紫外老化對(duì)高彈改性瀝青及混合料性能影響分析

彭 強(qiáng)，郝增恒，譚憶秋

(1.中國交建總承包公司，重慶 401121；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400067；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

高彈改性瀝青通過改變傳統(tǒng)改性瀝青思路，摻入幾種全新的高彈改性劑材料，使改性瀝青在發(fā)生疲勞時(shí)單次循環(huán)損耗的能量降低，即最大限度降低疲勞發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變熱能，從而達(dá)到提高改性瀝青疲勞壽命的目的。目前，國內(nèi)大跨徑鋼橋面澆注式瀝青鋪裝體系上面層混合料多采用高彈改性瀝青混合料SMA10。

瀝青作為一種高分子材料，在光、熱、氧、水分等因素作用下容易發(fā)生老化，強(qiáng)烈的紫外線使得公路瀝青面層會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)迅速老化，導(dǎo)致瀝青面層耐久性降低。這種在紫外光以及氧參與下引起的老化現(xiàn)象被稱為瀝青的紫外老化。紫外老化會(huì)引起瀝青流變性能、化學(xué)組成結(jié)構(gòu)等方面發(fā)生不同程度的變化，逐漸變脆，加之在交通荷載、自然環(huán)境的綜合作用下，瀝青路面極容易發(fā)生溫縮裂縫導(dǎo)致開裂，進(jìn)而致使路面坑槽、剝落的出現(xiàn)，影響瀝青路面的路用性能，降低其使用壽命[1-3]。鑒于此，本文開展了一系列試驗(yàn)研究了紫外老化對(duì)高彈改性瀝青性能及其混合料路用性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

高彈改性瀝青技術(shù)要求及指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 高彈改性瀝青性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[4]中相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)，采用性能指標(biāo)符合規(guī)范的玄武巖集料和石灰石礦粉(重慶某石料廠)，SMA10的礦料級(jí)配曲線如圖1所示。高彈改性瀝青混合料SMA10油石比采用6.0%，聚酯纖維用量為混合料總質(zhì)量的0.25%，拌和溫度為185 ℃。

圖1 高彈改性瀝青混合料SMA10級(jí)配組成

1.2 紫外老化試驗(yàn)方法

采用熒光紫外老化儀模擬紫外線研究高彈改性瀝青性能的影響規(guī)律，其原理就是在人工環(huán)境中模擬自然條件，采用高壓汞燈作為人工照射光源，使得試驗(yàn)箱中紫外線的輻射強(qiáng)度達(dá)到室外日光條件下的50倍以上，從而縮短瀝青的老化周期。試驗(yàn)使用的熒光紫外老化儀如圖2所示，主要由環(huán)境箱、光源系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)以及時(shí)間控制系統(tǒng)等部分組成，其中光源系統(tǒng)采用40 W×8個(gè)直管形紫外線高壓汞燈作為光源。

(a)內(nèi)部構(gòu)成

高彈改性瀝青紫外老化試驗(yàn)具體過程：1)在潔凈的平底圓盤中倒入(50±1)g的高彈改性瀝青，并形成厚度均勻的瀝青薄膜，控制瀝青薄膜厚度約為1 mm(有效紫外老化厚度)，放入熒光紫外老化儀中，試樣離紫外線高壓汞燈的距離為40 cm～45 cm；2)啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，使環(huán)境箱溫度恒定在25 ℃±0.5 ℃，恒溫3 h；3)啟動(dòng)紫外線高壓汞燈，并開始計(jì)時(shí)；4)到達(dá)所需時(shí)間后(紫外老化時(shí)間分別為1 d、3 d、5 d、7 d、10 d、15 d、20 d)，停止紫外線高壓汞燈的照射，并立即逐個(gè)取出盛樣平底圓盤；5)將盛樣平底圓盤放至180 ℃～185 ℃的烘箱中加熱15 min，取出紫外老化后的高彈改性瀝青試樣，并迅速將其倒入潔凈的燒杯內(nèi)混合均勻，以備下一步試驗(yàn)。紫外老化后瀝青試樣如圖3所示。

圖3 高彈改性瀝青試樣

1.3 性能測(cè)試

按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的測(cè)試方法，測(cè)試高彈改性瀝青紫外老化后的針入度、軟化點(diǎn)、延度、旋轉(zhuǎn)黏度及車轍因子。在保持級(jí)配、油石比及拌和溫度等條件不變的情況下，以紫外老化前后的高彈改性瀝青為膠結(jié)料成型混合料SMA10，按照規(guī)范中的測(cè)試方法，測(cè)試高彈改性瀝青紫外老化前后混合料SMA10的馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變及劈裂強(qiáng)度等，以評(píng)價(jià)紫外老化對(duì)高彈改性瀝青及混合料SMA10性能的影響。

2 結(jié)果分析

2.1 瀝青結(jié)合料性能試驗(yàn)分析

測(cè)試高彈改性瀝青紫外老化前后的軟化點(diǎn)、針入度、5 ℃延度、旋轉(zhuǎn)黏度及抗車轍因子，試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖4所示。

表2 紫外老化時(shí)間對(duì)高彈改性瀝青常規(guī)性能指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果

從表2和圖4可以看出，紫外老化前期(<7 d)，隨紫外老化時(shí)間的延長(zhǎng)，高彈改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度及5 ℃延度降低，旋轉(zhuǎn)黏度和抗車轍因子G*/sinδ增大；紫外老化7 d后，高彈改性瀝青的軟化點(diǎn)略有升高；紫外老化后期(>10 d)，高彈改性瀝青的各大性能指標(biāo)均趨于穩(wěn)定。在紫外老化過程中，高彈改性瀝青中的瀝青材料和聚合物分子均會(huì)發(fā)生老化，其中瀝青材料的紫外老化表現(xiàn)為重組分瀝青質(zhì)含量逐漸增加，輕組分芳香分含量逐漸減少，致使高彈改性瀝青的軟化點(diǎn)升高、延度下降，聚合物分子的紫外老化表現(xiàn)為分子鏈降解，致使高彈改性瀝青的軟化點(diǎn)降低、延度下降。紫外老化前期，聚合物分子鏈的降解對(duì)高彈改性瀝青軟化點(diǎn)的降低作用占主導(dǎo)[5-7]，致使高彈改性瀝青軟化點(diǎn)降低；而后瀝青材料的紫外老化對(duì)高彈改性瀝青軟化點(diǎn)的升高作用占主導(dǎo)，致使高彈改性瀝青軟化點(diǎn)略有升高；紫外老化后期，高彈改性瀝青的紫外老化程度已逐漸飽和。

(a)軟化點(diǎn)

隨著溫度的升高，不同時(shí)間下的紫外老化對(duì)高彈改性瀝青的抗車轍因子G*/sinδ差異減小，高彈改性瀝青逐漸變軟，粘性成分增加，彈性成分減少，抗車轍因子降低。

2.2 瀝青混合料性能試驗(yàn)分析

從上述研究結(jié)果可知，高彈改性瀝青紫外老化過程主要分為前期快速老化(<7 d)和后期趨于平穩(wěn)(>10 d)，因此選擇紫外老化7 d和15 d作為代表性紫外老化時(shí)間。分別以原樣高彈改性瀝青、紫外老化7 d及紫外老化15 d的高彈改性瀝青為膠結(jié)料，相同條件下制備混合料SMA10，并測(cè)試其穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比等性能指標(biāo)[8]，以評(píng)價(jià)紫外老化對(duì)高彈改性瀝青混合料SMA10路用性能的影響。

1)高溫性能

鋼橋面的使用溫度可達(dá)60 ℃～70 ℃，故對(duì)鋪裝層混合料的高溫性能有很高的要求[9-10]。進(jìn)行高彈改性瀝青混合料SMA10的車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 高彈改性瀝青混合料SMA10車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，紫外老化后，高彈改性瀝青混合料SMA10的動(dòng)穩(wěn)定度有所降低，老化7 d后為5 753 次/mm，降低7.5%，老化15 d后為6 020 次/mm，降低3.2%，這即表明紫外老化后混合料的高溫性能有所下降。一方面，在強(qiáng)紫外光長(zhǎng)期照射下，車轍試件表層瀝青會(huì)快速老化，混合料體系間的粘結(jié)力減弱，當(dāng)荷載反復(fù)作用時(shí)，混合料由于粘結(jié)力不足，混合料抗剪能力降低，變形增大。另一方面，紫外老化7 d，高彈改性瀝青的軟化點(diǎn)降低，而紫外老化15 d，其軟化點(diǎn)略有升高，但依然低于原樣高彈改性瀝青。因此，紫外老化15 d后的高彈改性瀝青混合料SMA10的高溫性能劣于原樣混合料SMA10，而優(yōu)于紫外老化7 d后的混合料SMA10。總之，高彈改性瀝青混合料SMA10能夠滿足規(guī)范對(duì)熱穩(wěn)性的要求(60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度≥3 000次/mm)。

2)低溫性能

瀝青混合料的低溫極限變形能力，反映了粘彈性材料的低溫粘性和塑性性質(zhì)，所以低溫的極限彎拉應(yīng)變是評(píng)價(jià)低溫性能的一種指標(biāo)。進(jìn)行高彈改性瀝青混合料SMA10的低溫彎曲小梁試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度-10 ℃，試件尺寸300 mm×30 mm×35 mm[11-13]，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 高彈改性瀝青混合料SMA10低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，紫外老化后的高彈改性瀝青混合料SMA10在低溫條件下發(fā)生了規(guī)律性的變化，隨著老化時(shí)間的增加，高彈改性瀝青混合料SMA10的抗彎拉強(qiáng)度依次提高，抗彎拉應(yīng)變依次降低，相應(yīng)的勁度模量依次升高，說明紫外老化使得低溫下的高彈改性瀝青混合料SMA10低溫強(qiáng)度及低溫脆性提高，變形能力降低。究其原因，老化過程使得高彈改性劑的活性降低，進(jìn)而導(dǎo)致改性劑與瀝青的相互作用減弱，從紫外老化后瀝青延度減小也反映了這一變化。另外，老化過程使得瀝青組分發(fā)生變化，使得改性瀝青體系在低溫下硬度提高，粘性降低，體現(xiàn)在混合料中使得瀝青與集料的的粘結(jié)力減小，當(dāng)作用荷載后，混合料低溫彎曲變形減小。總體看來，紫外老化對(duì)高彈改性瀝青混合料SMA10低溫性能影響較小，老化后的高彈改性瀝青混合料SMA10低溫性能良好，滿足規(guī)范要求。

3)水穩(wěn)定性能

鋼橋面鋪裝對(duì)瀝青混合料的防水性能要求很高，水穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)瀝青混合料水侵蝕的重要依據(jù)，為此對(duì)高彈改性瀝青混合料SMA10進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。浸水試驗(yàn)中，將馬歇爾試件在60 ℃恒溫水浴箱中放置48 h，取出后和未浸水對(duì)照組進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算浸水殘留穩(wěn)定度比；凍融劈裂試驗(yàn)中，將馬歇爾試件在-18 ℃低溫箱中保溫16 h，取出后立即放入60 ℃恒溫水浴箱保溫24 h，然后和未凍融組一起在25 ℃恒溫水浴中放置2 h進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算凍融劈裂強(qiáng)度比，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 高彈改性瀝青混合料SMA10抗水損害性能試驗(yàn)結(jié)果 %

從表5可以看出，未經(jīng)紫外老化前的高彈改性瀝青混合料SMA10優(yōu)異，經(jīng)紫外老化后，其浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比指標(biāo)均有一定程度降低，但均滿足規(guī)范不小于80%的要求。由此可知，紫外老化對(duì)高彈改性瀝青混合料SMA10水穩(wěn)定性能影響較小，老化后的高彈改性瀝青混合料SMA10的抗水損害性能良好。

3 結(jié)論

1)在紫外老化過程中，高彈改性瀝青會(huì)發(fā)生瀝青材料老化和聚合物分子降解。紫外老化前期(<7 d)，聚合物分子降解占主要作用，隨紫外老化時(shí)間的延長(zhǎng)，高彈改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度及5 ℃延度降低，旋轉(zhuǎn)黏度和抗車轍因子G*/sinδ增大；紫外老化中期(7 d～10 d)，瀝青材料老化占主要作用，高彈改性瀝青的軟化點(diǎn)略有升高；紫外老化后期(>10 d)，瀝青材料老化和聚合物分子降解程度趨于飽和，高彈改性瀝青的各大性能指標(biāo)均趨于穩(wěn)定。

2)紫外老化后，高彈改性瀝青混合料SMA10動(dòng)穩(wěn)定度有所下降，車轍深度增加，但變化程度較小。隨著紫外老化時(shí)間的增加，其彎拉強(qiáng)度提高，抗彎拉應(yīng)變降低，勁度模量增大，紫外老化使得低溫下的高彈改性瀝青混合料SMA10低溫強(qiáng)度及低溫脆性提高，變形能力降低。紫外老化后高彈改性瀝青混合料SMA10的浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比均有一定程度降低。

3)紫外老化對(duì)高彈改性瀝青及其混合料SMA10的性能影響較小，且各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，表明其具有較為優(yōu)異的抗紫外老化能力。