基于流變指標(biāo)的瀝青老化程度評價與機理分析

余 琦 趙 兵 易 凱 殷衛(wèi)永 李碩磊

(中國建筑股份有限公司三門峽市國道310南移新建工程指揮部1) 三門峽 472000)(交通運輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心2) 鄭州 450000)(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司3) 鄭州 450000)

0 引 言

瀝青膠結(jié)料是道路工程中重要的基礎(chǔ)原材料，良好的瀝青膠結(jié)料性能對保證道路工程質(zhì)量至關(guān)重要.實際生產(chǎn)施工過程中，瀝青經(jīng)過長期高溫儲存及反復(fù)加熱后易發(fā)生不同程度的老化,導(dǎo)致性能衰減.目前關(guān)于瀝青老化后性能的研究主要集中在老化后針入度、延度等常規(guī)指標(biāo)和車轍因子、復(fù)數(shù)模量等流變指標(biāo).徐發(fā)勝等[1]通過測試瀝青常規(guī)三大指標(biāo)及動態(tài)剪切流變等指標(biāo)研究了特立尼達湖瀝青改性瀝青的耐老化性能，表明TLA改性瀝青的耐老化性較基質(zhì)瀝青明顯提高.柳景祥等[2]研究了不同光熱條件老化后基質(zhì)瀝青殘留針入度、軟化點、復(fù)數(shù)模量和相位角變化，并結(jié)合組分分析發(fā)現(xiàn)瀝青光熱老化的主要原因是羰基和亞砜基的生成.曹芳[3]通過常規(guī)指標(biāo)及測力延度指標(biāo)研究了三種PE改性劑分別與SBS復(fù)合改性瀝青的抗老化性能，表明SBS與LDPE復(fù)合改性瀝青抗老化性能最優(yōu).孟勇軍等[4]分析了水分作用條件下瀝青復(fù)數(shù)模量與車轍因子的變化規(guī)律，表明水分作用增大了SBS改性瀝青長期老化后抗變形能力.此外，還有部分關(guān)于瀝青老化后旋轉(zhuǎn)黏度[5]、勁度模量[6]等性能指標(biāo)的研究，并借助紅外光譜[7]、凝膠滲透色譜[8]、熒光顯微鏡[9-10]等方法分析老化機理及微觀相態(tài)結(jié)構(gòu).

瀝青老化后性能與老化程度密切相關(guān)，流變性能是評價瀝青性能的重要指標(biāo)，且受瀝青老化程度影響較大[11-12].因此，可研究流變性能隨老化程度連續(xù)變化規(guī)律，建立兩者相關(guān)關(guān)系，通過流變性能確定瀝青老化程度，進而評價瀝青老化后綜合性能.

基于此，文中采用RTFOT試驗和PAV試驗對基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進行模擬短期老化和長期老化，基于DSR試驗評價瀝青老化后流變性能，并建立車轍因子、測試溫度和老化時間的相關(guān)關(guān)系，同時結(jié)合老化后瀝青混合料低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能，建立基于高溫流變性能的瀝青老化程度評價體系，以期為工程應(yīng)用中評價瀝青老化程度和老化后性能提供參考和借鑒.

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用原材料為AH-70基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，性能指標(biāo)見表1.

表1 瀝青性能檢測結(jié)果

1.2 試驗方法

1) 短期老化 采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(RTFOT)對瀝青進行短期老化，模擬施工過程中發(fā)生的熱氧老化.老化時間為40，85，180，240，300 min.

2) 長期老化 采用RTFOT老化85 min后的瀝青，利用壓力老化儀(PAV)，在高溫高壓下對瀝青進行室內(nèi)加速老化試驗，模擬道路在實際使用過程中不同年限的老化.老化溫度110 ℃，老化時間5，10，15，20，25 h.

3) DSR試驗 采用MCR301型動態(tài)剪切流變儀，試驗角頻率10 rad/s，轉(zhuǎn)動軸直徑25 mm，分別對RTFOT老化后和PAV老化后的瀝青殘留物取樣，進行動態(tài)剪切流變試驗.試驗溫度選取52，58，64，70，76 ℃五個溫度，根據(jù)試驗得到的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ計算車轍因子G*/sinδ.

4) 紅外光譜試驗 采用傅里葉紅外光譜儀測試瀝青老化后波譜特征，掃描波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1，掃描次數(shù)為32次.

5) 混合料彎曲試驗和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗 由于瀝青老化后變硬變脆，高溫性能提高，低溫韌性降低.老化對瀝青混合料低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能影響較大.分別對RTFOT老化后和PAV老化后的瀝青殘留物取樣，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》方法成型混合料彎曲試驗和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗測試試件，研究老化后瀝青混合料性能.

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青老化后高溫流變性能

根據(jù)Superpave規(guī)范，原樣瀝青車轍因子G*/sinδ應(yīng)不小于1.0 kPa，車轍因子為1.0 kPa時對應(yīng)的溫度為失效溫度.RTFOT老化后的瀝青車轍因子G*/sinδ應(yīng)不小于2.2 kPa.老化后車轍因子G*/sinδ越大，瀝青越硬，黏度越高.分析計算瀝青經(jīng)不同條件老化后車轍因子及失效溫度，研究瀝青老化后流變性能變化規(guī)律.

2.1.1不同程度RTFOT老化后高溫流變性能

不同RTFOT老化后基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青車轍因子G*/sinδ隨流變試驗溫度變化情況見圖1.不同溫度下基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青車轍因子G*/sinδ隨老化時間變化情況見圖2.

圖1 不同RTFOT老化程度基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青車轍因子隨溫度變化

圖2 不同溫度下基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青車轍因子隨RTFOT老化時間變化

由圖1可知，隨著測試溫度提高，不同老化時長的瀝青車轍因子逐漸減小.原樣基質(zhì)瀝青的失效溫度為66.3 ℃，高溫等級為PG64.基質(zhì)瀝青經(jīng)過40，85，180，240，300 min RTFOT老化后的失效溫度分別為63.4，66.1，69.4，73.0，75.5 ℃，高溫等級分別為PG58，PG64，PG64，PG70，PG70.原樣SBS改性瀝青失效溫度為77.1 ℃，高溫等級為PG76.SBS改性瀝青經(jīng)過40，85，180，240，300 min RTFOT老化后的失效溫度分別為69.6，74.9，77.8，79.7，82.3 ℃，高溫等級分別為PG64，PG70，PG76，PG76，PG82.基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的失效溫度均隨老化時間的增加而增大，兩種瀝青在40和85 min的失效溫度均小于未老化原樣瀝青，這是由于老化40和85 min后，車轍因子增加并不非常顯著，但是失效溫度對應(yīng)的車轍因子由1.1增大到2.2 kPa所致.隨著老化時間的增加，失效溫度超越了未老化原樣瀝青，老化程度增加.

由圖2可知，在相同的溫度下，隨著老化時間增加，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的車轍因子都逐漸變大.通過對車轍因子與老化時間曲線進行數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，不同測試溫度下車轍因子與RTFOT老化時間之間具有良好的指數(shù)對應(yīng)關(guān)系，兩者關(guān)系為

G*/sinδ=AeBt

(1)

式中：G*/sinδ為車轍因子；t為老化時間；A和B為回歸系數(shù).

系數(shù)A和B受到車轍因子測試溫度影響，根據(jù)圖2回歸方程，不同測試溫度下系數(shù)A和B值見表2.

表2 RTFOT老化后擬合曲線系數(shù)A和B與溫度的關(guān)系

由表2可知，系數(shù)A和B與溫度之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系，可將系數(shù)A和B用測試溫度表示.因此，RTFOT老化后車轍因子可用老化時間和車轍因子測試溫度表示.基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青老化后車轍因子與老化時間和溫度的函數(shù)方程為

G*/sinδ=6×1015θ-8.237e(-2×10-6θ2+0.000 2θ-0.000 6)t

(2)

G*/sinδ=4×1011θ-6.096e(-2×10-7θ2+3×10-5θ+0.004 6)t

(3)

式中：θ為車轍因子測試溫度，℃.

2.1.2不同程度PAV老化后高溫流變性能

經(jīng)不同PAV老化時間后瀝青車轍因子G*/sinδ隨測試溫度變化情況見圖3.不同溫度下瀝青車轍因子G*/sinδ隨老化時間變化情況見圖4.

圖3 不同PAV老化程度基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青車轍因子隨溫度變化

圖4 不同溫度下基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青車轍因子隨PAV老化時間變化

由圖3可知，老化后SBS改性瀝青的車轍因子明顯高于基質(zhì)瀝青車轍因子.隨著溫度升高，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的車轍因子均逐漸減小.在相同的溫度下，兩種瀝青的車轍因子均隨著老化時間的增加而逐漸增大.PAV老化后車轍因子比RTFOT老化后車轍因子增加更明顯，表明瀝青經(jīng)PAV老化后，輕質(zhì)組分減少更明顯，老化程度更高.

由圖4可知，在相同的溫度下，隨著老化時間的增加，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的車轍因子均逐漸變大.通過對車轍因子與老化時間曲線數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，不同測試溫度下車轍因子與PAV老化時間之間具有良好的線性關(guān)系，兩者關(guān)系為

G*/sinδ=A+Bt

(4)

系數(shù)A和B受到車轍因子測試溫度影響，根據(jù)圖4回歸方程，不同測試溫度下系數(shù)A和B值見表3.

由表3可知，系數(shù)A和B與溫度之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系，可將系數(shù)A和B用測試溫度表示.因此，PAV老化后車轍因子可用老化時間和車轍因子測試溫度表示.基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青PAV老化后車轍因子與老化時間和溫度的函數(shù)方程分別為

表3 PAV老化后擬合曲線系數(shù)A和B與溫度的關(guān)系

G*/sinδ=4×1015θ-8.975+4 483e-0.116θt

(5)

G*/sinδ=2×1011θ-6.428+4 849.6e-0.102θt

(6)

2.2 瀝青老化后混合料路用性能

瀝青老化后低溫彎曲應(yīng)變和殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果分別見圖5～6.

圖5 RTFOT老化后瀝青混合料性能

圖6 PAV老化后瀝青混合料性能

由圖5～6可知：基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青經(jīng)過RTFOT老化和PAV老化后，低溫彎曲應(yīng)變和殘留穩(wěn)定度均明顯降低，PAV老化后降低幅度更明顯，表明老化后低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能降低，PAV老化后瀝青老化程度更高.RTFOT老化時間小于85 min時，老化后混合料低溫彎曲應(yīng)變和殘留穩(wěn)定度基本仍能滿足規(guī)范要求.當(dāng)老化時間在85～180 min時，老化后混合料低溫彎曲應(yīng)變和殘留穩(wěn)定度已降至約老化前的80%.隨著老化時間增加，混合料性能進一步降低.PAV老化時間小于5 h時，老化后混合料低溫彎曲應(yīng)變和殘留穩(wěn)定度已降至約老化前的80%.當(dāng)老化時間在5到15 h時，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料低溫彎曲應(yīng)變和殘留穩(wěn)定度已降至約老化前的60%.隨著老化時間增加，混合料性能持續(xù)下降.

2.3 FTIR分析

SBS改性瀝青RTFOT老化和PAV老化后FTIR分析結(jié)果見圖7.

圖7 SBS改性瀝青老化后FTIR分析結(jié)果

由圖7可知，經(jīng)RTFOT不同老化時間的SBS改性瀝青峰位和形狀與原樣瀝青基本相同，經(jīng)PAV不同老化時間的SBS改性瀝青峰位和形狀與初始RTFOT老化85 min的SBS改性瀝青基本相同.兩種老化模式下，老化時間越長，吸收峰強度越強.在1 698 cm-1處均出現(xiàn)了新的羰基吸收峰，該羰基吸收峰和1 032 cm-1處的亞砜基的吸收峰隨著老化程度的增加峰值明顯增強.966 cm-1處的丁二烯吸收峰老化后呈現(xiàn)不同程度的衰減.羰基和亞砜基可以反應(yīng)瀝青老化的進程，通過羰基和亞砜基含量的變化分析瀝青的老化進程.FTIR分析表明隨著老化時間增加，瀝青中羰基和亞砜基逐漸增多，丁二烯逐漸減少，瀝青老化程度加深.

2.4 基于老化后高溫流變性能的瀝青老化程度評價

上文研究了RTFOT老化和PAV老化后，瀝青車轍因子與老化時間之間的對應(yīng)關(guān)系，以及老化后瀝青混合料低溫彎曲應(yīng)變和殘留穩(wěn)定度隨老化時間的變化規(guī)律，可根據(jù)老化后高溫流變車轍因子判斷瀝青老化時間，再根據(jù)老化時間評估混合料性能和瀝青老化程度.因此可建立基于高溫流變性能的瀝青老化程度評價體系，見表4.

表4 基于高溫流變性能的瀝青老化程度評價體系

由表4可知，瀝青老化分為短期老化和長期老化兩種類型.根據(jù)老化時間不同，每種老化類型分為初級老化、中等老化和嚴(yán)重老化三個等級.短期老化類型初級老化等級，瀝青性能通常變化并不十分顯著，各性能指標(biāo)仍滿足要求，不影響正常使用；短期老化類型中等老化等級，混合料性能降低至老化前約80%水平，老化后瀝青是否繼續(xù)使用可根據(jù)瀝青性能、工程要求等具體情況確定；短期老化類型嚴(yán)重老化等級，混合料性能低于老化前的80%水平，老化后瀝青不建議繼續(xù)使用.長期老化初級老化等級混合料性能降低至老化前的約80%水平，類似于短期老化類型的中等老化等級，視具體情況確定老化后瀝青能否使用；長期老化中等和嚴(yán)重老化等級，混合料性能降低至老化前約60%水平或更低，老化后瀝青不能使用.

工程應(yīng)用中可根據(jù)瀝青老化過程和環(huán)境選擇老化類型，測試?yán)匣鬄r青的流變性能.根據(jù)流變指標(biāo)、測試溫度和老化時間的函數(shù)關(guān)系，推算出等價老化時間，根據(jù)等價老化時間判定老化等級，進一步分析確定老化后瀝青性能及能否繼續(xù)使用.

3 結(jié) 論

1) 基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青經(jīng)過RTFOT老化和PAV老化后，車轍因子增加.在測試范圍內(nèi)，老化時間越長，車轍因子增加越明顯.

2) 基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青經(jīng)過RTFOT老化和PAV老化后，不同測試溫度下老化后車轍因子與老化時間之間具有良好的相關(guān)關(guān)系.同時，不同溫度下車轍因子和老化時間回歸方程的系數(shù)與溫度之間亦具有較好的相關(guān)關(guān)系，從而建立了車轍因子、測試溫度和老化時間之間的函數(shù)關(guān)系.

3) 基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青經(jīng)過RTFOT老化和PAV老化后，瀝青混合料低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能降低.在測試范圍內(nèi)，老化時間越長，性能降低越明顯，從而建立了老化時間與混合料性能之間的關(guān)系.

4) 通過測試瀝青老化后車轍因子，根據(jù)車轍因子、測試溫度和老化時間之間的函數(shù)關(guān)系，可得到瀝青等價老化時間.再根據(jù)等價老化時間與性能的關(guān)系，可評價老化后瀝青及混合料性能和老化程度，從而建立了基于高溫流變性能的瀝青老化程度評價體系，達到基于流變指標(biāo)評價瀝青老化程度和性能的目的.

5) 基于流變指標(biāo)評價瀝青老化程度和性能是根據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)原理得到的統(tǒng)計分析規(guī)律，后期可通過更多工程實踐對該規(guī)律進行進一步驗證和完善.