fù)合改性瀝青。

3 老化試驗(yàn)方案

3.1 改性瀝青的老化模擬試驗(yàn)

首先采用薄膜加熱烘箱(TFOT)對(duì)瀝青樣品進(jìn)行短期老化：盛樣皿中瀝青質(zhì)量為50±0.5g；試驗(yàn)溫度為163℃；轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為5.5r/min；老化時(shí)間為5h。將瀝青樣品放入壓力老化容器，提升老化溫度至100℃，并充氣增壓至2.1MPa，老化時(shí)間持續(xù)20h，在短期老化與長(zhǎng)期老化之間設(shè)置不同持續(xù)時(shí)間的壓力老化，即5、10和15h。試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 老化試驗(yàn)流程圖 Fig.1 Process of aging tests

3.2 改性瀝青流變指標(biāo)測(cè)試

選用CVOD型動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試膠粉復(fù)合改性瀝青在常溫和高溫下的流變指標(biāo)。在美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)的瀝青PG分級(jí)中將粘彈性特征參數(shù)G*/sinδ(車(chē)轍因子)作為評(píng)價(jià)瀝青高溫特性的技術(shù)指標(biāo)，其值越大，則瀝青的高溫抗車(chē)轍能力越好；定義G*·sinδ為疲勞因子，以衡量瀝青的抗疲勞性能。

考慮到膠粉復(fù)合改性瀝青疲勞性能的工作溫度和高溫性能的工作溫度，最終確定對(duì)21、24、27℃下的疲勞因子和58、64、70℃下的車(chē)轍因子等流變指標(biāo)進(jìn)行分析，研究膠粉復(fù)合改性瀝青的流變特性。

3.3 改性瀝青四組分試驗(yàn)

膠粉復(fù)合改性瀝青的老化是一種不可逆的物理與化學(xué)變化，其物理變化主要體現(xiàn)在輕組分揮發(fā)；化學(xué)變化主要表現(xiàn)為物質(zhì)間的氧化、分子鍵的斷裂及脫氫和脫碳反應(yīng)，從而引起瀝青化學(xué)組成的變化，對(duì)瀝青的性能產(chǎn)生影響。瀝青組分試驗(yàn)原理來(lái)源于液—固吸附色譜法。尹麒[7]采用瀝青四組分法研究了SBS改性瀝青在不同老化溫度，不同老化時(shí)間下的熱老化規(guī)律。單寶龍等[8]用四組分法研究了老化時(shí)間對(duì)橡膠改性瀝青的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)的變化，可見(jiàn)目前對(duì)采用四組分法研究改性瀝青在老化前后的組分變化的方面已有一定的研究基礎(chǔ)。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中《瀝青化學(xué)組分試驗(yàn)(四組分法)》的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，分別稱(chēng)取0.5±0.01g不同老化程度的膠粉復(fù)合改性瀝青試樣，先用輕質(zhì)烴類(lèi)沉淀出瀝青質(zhì)，其余部分用活化過(guò)的中性氧化鋁吸附，使物質(zhì)的液體分子受到不平衡力的吸引而積聚在固體表面上；再用不同溶劑對(duì)飽和分、芳香分和膠質(zhì)進(jìn)行沖洗分離，即用正庚烷沖洗出飽和分，甲苯?jīng)_洗出芳香分，甲苯—乙醇(1∶1)沖洗出膠質(zhì)；最后將各組分進(jìn)行濃縮，除去大部分溶劑后，放入真空干燥箱中，在105±5℃、真空度93±1k Pa條件下干燥1h，取出試樣后在干燥器中冷卻至室溫后稱(chēng)重，計(jì)算各組分質(zhì)量百分比[9]。為降低試驗(yàn)結(jié)果的偶然性，同一試樣盤(pán)中選取不同位置的2個(gè)平行試樣，兩次試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范允許誤差的要求，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 流變性能分析

4.1.1 車(chē)轍因子變化分析 SHRP規(guī)定原樣瀝青及TFOT殘留物的車(chē)轍因子，分別不小于1.0k Pa和2.2k Pa。本研究選用不同熱氧老化程度下膠粉復(fù)合改性瀝青分別在58、64和70℃的車(chē)轍因子進(jìn)行研究。

從表2可見(jiàn)，隨著熱氧老化程度的加深，車(chē)轍因子呈增大的趨勢(shì)，膠粉復(fù)合改性瀝青的抗車(chē)轍能力逐漸增強(qiáng)；為更精確地研究膠粉復(fù)合改性瀝青流變指標(biāo)的老化規(guī)律與變化速率，以未老化的車(chē)轍因子值為基準(zhǔn)，將老化后所得的差值與其相應(yīng)的基準(zhǔn)值作比較，得到圖2表示的膠粉復(fù)合改性瀝青各個(gè)老化階段的車(chē)轍因子的相對(duì)變化。從圖可知，短期老化對(duì)車(chē)轍因子的影響很小，TFOT+5hPAV使車(chē)轍因子發(fā)生明顯的增幅，而其后的各個(gè)壓力老化階段，車(chē)轍因子的增長(zhǎng)較緩慢。

表2 YH791SBS膠粉復(fù)合改性瀝青車(chē)轍因子試驗(yàn)結(jié)果Table 2 G*/sinδtest results of YH791SBS rubber compound modified asphalt

4.1.2 疲勞因子變化分析 疲勞因子體現(xiàn)瀝青的常溫的抗疲勞性能，其值越小，抗疲勞能力越好。本研究選用不同熱氧老化程度下膠粉復(fù)合改性瀝青分別在21、24和27℃的疲勞因子進(jìn)行研究。

表3表明，膠粉復(fù)合改性瀝青的疲勞因子在熱氧老化下均呈增大的趨勢(shì)，說(shuō)明熱氧老化使瀝青的疲勞性能發(fā)生衰退。以未老化時(shí)的疲勞因子值為基準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算得到疲勞因子的相對(duì)變化，見(jiàn)圖3。膠粉復(fù)合改性瀝青的疲勞因子在短期老化后增長(zhǎng)較大，這與車(chē)轍因子的變化趨勢(shì)不同，在其后各階段的壓力老化后疲勞因子總體上呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。綜上所述，短期老化對(duì)膠粉復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子影響很小，對(duì)疲勞因子影響較為明顯；壓力老化對(duì)車(chē)轍因子和疲勞因子都有較大影響。

圖2 膠粉復(fù)合改性瀝青車(chē)轍因子相對(duì)變化圖Fig.2 Relative change in G*/sinδof rubber compound modified asphalt

表3 YH791SBS膠粉復(fù)合改性瀝青疲勞因子試驗(yàn)結(jié)果Table 3 G*·sinδtest results of YH791SBS rubber compound modified asphalt

圖3 膠粉復(fù)合改性瀝青疲勞因子相對(duì)變化圖Fig.3 Relative change in G*·sinδof rubber compound modified asphalt

流變指標(biāo)能夠反映改性瀝青在熱氧老化前后的性能變化，但是不能準(zhǔn)確、直觀體現(xiàn)改性瀝青的熱氧老化程度，故采用四組分試驗(yàn)探究?jī)?nèi)部化學(xué)組成與熱氧老化程度之間的關(guān)系。

4.2 四組分試驗(yàn)結(jié)果

由于本試驗(yàn)的研究對(duì)象是膠粉復(fù)合SBS改性瀝青，在組分分離過(guò)程中，僅有少量橡膠粉會(huì)殘留在瀝青質(zhì)中，大部分則吸附在濾紙上，對(duì)結(jié)果基本無(wú)影響。因此，將殘留在瀝青中的橡膠粉作為雜質(zhì)處理。從圖4可知，熱氧老化對(duì)膠粉復(fù)合改性瀝青的四組分影響表現(xiàn)為芳香分減少，膠質(zhì)緩慢增加，瀝青質(zhì)增加和飽和分變化不大。膠粉復(fù)合改性瀝青的四個(gè)組分在熱氧老化下，瀝青質(zhì)的變化較為明顯，一方面，瀝青中的膠質(zhì)會(huì)在熱氧老化作用下轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，芳香分也會(huì)在老化進(jìn)程中向膠質(zhì)轉(zhuǎn)化，膠質(zhì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，從而瀝青質(zhì)含量增加；另一方面，輕組分是指瀝青中的飽和分和芳香分，其含量隨著老化程度的加深而減少，一般認(rèn)為芳香分和飽和分是瀝青中的分散介質(zhì)，其中飽和分對(duì)瀝青起潤(rùn)滑和軟化的作用，芳香分可以提高膠體體系的穩(wěn)定性，故組分間的搭配比例會(huì)影響瀝青的流變性能及膠體結(jié)構(gòu)。從表5可見(jiàn)，組分比值隨著熱氧老化程度的加深逐漸減小，意味著輕組分(Ar+S)的相對(duì)含量減少，瀝青變“硬”[10]，對(duì)照文中車(chē)轍因子和疲勞因子隨熱氧老化程度的加深而增大，說(shuō)明用組分比值可以反應(yīng)膠粉復(fù)合改性瀝青老化前后的性能差異，而且與流變指標(biāo)相比，更為直觀明了，從而認(rèn)為可用(Ar+S)/(As+R)的比值表征熱氧老化程度。

4.3 流變指標(biāo)與組分比的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由于四組分試驗(yàn)過(guò)程較為復(fù)雜，故代之以研究改性瀝青流變指標(biāo)與組分比之間的關(guān)系，獲取組分比，以此評(píng)價(jià)改性瀝青的老化程度。圖5為特定溫度下，膠粉復(fù)合改性瀝青的疲勞因子、車(chē)轍因子分別與組分比的擬合函數(shù)圖像，從圖可知，膠粉復(fù)合改性瀝青的流變指標(biāo)與組分比線性相關(guān)，隨著熱氧老化程度的加深，組分比值(Ar+S)/(As+R)逐漸減小，而車(chē)轍因子和疲勞因子均呈增大的趨勢(shì)。

圖4 YH-791SBS膠粉復(fù)合改性瀝青四組分變化圖Fig.4 Four component test results of YH-791 SBS rubber compound modified asphalt

表5 YH-791SBS膠粉復(fù)合改性瀝青組分試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Four component test results of YH-791 SBS rubber compound modified asphalt

為了更全面地探究熱氧老化的影響因素，把溫度引入流變指標(biāo)與組分比的關(guān)系式中，得到流變指標(biāo)、溫度、組分比三者之間的線性方程，發(fā)現(xiàn)膠粉復(fù)合改性瀝青的該線性方程都符合一次函數(shù)形式，由此可通過(guò)測(cè)定流變指標(biāo)來(lái)計(jì)算特定溫度下，不同老化狀態(tài)的組分比均值K(見(jiàn)表7)，再對(duì)照表5中各個(gè)老化程度的組分比值，即(Ar+S)/(As+R)，為評(píng)價(jià)瀝青的老化程度提供依據(jù)。

表7 流變指標(biāo)與組分比的擬合函數(shù)Table 7 Fitting functions between rheological indices(y)and composition ratio(k)

5 評(píng)估熱氧老化程度的可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證表7中最終得到的組分比均值K與溫度、流變指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，采用YH-801 SBS和LG-501SBS作為改性劑，用與前文相同的制備工藝得到兩種膠粉復(fù)合改性瀝青，并對(duì)它們進(jìn)行不同程度的熱氧老化，測(cè)得的流變指標(biāo)如表8、9所示。對(duì)應(yīng)膠粉復(fù)合改性瀝青的常溫抗疲勞性能溫度與高溫抗車(chē)轍性能溫度，在驗(yàn)證試驗(yàn)中仍然選取典型的6個(gè)溫度下的流變指標(biāo)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

利用式(1)計(jì)算得到各個(gè)老化程度下的組分比擬合結(jié)果，見(jiàn)表10。將最終計(jì)算得到的組分比均值K與表5的組分比值(Ar+S)/(As+R)對(duì)應(yīng)，由表9可見(jiàn)，通過(guò)擬合函數(shù)計(jì)算得到的組分比均值與表5的(Ar+S)/(As+R)值相對(duì)誤差在2%左右，這可認(rèn)為符合此組分比對(duì)應(yīng)的老化程度。因此，可用組分比均值K來(lái)評(píng)估膠粉復(fù)合改性瀝青的熱氧老化程度。

6 結(jié) 論

1.隨著熱氧老化程度的加深，膠粉復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子、疲勞因子都呈增大趨勢(shì)。但短期老化對(duì)膠粉復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子影響很小，對(duì)疲勞因子影響則較為明顯；壓力老化對(duì)車(chē)轍因子和疲勞因子都有較大的影響。

2.組分比值較流變指標(biāo)而言，更能直觀表征膠粉復(fù)合改性瀝青的老化程度。常溫和高溫下，膠粉復(fù)合改性瀝青的組分比值與流變指標(biāo)均具有明顯的線性關(guān)系，建立基于溫度和流變指標(biāo)的變化方程，獲取組分比均值K，可用來(lái)評(píng)估膠粉復(fù)合改性瀝青的老化程度，為膠粉復(fù)合改性瀝青的再生提供參考依據(jù)。

表9 LG-501SBS膠粉復(fù)合改性瀝青的DSR試驗(yàn)結(jié)果Table 9 DSR test results of LG-501SBS rubber compound modified asphalt

表10 組分比驗(yàn)證結(jié)果Table 10 Verification of composition ratio