熱氧老化對(duì)油砂瀝青公路承載性能的影響*

陳 波，徐成桂

（1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 資源勘查與土木工程系，四川 樂(lè)山 614000；2.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，四川 樂(lè)山 614000）

前 言

伴隨我國(guó)交通事業(yè)迅猛發(fā)展，作為優(yōu)良路面膠結(jié)材料的瀝青消耗總量逐年增加，為緩解全球石油能源枯竭，油砂瀝青作為一種新型非常規(guī)石油資源得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。油砂瀝青是高硫、低酸、高金屬、高瀝青含量的歸屬特稠油范圍的油品，具備低溫性能較好、蠟含量低等優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)，是生產(chǎn)道路瀝青的一種優(yōu)質(zhì)原料。但是油砂瀝青在攪拌、運(yùn)輸、公路鋪設(shè)以及公路使用過(guò)程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生老化現(xiàn)象，影響油砂瀝青公路承載性能以及使用壽命[3，4]。

國(guó)外對(duì)油砂瀝青公路承載性能研發(fā)始于1950年，如多倫多大學(xué)的Dads首次研究將纖維應(yīng)用于瀝青混合料中，用于預(yù)防瀝青路面的反射裂縫。1962年通過(guò)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行不同溫度的測(cè)試發(fā)現(xiàn)熱氧老化的存在。我國(guó)是1990年以后隨著對(duì)瀝青混合料意識(shí)的加強(qiáng)，研究在瀝青混合料中加入纖維，增加熱氧老化的抗性。

熱氧老化是油砂瀝青的最主要老化方式之一，其存在于油砂瀝青公路鋪設(shè)前后以及公路投入使用的各個(gè)階段。油砂瀝青熱氧老化分為描述瀝青混合材料在攪拌、運(yùn)輸、公路鋪設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生老化的短期熱氧老化和公路在實(shí)際服役過(guò)程中受環(huán)境因素以及車輛荷載影響下產(chǎn)生老化的長(zhǎng)期熱氧老化[5]。油砂瀝青熱氧老化后，輕組分減少，重組分增多，改變了自身膠體結(jié)構(gòu)，會(huì)直接影響油砂瀝青公路的承載性能[6]。伴隨高分子化學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，用途不同，材料各異的抗老化劑相繼產(chǎn)生，亦是油砂瀝青公路采取的抗熱氧老化能力的主要方式。其中受阻胺類抗老化劑具備捕獲自由基、單線態(tài)氧功能以及分解氫過(guò)氧化物的作用，可顯著提升高分子材料耐老化性能，阻止油砂瀝青進(jìn)一步熱氧老化[7～9]。

低溫環(huán)境下，溫度會(huì)對(duì)油砂瀝青公路混合料性能產(chǎn)生極大影響，但目前低溫對(duì)油砂瀝青材料的彎拉性能等影響公路承載力的相關(guān)研究較少[10，11]。本文利用油砂瀝青混凝土進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，分析不同熱氧老化程度的油砂瀝青在不同低溫條件下的破壞彎曲應(yīng)變性能，評(píng)價(jià)油砂瀝青公路承載性能，并通過(guò)在油砂瀝青中加入受阻胺類抗老化劑，分析不同含量的受阻胺抗老化劑加入后，長(zhǎng)期熱氧老化對(duì)油砂瀝青公路承載性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)用油砂瀝青為長(zhǎng)煉70#油砂瀝青，選自內(nèi)蒙古扎賚特旗圖牧吉油砂礦產(chǎn)；礦粉和集料分別采購(gòu)于三友兄弟非金屬有限公司和若豪保溫材料有限公司；受阻胺類抗老化劑選自北京加成助劑研究院生產(chǎn)的GW-944。油砂瀝青性能指標(biāo)如表1所示，集料物理性能指標(biāo)如表2所示，受阻胺類抗老化劑GW-944質(zhì)量指標(biāo)如表3所示。

表1 油砂瀝青性能指標(biāo)Table 1 The performance index of the oil sand asphalt

表2 集料物理性能指標(biāo)Table 2 The physical performance index of the aggregate

表3 受阻胺類抗老化劑GW-944質(zhì)量指標(biāo)Table 3 The quality index of hindered amine antiaging agent GW-944

1.2 試件制備

將油砂瀝青分成兩份，一份直接進(jìn)行熱氧老化模擬，另一份加熱融化后，利用剪切機(jī)高速攪拌，并在油砂瀝青中加入油砂瀝青含量的0、0.3%、0.5%、0.7%的受阻胺類抗老化劑GW-944，攪拌20min，置于溫度為70℃恒溫干燥箱中，自流平形成油砂瀝青薄膜，選用澳大利亞IPC公司生產(chǎn)的型號(hào)為UTM-25試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)為試驗(yàn)設(shè)備，利用《公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，棱柱體小梁試件尺寸大小為250mm×30mm×35mm，跨徑大小為200mm。試件制作完成后，采用熱氧老化模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行試件熱氧老化。

1.3 熱氧老化模擬試驗(yàn)方法

1.3.1 短期熱氧老化

采用RTFOT模擬油砂瀝青短期熱氧老化過(guò)程。遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0610，于室內(nèi)條件下，采用小型拌合機(jī)拌制油砂瀝青混合料，并依據(jù)21～22kg/m2松鋪系數(shù)將油砂瀝青混合料均勻鋪設(shè)于搪瓷盤(pán)中，放置于溫度設(shè)定條件為135℃±3℃烘箱中，在強(qiáng)制通風(fēng)環(huán)境下加熱4h，加熱過(guò)程中每間隔1h翻拌一次，加熱完成后取出，完成短期熱氧老化試驗(yàn)[12]。

1.3.2 長(zhǎng)期熱氧老化

長(zhǎng)期熱氧老化用于模擬油砂瀝青路面服役過(guò)程中的老化過(guò)程，采用PAV方式進(jìn)行模擬。在短期熱氧老化基礎(chǔ)上，依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0702-2011，進(jìn)行混合料成型[13]，并于常溫條件下自然冷卻6h，冷卻充分后脫模處理，置于恒溫烘箱中，在強(qiáng)制通風(fēng)條件下，加熱溫度為85℃±3℃，加熱5d，完成長(zhǎng)期熱氧老化試驗(yàn)。

1.4 小梁彎曲試驗(yàn)

模擬車輛荷載作用下，油砂瀝青混凝土路面承載能力。分析油砂瀝青公路彈性層狀可知，在面層厚度達(dá)到13cm時(shí)，荷載重復(fù)作用可顯著增長(zhǎng)面層應(yīng)變，迅速增至路面斷裂，符合應(yīng)力控制模式[14]。

試驗(yàn)開(kāi)始之前，將熱氧老化完成的油砂瀝青混凝土小梁試件置于環(huán)境箱中，同時(shí)實(shí)施4h以上的保溫，試驗(yàn)溫度選擇-15℃和-35℃，使用常應(yīng)變進(jìn)行加載，速率維持在5.5mm/min。實(shí)驗(yàn)中若油砂瀝青混凝土小梁達(dá)到最大彎拉強(qiáng)度，即視其達(dá)到極限承載力，此時(shí)認(rèn)為該試件被破壞[15]。根據(jù)小梁試件尺寸大小，計(jì)算油砂瀝青混凝土小梁破壞時(shí)的印象公路承載性能的彎拉強(qiáng)度KB、彎拉應(yīng)變?chǔ)谺以及彎曲勁度模量FB，計(jì)算式分別如下：

式中，j、b分別表示試件跨中斷面試件高度、寬度，單位為mm；QB、G、d分別表示時(shí)間破壞時(shí)的最大荷載（N）、試件跨度（mm）、時(shí)間破壞時(shí)的跨中撓度。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱氧老化時(shí)間對(duì)油砂瀝青常規(guī)性能影響

熱氧老化時(shí)間對(duì)油砂瀝青部分常規(guī)性能影響結(jié)果如表4所示。

表4 熱氧老化時(shí)間對(duì)油砂瀝青部分常規(guī)性能影響結(jié)果Table 4 The effect of thermal oxidative aging time on the conventional performance of oil sand asphalt

分析表4數(shù)據(jù)可知，伴隨熱氧老化時(shí)間的增加，油砂瀝青的針入度下降、軟化點(diǎn)溫度上升、135℃黏度增加、10℃、15℃延度減小。結(jié)果表明，隨著熱氧老化時(shí)間增加，油砂瀝青常規(guī)性能均呈現(xiàn)惡化態(tài)勢(shì)，說(shuō)明熱氧老化對(duì)油砂瀝青混合料性能影響很大。

2.2 不同溫度下，熱氧老化時(shí)間對(duì)試件破壞時(shí)彎拉強(qiáng)度影響

-15℃、-35℃條件下，模擬熱氧老化影響試件彎拉強(qiáng)度的結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度下熱氧老化時(shí)間對(duì)試件彎拉強(qiáng)度影響Fig.1 The effect of thermal oxidative aging time on the bending tensile strength of specimens at different temperature

從圖1可以看出，小梁彎曲破壞試件在-15℃、-35℃兩種溫度條件下產(chǎn)生的彎拉強(qiáng)度破壞趨勢(shì)。伴隨熱氧老化時(shí)間增加，試件彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，即在短期熱氧老化時(shí)間內(nèi)，彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)，超出短期熱氧老化時(shí)間達(dá)到長(zhǎng)期熱氧老化時(shí)間，彎拉強(qiáng)度降低，且該變化程度較為緩慢。彎拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)在-15℃、-35℃兩種溫度條件下的變化大致相同。伴隨熱氧老化時(shí)間增加，相比于-15℃，-35℃溫度下的試彎拉強(qiáng)度更高；同等熱氧老化程度下，試件處于-35℃溫度下的彎拉強(qiáng)度更強(qiáng)。

2.3 不同溫度下，熱氧老化時(shí)間對(duì)試件破壞時(shí)最大彎拉應(yīng)變的影響

-15℃、-35℃條件下，模擬熱氧老化影響試件最大彎拉應(yīng)變的結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同溫度下熱氧老化時(shí)間對(duì)試件最大彎拉應(yīng)力影響Fig.2 The effect of thermal oxidative aging time at different temperature on the maximum bending stress of the specimen

分析圖2可知，同等熱氧老化條件下，-15℃溫度條件下的最大彎拉應(yīng)力是-35℃溫度條件下最大彎拉應(yīng)力的1.05倍左右。說(shuō)明溫度越低，試件最大彎拉應(yīng)力越小，承載性能越差。同等溫度下，隨著熱氧老化時(shí)間增加，試件最大彎拉應(yīng)變減小，分析產(chǎn)生該種現(xiàn)象的原因可能是由于油砂瀝青的膠結(jié)材料老化而形成的，熱氧老化條件下，油砂瀝青膠質(zhì)含量下降，輕質(zhì)組分揮發(fā)減少，重質(zhì)組分含量增加，導(dǎo)致油砂瀝青膠結(jié)料彈性增強(qiáng)，黏性降低。若處于溫度較低環(huán)境下，油砂瀝青膠結(jié)料會(huì)呈現(xiàn)較大脆性，此時(shí)若施加外界荷載，抗剪切和抗彎拉性能變差，承載性能降低。油砂瀝青膠結(jié)料的熱氧老化縮小了油砂瀝青混合料自身即與石料間的粘結(jié)力，產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，降低彎拉應(yīng)變。

2.4 不同溫度下，熱氧老化時(shí)間對(duì)試件破壞時(shí)彎曲勁度模量的影響

-15℃、-35℃條件下，模擬熱氧老化影響試件彎曲勁度模量的結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度下熱氧老化時(shí)間對(duì)試件彎曲勁度模量影響Fig.3 The effect of thermal oxidative aging time on the bending stiffness modulus of specimens at different temperature

從圖3可以看出，溫度一定前提下，熱氧老化前的試件彎曲勁度模量小于熱氧老化開(kāi)始后，且伴隨熱氧老化時(shí)間逐漸增加，試件彎曲勁度模量逐漸上升，彎曲勁度模量與熱氧老化階段間呈現(xiàn)顯著指數(shù)變化關(guān)系。不同溫度條件下，熱氧老化方式對(duì)應(yīng)的回歸方程為S'=axebt，其中b的取值區(qū)間為0.157～0.239，即短期熱氧老化與長(zhǎng)期熱楊老化方式的溫度與試件彎曲勁度模量之間變化趨勢(shì)大致相同。

2.5 GW-944對(duì)試件延度影響

圖4 不同GW-944含量下試件延度Fig.4 The ductility of specimen with different GW-944 contents

圖5 不同GW-944含量下試件延度增加幅度Fig.5 The increase range of ductility of specimen with different GW-944 contents

油砂瀝青延度指標(biāo)變化是是評(píng)價(jià)熱氧老化程度對(duì)油砂瀝青試件承載性能重要指標(biāo)之一。且油砂瀝青公路路面開(kāi)裂與低溫延度具備相關(guān)性。不同含量的受阻胺抗老化劑GW-944作用下，油砂瀝青15℃延度變化情況如圖4所示，延度增加幅度變化情況如圖5所示。

分析圖4、圖5可知，受阻胺抗老化劑GW-944的添加對(duì)熱氧老化前的試件低溫延度影響較小，伴隨GW-944的添加含量的增加，延度嘴邊變化為6mm，GW-944的添加含量為0.3%、0.7%時(shí)，延度變化幅度分別為-0.81%、0.30%。受阻胺抗老化劑GW-944的添加對(duì)熱氧老化后的試件低溫延度改善效果顯著，伴隨GW-944的添加含量的增加，延度呈現(xiàn)出先增大后減小，在GW-944的添加含量為0.5%時(shí)延度最大，為91mm，延度提升36%左右。結(jié)果表明受阻胺抗老化劑GW-944的添加改善了熱氧老化油砂瀝青的低溫性能，增強(qiáng)了油砂瀝青試件承載能力。原因在于油砂瀝青的熱氧老化過(guò)程中，受阻胺抗老化劑吸收光并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榈踝杂苫?，促進(jìn)了油砂瀝青再生以及穩(wěn)定功能，有效阻止油砂瀝青的熱氧老化。

3 結(jié) 論

本文研究了熱氧老化對(duì)油砂瀝青公路承載性能的影響，通過(guò)一系列試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：

（1）隨著熱氧老化時(shí)間增加，油砂瀝青試件常規(guī)性能均呈現(xiàn)惡化態(tài)勢(shì)；

（2）-15℃和-35℃兩種溫度條件下，伴隨熱氧老化時(shí)間增加，可顯著影響試件承載性能，其中試件彎曲強(qiáng)度先增大后減小、最大彎拉應(yīng)變減小、彎曲勁度模量增加；且同等熱氧老化程度下，試件處于-35℃溫度下的彎拉強(qiáng)度更強(qiáng)，最大彎拉應(yīng)力較小，彎曲勁度模量較大。

（3）受阻胺抗老化劑在GW-944的添加含量為0.5%時(shí)，對(duì)油砂瀝青再生以及穩(wěn)定功能達(dá)到最佳狀態(tài)，顯著提升熱氧老化后的試件延度增強(qiáng)試件承載性能。