基于CAM模型的紫外光老化后瀝青膠漿黏彈性參數(shù)演化研究

李子云， 王 輝， 謝祥兵， 王明偉

（1.鄭州市路通公路建設(shè)有限公司，鄭州 450007； 2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450046）

從復(fù)合材料角度來看，瀝青混合料是由具有黏彈性性能的瀝青膠漿和組成骨架結(jié)構(gòu)的集料構(gòu)成，其抗老化性能主要取決于瀝青膠漿，而瀝青膠漿是由瀝青、礦粉及兩者接觸過程中形成的界面相組成［1-2］. 與瀝青材料一樣，很多研究者認(rèn)為瀝青膠漿在路面服役過程中的老化形式主要有熱氧老化、光氧老化等，上述長期老化易導(dǎo)致瀝青膠漿勁度模量增大和黏附性降低，在行車荷載作用下加速瀝青路面開裂、松散等病害. 因此，開展紫外光輻照下瀝青膠漿黏彈性組分演化研究，揭示高原地區(qū)瀝青路面老化病害具有重要工程實(shí)踐意義，同時(shí)為研究高原地區(qū)長壽命瀝青路面奠定理論基礎(chǔ).

道路工作者對(duì)影響紫外光輻照下瀝青膠結(jié)料老化程度的內(nèi)外因素進(jìn)行廣泛研究，如老化溫度、光照強(qiáng)度、材料性能等［3-5］. 如吳少鵬等［5］、譚憶秋等［6］通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)確定出瀝青中的膠質(zhì)和芳香分是影響其紫外老化的主要因素，紫外光老化對(duì)瀝青流變性能影響最為顯著；魏榮梅等［7］通過室內(nèi)熒光紫外老化儀研究高彈改性瀝青老化前后的旋轉(zhuǎn)黏度和抗車轍因子，確定出在不同老化時(shí)間下高彈改性瀝青在第7 d時(shí)性能變化最為顯著；任小遇等［8］運(yùn)用1000 W高壓汞燈作為紫外輻照光源對(duì)SBS溫拌瀝青特征官能團(tuán)進(jìn)行表征，研究表明隨紫外光輻照時(shí)間延長，瀝青中亞砜基、丁二烯特征官能團(tuán)老化指數(shù)呈現(xiàn)相反演化規(guī)律. 此外，部分道路研究者開展填料對(duì)瀝青抗老化性能及機(jī)理研究，如謝祥兵［9］利用紅外光譜和凝膠色譜測(cè)試技術(shù)從物理化學(xué)角度闡釋了填料對(duì)瀝青抗紫外光老化機(jī)理；Liu等［10］評(píng)價(jià)了經(jīng)不同時(shí)間的旋轉(zhuǎn)薄膜老化后兩種基質(zhì)瀝青，與定量體積分?jǐn)?shù)填料間的交互作用能力，研究結(jié)果表明，隨老化程度加深，交互作用能力下降且速率逐漸加快；Huang和Zeng［11］研究瀝青膠漿經(jīng)不同PAV老化時(shí)間下的流變性能，通過老化主曲線表征填料對(duì)瀝青膠漿流變性能的影響，并運(yùn)用WLF方程建立評(píng)價(jià)瀝青膠漿老化效應(yīng)移位因子，研究結(jié)果顯示填料顆粒對(duì)瀝青剛度效應(yīng)隨老化時(shí)間延長逐漸降低.

綜上可知，紫外光輻照下瀝青路面老化病害的實(shí)質(zhì)是瀝青膠漿或?yàn)r青膠漿/集料界面處的微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通，乃至材料宏觀開裂失穩(wěn)的過程，影響這種演化進(jìn)程的一個(gè)重要因素就是瀝青膠漿內(nèi)部黏彈性組分之間性質(zhì)的差異，尤其在特殊區(qū)域環(huán)境特征下（強(qiáng)烈紫外光輻照、低溫等）. 因此，本文采用自制紫外光老化環(huán)境箱，運(yùn)用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）開展溫度掃描試驗(yàn)、頻率掃描試驗(yàn)，研究紫外光輻照下基質(zhì)瀝青膠漿和改性瀝青膠漿流變性能，同時(shí)結(jié)合CAM模型進(jìn)行瀝青膠漿黏彈性組分計(jì)算，分析老化后黏彈性成分演化規(guī)律，揭示填料對(duì)瀝青抗紫外光老化性能的力學(xué)行為特征.

1 瀝青膠漿制備及室內(nèi)紫外光老化試驗(yàn)

1.1 瀝青膠漿的制備

為分析紫外光照下瀝青膠漿流變性能，本文選取基質(zhì)瀝青AH-90 和SBS I-C 改性瀝青作為研究對(duì)象，礦粉為石灰?guī)r礦粉，上述材料基本性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1 和表2 所示.在瀝青膠漿制備過程中，將瀝青加熱至熔融狀態(tài)，加入在烘箱中保溫6 h 的礦粉，為保證瀝青和填料混合后的均勻性，采用DJJ-1型電動(dòng)攪拌器在165 ℃條件下攪拌20 min直至膠漿中無氣泡產(chǎn)生，轉(zhuǎn)速為2000 r/min，瀝青膠漿粉膠比值為1.0（質(zhì)量比）.

表1 基質(zhì)瀝青及其對(duì)應(yīng)改性瀝青基本性能Tab.1 Physical properties of base asphalt and modified asphalt

表2 礦粉粒徑分布Tab.2 Particle size distributions of mineral filler

1.2 室內(nèi)紫外光老化試驗(yàn)

選取高壓汞燈作為紫外光輻照光源［9］，自制室內(nèi)紫外光老化環(huán)境箱，如圖1所示. 通過ST-513專用紫外光輻照計(jì)測(cè)量試樣表面紫外光輻照強(qiáng)度為370 W/m2，環(huán)境箱溫度控制在35 ℃. 為確保紫外光老化環(huán)境箱內(nèi)相關(guān)設(shè)備的使用壽命，試驗(yàn)過程中紫外光老化環(huán)境箱每工作8.0 h關(guān)機(jī)休息20 min，根據(jù)高原地區(qū)年均紫外光輻照總量為296 MJ/m2，室內(nèi)紫外光輻照時(shí)間按照室內(nèi)外紫外光輻照總量相等原則確定［12］. 經(jīng)計(jì)算可知瀝青膠漿在紫外光老化環(huán)境箱老化1.0 h相當(dāng)于室外紫外光輻照時(shí)間39.4 h，室內(nèi)紫外輻照總量計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 紫外光輻照量模擬對(duì)比表Tab.3 Simulation comparison table of indoor ultraviolet radiation

圖1 紫外光老化環(huán)境箱Fig.1 UV light aging environment box

為加快試驗(yàn)進(jìn)程，根據(jù)課題組前期研究成果［2，9］，在滿足紫外光輻照總量相等的原則下，本項(xiàng)目對(duì)瀝青及其膠漿進(jìn)行24 h不間斷老化，室內(nèi)紫外光老化時(shí)間依次為2、4、6、8、10 d，其中瀝青及其膠漿室內(nèi)紫外光老化過程如圖2所示.

圖2 瀝青及膠漿老化流程Fig.2 Aging process of asphalt and asphalt mortar

1.3 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

本文采用奧地利Anton Paar 公司生產(chǎn)的MCR-102 型動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)紫外光輻照下基質(zhì)瀝青及其膠漿、改性瀝青及其膠漿分別進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)、頻率掃描試驗(yàn)，其中溫度掃描試驗(yàn)采取應(yīng)變控制模式，測(cè)試溫度范圍為5～40 ℃，固定頻率為1.59 Hz，在此基礎(chǔ)上分別進(jìn)行5、10、15、25、30 ℃下頻率掃描試驗(yàn)，加載頻率為0.1～10 Hz.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度掃描

中低溫環(huán)境下，瀝青材料中黏彈性成分含量決定著其力學(xué)性能，一定黏性成分的存在可以松弛掉瀝青材料內(nèi)部因溫度降低而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力. 為了探究不同紫外老化時(shí)間對(duì)瀝青材料力學(xué)性能的影響，分別對(duì)不同紫外老化時(shí)間下基質(zhì)瀝青AH-90、基質(zhì)瀝青膠漿、SBS I-C改性瀝青、SBS I-C改性瀝青膠漿進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 復(fù)數(shù)剪切模量、相位角隨溫度變化關(guān)系Fig.3 Relationship between complex modulus and phase angle changing with temperatures

由圖3（a）可知，與未老化試樣相比，紫外光輻照2、4、6、8、10 d 時(shí)的相位角最大減小幅度依次為0.9%、3.2%、5.9%、9.3%、12.7%，復(fù)數(shù)剪切模量最大增幅分別為1.6、2.0、3.7、4.9、8.0 倍，這說明隨紫外光輻照時(shí)間延長，相位角逐漸減小且減小幅度趨于穩(wěn)定，而復(fù)數(shù)剪切模量隨老化時(shí)間延長呈增大趨勢(shì). 由此可知，中低溫條件下紫外光老化使基質(zhì)瀝青AH-90 流動(dòng)性能變差，即瀝青中彈性成分增多，瀝青變硬變脆，低溫變形能力下降.

由圖3（b）可知，基質(zhì)瀝青膠漿隨老化時(shí)間延長，復(fù)數(shù)剪切模量增大、相位角減小，與未老化試樣相比，復(fù)數(shù)剪切模量分別增大0.5、0.7、0.9、2.1、2.6 倍，相位角分別減小4.0%、8.4%、11.8%、14.7%、17.9%. 相同溫度下，老化時(shí)間越長復(fù)數(shù)剪切模量越大、相位角越小，中低溫下紫外光老化后瀝青膠漿強(qiáng)度明顯提升，但黏性降低，易發(fā)生脆性破壞.

由圖3（c）可知，SBS I-C 改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量隨老化時(shí)間延長呈增大趨勢(shì)，相比未老化時(shí)分別增大0.4、0.5、0.9、1.3、1.8倍，且增大幅度要小于基質(zhì)瀝青，相位角隨輻照時(shí)間增加逐漸降低. 這主要是因?yàn)槔匣跗谧贤夤廨椪湛蓪?dǎo)致改性劑SBS中丁二烯鏈段不飽和鍵斷裂，SBS重組為小分子物質(zhì)，而提供彈性抗變形能力的丁二烯鏈段含量不斷減小. 結(jié)合已有研究成果［6，9］可知，改性瀝青老化過程是由改性瀝青中基質(zhì)瀝青成分與SBS改性劑綜合作用所決定，即老化初期階段SBS改性劑老化降解占據(jù)主導(dǎo)地位，以SBS改性劑為核心的骨架體系遭到破壞，瀝青流動(dòng)性增強(qiáng). 隨紫外光輻照時(shí)間延長，SBS改性劑老化降解逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)基質(zhì)瀝青成分老化占據(jù)主導(dǎo)地位，改性瀝青流動(dòng)性逐漸變差，黏性成分減少，相位角降低.

SBS I-C改性瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量、相位角演化如圖3（d）所示，中低溫條件下紫外光老化對(duì)其復(fù)數(shù)剪切模量影響有限，與未老化試樣相比，隨老化時(shí)間延長，復(fù)數(shù)剪切模量依次分別增大0.112、0.117、0.124、0.141、0.416倍，相位角分別減小0.7%、1.8%、3.4%、4.6%、5.0%，復(fù)數(shù)剪切模量及相位角增減程度均有限，這說明加入礦粉可有效提升改性瀝青抗紫外光老化性能.

2.2 頻率掃描

瀝青作為一種典型黏彈性材料，其力學(xué)行為受溫度和頻率影響，且在高溫低頻與低溫高頻下具有等效黏彈性性質(zhì)，符合時(shí)間-溫度等效原理. 為綜合分析不同紫外光輻照時(shí)間下對(duì)瀝青及其膠漿黏彈性性能影響，對(duì)上述四種瀝青膠漿老化試驗(yàn)樣品依次進(jìn)行5、10、15、25、30 ℃頻率掃描，通過式（1）WLF（Williams-Landel-Ferry）經(jīng)驗(yàn)方程［13］確定移位因子，結(jié)合時(shí)間-溫度等效原理將不同溫度下頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果移至參考溫度15 ℃，確定出更寬廣溫度和頻率下黏彈性力學(xué)行為，復(fù)數(shù)剪切模量主曲線見圖4，相位角主曲線見圖6.

圖4 各瀝青及膠漿復(fù)合剪切模量主曲線Fig.4 Master curves of composite shear modulus of each asphalt and its mortar

式中：αT為移位因子；T為試驗(yàn)溫度；T1為參考溫度；c1、c2為回歸系數(shù).

由圖4 瀝青及其膠漿復(fù)數(shù)剪切模量主曲線可知：瀝青及其膠漿復(fù)數(shù)剪切模量主曲線形態(tài)相似，均隨頻率增大而上升，相同頻率下隨紫外光輻照時(shí)間延長復(fù)數(shù)剪切模量呈不同程度增長. 比較圖4（a）基質(zhì)瀝青和圖4（c）改性瀝青可知，復(fù)數(shù)剪切模量隨老化程度加深變化顯著，寬頻域內(nèi)AH-90 基質(zhì)瀝青老化2、4、6、8、10 d 時(shí)復(fù)數(shù)剪切模量分別是未老化試樣的1.66、2.61、3.31、3.79、4.28倍，隨老化時(shí)間延長復(fù)數(shù)剪切模量增幅有所降低，改性瀝青在寬頻域內(nèi)老化2、4、6、8、10 d時(shí)復(fù)數(shù)剪切模量是未老化試樣的1.32、1.55、1.87、2.21、2.63倍. 與基質(zhì)瀝青相比，改性瀝青在老化前期階段復(fù)數(shù)剪切模量增長程度小于老化后期，這主要與改性瀝青組成有關(guān)，在老化初期階段SBS改性劑首先發(fā)生分解，分解后可形成包裹瀝青分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效抑制了瀝青分子中輕組分揮發(fā)速率［14］，隨紫外老化程度加深，瀝青中輕組分揮發(fā)速率加快，改性瀝青老化后期復(fù)數(shù)剪切模量增大幅度高于老化前期.

比較圖4（b）、圖4（d）基質(zhì)瀝青膠漿和改性瀝青膠漿，寬頻域內(nèi)AH-90 基質(zhì)瀝青膠漿老化2、4、6、8、10 d時(shí)復(fù)數(shù)剪切模量分別是未老化試樣的1.30、2.12、3.04、3.54、4.02倍，改性瀝青膠漿老化2、4、6、8、10 d時(shí)復(fù)數(shù)剪切模量分別是未老化試樣的1.20、1.47、1.76、2.15、2.55倍；與圖4（a）、圖4（c）比較可知，加入礦粉可延緩基質(zhì)瀝青、改性瀝青紫外光老化程度，填料-改性劑協(xié)同作用使改性瀝青紫外光老化程度明顯低于基質(zhì)瀝青，因此SBS I-C改性瀝青表現(xiàn)出較優(yōu)的抗紫外光老化性能.

在上述瀝青及其膠漿構(gòu)建復(fù)數(shù)剪切模量主曲線基礎(chǔ)上，為更好描述瀝青及其膠漿流變性能，選用改進(jìn)型CAM（Christensen-Andersen-Marasteanu model）流變模型［15-19］對(duì)寬頻率域內(nèi)各瀝青及其膠漿復(fù)數(shù)剪切模量主曲線進(jìn)行非線性擬合分析. 其復(fù)數(shù)剪切模量主曲線表達(dá)式見式（2），瀝青及其膠漿擬合曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖5，各參數(shù)擬合結(jié)果見表4.

圖5 各瀝青復(fù)合模量主曲線CAM模型擬合結(jié)果Fig.5 CAM model fitting results of master curves of composite modulus of various asphalts

式中：G*為復(fù)數(shù)剪切模量；f為對(duì)應(yīng)頻率為平衡態(tài)復(fù)數(shù)剪切模量，即f→0 時(shí)G*；為玻璃態(tài)復(fù)數(shù)剪切模量，即f→∞時(shí)G*值；fc為交叉頻率；k、me為形狀參數(shù)，比值與流變指標(biāo)RG有關(guān)，其表達(dá)式見式（3）.RG代表荷載頻率敏感系數(shù)，其值越大代表材料對(duì)荷載頻率敏感性程度越低，黏彈性材料從彈性行為向黏性行為過渡越平緩.

由圖5瀝青及其膠漿復(fù)數(shù)剪切模量主曲線CAM模型擬合結(jié)果及表4～表5擬合參數(shù)可知：CAM模型對(duì)基質(zhì)瀝青及其膠漿、改性瀝青及其膠漿復(fù)數(shù)剪切模量主曲線擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.99以上，該流變模型適用于瀝青及其膠漿紫外光老化前后流變性能分析，隨紫外光老化時(shí)間延長，流變參數(shù)me逐漸變小，這說明老化后瀝青及其膠漿感溫性降低. 根據(jù)CAM流變模型擬合所得參數(shù)可得出不同類型瀝青及其膠漿老化后玻璃態(tài)復(fù)數(shù)剪切模量隨紫外老化時(shí)間延長而增大，且改性瀝青膠漿＜基質(zhì)瀝青膠漿＜改性瀝青＜基質(zhì)瀝青，這說明摻入礦粉填料可有效改善紫外老化環(huán)境下瀝青抗老化能力，但降低抵抗低溫變形能力，平衡態(tài)復(fù)數(shù)剪切模量隨紫外光輻照時(shí)間延長而增加，且基質(zhì)瀝青＜改性瀝青＜基質(zhì)瀝青膠漿＜改性瀝青膠漿，這說明紫外老化可提升瀝青及其膠漿抵抗高溫變形能力. 另外，由擬合參數(shù)計(jì)算所得松弛譜寬度RG可準(zhǔn)確反映出黏彈性材料在彈性行為與黏性行為間轉(zhuǎn)化平緩程度，其值越大代表著轉(zhuǎn)化越平緩即黏彈性材料對(duì)荷載頻率敏感性越?。?0］. 各類型瀝青及其膠漿結(jié)合擬合數(shù)據(jù)可計(jì)算確定出松弛譜寬度RG的大小順序?yàn)椋焊男詾r青膠漿＞基質(zhì)瀝青膠漿＞改性瀝青＞基質(zhì)瀝青，再次證明摻入礦粉填料可有效改善紫外環(huán)境下瀝青材料對(duì)車輛、溫度荷載作用下的敏感性，有效改善瀝青材料黏彈性行為.

表4 基質(zhì)瀝青及其膠漿CAM模型擬合參數(shù)Tab.4 CAM model fitting parameters of base asphalt and its mortar

表5 改性瀝青及其膠漿CAM模型擬合參數(shù)Tab.5 CAM model fitting parameters of modified asphalt and its mortar

由圖6（a）、圖6（b）可得，與未老化試樣相比，寬頻域內(nèi)AH-90基質(zhì)瀝青老化2、4、6、8、10 d時(shí)的相位角分別下降1.6%、2.5%、7.5%、11.8%、14.6%，基質(zhì)瀝青膠漿老化2、4、6、8、10 d 時(shí)相位角分別下降1.2%、5.0%、10.2%、14.1%、16.3%，同時(shí)基質(zhì)瀝青膠漿在老化2、4、6、8、10 d 時(shí)相位角主曲線比基質(zhì)瀝青分別提升5.5%、2.4%、2.2%、1.8%、1.7%、1.6%. 這主要是由于紫外老化作用使瀝青及瀝青膠漿中芳香芬含量減少［21］，即黏性成分減少，瀝青及其膠漿隨紫外老化表現(xiàn)出易開裂性質(zhì)，而在瀝青中加入礦粉可阻礙紫外光輻照對(duì)瀝青分子的進(jìn)一步老化，同時(shí)礦粉還可將瀝青分子中軟瀝青質(zhì)吸附至自身孔隙，減少老化過程中輕組分揮發(fā)［22-23］，上述兩者共同作用說明添加礦粉后可有效降低瀝青紫外光老化程度.

圖6 各瀝青及膠漿相位角主曲線Fig.6 Master curves of phase angles of each asphalt and its mortar

由圖6（c）、圖6（d）可知：與未老化試樣相比，改性瀝青老化2、4、6、8、10 d 的相位角分別降低1.0%、1.9%、6.6%、10.9%、13.4%，改性瀝青膠漿老化2、4、6、8、10 d 的相位角分別下降0.8%、4.7%、6.4%、10.2%、11.1%，且改性瀝青在老化2、4、6、8、10 d 時(shí)相位角主曲線比基質(zhì)瀝青分別提升1.6%、3.9%、5.5%、11.4%、12.4%、13.2%，由此可知改性瀝青在SBS改性劑作用下能有效減緩老化程度，根據(jù)已有研究成果［2，9］，摻入礦粉可有效阻止SBS改性劑由于光氧化而發(fā)生降解，同時(shí)礦粉填料阻礙了芳香分向膠質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度，延緩了改性瀝青老化速率.

3 結(jié)論

本文以高原地區(qū)年均紫外光輻照強(qiáng)度為依據(jù)，采用室內(nèi)紫外光環(huán)境箱對(duì)基質(zhì)瀝青、改性瀝青及其膠漿進(jìn)行不同輻照時(shí)長老化試驗(yàn)，并對(duì)老化瀝青及其膠漿進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)、頻率掃描試驗(yàn)及黏彈性指標(biāo)分析得出以下主要結(jié)論：

1）隨紫外光輻照時(shí)間延長，瀝青及其膠漿復(fù)數(shù)剪切模量增大，相同輻照時(shí)間下改性瀝青及其膠漿復(fù)數(shù)剪切模量小于基質(zhì)瀝青及其膠漿.

2）紫外光輻照下兩類瀝青相位角參數(shù)演化規(guī)律較為復(fù)雜，整體表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，摻入礦粉后瀝青膠漿相位角隨輻照時(shí)間延長逐漸減小，黏性成分降低，易發(fā)生脆性破壞.

3）隨紫外光輻照時(shí)間延長，兩類瀝青及其膠漿復(fù)數(shù)剪切模量、相位角主曲線形態(tài)相似，改進(jìn)型CAM流變模型可用于分析瀝青膠漿紫外光老化力學(xué)行為，加入礦粉可有效降低紫外光輻照下瀝青材料內(nèi)部黏彈性成分轉(zhuǎn)化速率和溫度敏感性.