環(huán)境因素對(duì)橡膠瀝青性能的影響研究

為了探究降雨和光照等環(huán)境因素對(duì)橡膠瀝青性能的影響，文章通過不同環(huán)境條件對(duì)橡膠瀝青的影響模擬，采用延度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、凝膠色譜試驗(yàn)進(jìn)行影響前后性能評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，水/光對(duì)橡膠瀝青影響趨勢(shì)相同，軟化點(diǎn)、車轍因子增加，延度、相位角減少，降雨及光照會(huì)加速橡膠瀝青的老化，但長(zhǎng)時(shí)間光照會(huì)使瀝青表面形成薄膜，減小后續(xù)光照的影響。

橡膠瀝青；降雨；光照；性能

U416.03A230724

作者簡(jiǎn)介：

閆" 偉（1987—），工程師，主要從事道路、橋梁、隧道檢測(cè)工作。

0" 引言

作為暴露在野外的基礎(chǔ)設(shè)施，公路尤其是瀝青路面使用性能受環(huán)境的影響顯著，但相關(guān)研究中多著眼于瀝青的熱老化等。在我國南方地區(qū)，存在降雨頻發(fā)和光照強(qiáng)烈的情況，探究降雨及光照對(duì)瀝青性能影響，對(duì)提高瀝青路面使用性能具有重要意義。在綠色、低碳背景下，橡膠改性瀝青近年來得到了較為廣泛的應(yīng)用，本文以此作為研究對(duì)象，以提高研究成果的針對(duì)性［1-3］。

肖鵬等［4］通過改變水分的作用階段和使用量，研究了變化的水對(duì)性能的影響方式和對(duì)環(huán)境因素影響后橡膠瀝青性能的影響，結(jié)果表明水分可加速橡膠瀝青的熱氧環(huán)境因素影響進(jìn)程。念騰飛等［5］聯(lián)合傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）檢測(cè)技術(shù)，研究得出了不同凍融循環(huán)次數(shù)下，瀝青復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度增高呈負(fù)線性增加，相位角隨溫度升高呈線性增加，抗車轍因子隨溫度升高呈指數(shù)減少，而后利用掃描電子顯微鏡（SEM）從微觀形貌上解釋了凍融前后瀝青結(jié)構(gòu)的變化。Xie等［6］通過環(huán)境因素和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)深入研究了紫外線，氧化和水組合環(huán)境因素影響對(duì)橡膠多空隙混合物（PEM）的負(fù)面影響。Shen等［7］采用美國佐治亞州瀝青環(huán)境因素影響設(shè)備（GAWD）模擬在紫外線、水分和溫度的組合環(huán)境條件下，經(jīng)干法和濕法處理后的橡膠瀝青混合料性能。由此可知，業(yè)界廣泛關(guān)注環(huán)境條件對(duì)瀝青性能的影響，并開展了大量相關(guān)研究，但針對(duì)橡膠瀝青特征，著眼于南方濕熱地區(qū)的降雨和光照特征，相關(guān)研究仍需深化，為此，本文對(duì)此開展相關(guān)工作，以期把握降雨及光照等環(huán)境因素對(duì)橡膠瀝青性能影響特征及機(jī)理，為該地區(qū)路面建設(shè)提供技術(shù)支持。

1" 原材料及試驗(yàn)方法

1.1" 原材料

本文所用橡膠瀝青為自制，選用70#A級(jí)基質(zhì)瀝青、40目橡膠粉、白色增稠劑T1與黑色穩(wěn)定劑T2。采用上海昂尼儀器儀表有限公司產(chǎn)AE300L-P型實(shí)驗(yàn)室剪切乳化機(jī)，剪切速率5 000 r/min、剪切時(shí)間60 min，控制試驗(yàn)溫度在150 ℃±5 ℃。

1.2" 試驗(yàn)方法

1.2.1" 水對(duì)瀝青影響室內(nèi)加速模擬方法

水對(duì)性能影響參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中關(guān)于瀝青混合料凍融劈裂規(guī)定，1次凍融循環(huán)時(shí)間為：-18 ℃的冰箱16 h，60 ℃水浴箱中8 h，累計(jì)24 h，分別凍融循環(huán)3次、6次。

1.2.2" 光對(duì)瀝青影響室內(nèi)加速模擬方法

采用將室外紫外線輻射總有效時(shí)間轉(zhuǎn)化成環(huán)境因素紫外線輻射總有效時(shí)間的換算方法。將瀝青裝在杯蓋中，進(jìn)行光照直射，本試驗(yàn)采用室溫下30.5 h、61.1 h、91.6 h的光照照射時(shí)間，以研究南方地區(qū)環(huán)境因素影響3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月的實(shí)際紫外線輻射量。

1.2.3" 延度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）中T0605、T0606試驗(yàn)方法，對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行延度（5 ℃）及軟化點(diǎn)試驗(yàn)。

1.2.4" DSR試驗(yàn)

本研究利用英國Malvern公司BolinADSCVO-100型瀝青動(dòng)態(tài)流變剪切儀（DSR）試驗(yàn)儀器進(jìn)行溫度掃描測(cè)試，采用直徑為25 mm的振蕩板，加載頻率為10 rad/s，選取溫度區(qū)間為46 ℃～82 ℃，間隔6 ℃。采用車轍因子（G*/sinδ）及相位角（δ）指標(biāo)來研究高溫條件下不同環(huán)境因素影響條件對(duì)橡膠瀝青的高溫性能影響。

1.2.5" GPC試驗(yàn)

本研究所用的凝膠滲析色譜儀型號(hào)為PL-GPC50，由英國Agilent Technologits生產(chǎn)，將溶液的流速控制在1.0 mL/min，控溫設(shè)備的溫度為40 ℃。采用常見的大分子含量（LMS）、分散度（D）以及吸收峰峰值分子量（Mp）三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行性態(tài)表征。

2" 水對(duì)橡膠瀝青性能的影響

為探究水對(duì)橡膠瀝青的影響，對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行凍融循環(huán)，對(duì)比未處理試樣，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。由圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，橡膠瀝青表面孔洞數(shù)量明顯增多。根據(jù)菲克定律［8-9］，在凍融循環(huán)下，瀝青和水接觸的表面和內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的濃度梯度力促使水進(jìn)入瀝青空隙中，導(dǎo)致瀝青內(nèi)部水溶性物質(zhì)即親水基團(tuán)被水溶解，進(jìn)而引起瀝青物料組成比例發(fā)生變化。

2.1" 延度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)

由圖2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，橡膠瀝青軟化點(diǎn)逐漸增大，延度逐漸減小，較前期變化幅度更明顯。原因是：隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加羧酸、脂肪胺和脂類等親水基團(tuán)和水溶性化合物逐漸溶于水［10］，剩余含量逐漸減低，從而造成瀝青質(zhì)增多［11］，宏觀上表現(xiàn)為軟化點(diǎn)升高，延度下降。

環(huán)境因素對(duì)橡膠瀝青性能的影響研究/閆" 偉，李云隆，袁" 鵬

2.2" DSR試驗(yàn)

（1）由圖3可知，橡膠瀝青車轍因子隨溫度升高而呈指數(shù)規(guī)律降低，且經(jīng)凍融后，瀝青抗車轍因子對(duì)溫度的敏感性增強(qiáng)，表現(xiàn)為曲線斜率更為明顯，同時(shí)相同測(cè)試溫度時(shí)橡膠瀝青抗車轍因子也隨凍融次數(shù)增加而增大。

（2）由圖4可知，橡膠瀝青相位角隨溫度升高而升高，且凍融后相位角對(duì)溫度的敏感性增強(qiáng)，同時(shí)相同溫度橡膠瀝青相位角隨凍融次數(shù)增加而增大，即瀝青表現(xiàn)出更強(qiáng)的黏性特征。

2.3" GPC試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果色譜圖如圖5所示。不同凍融循環(huán)次數(shù)的橡膠瀝青GPC試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

（1）由表1可知，橡膠瀝青Mp隨水對(duì)性能影響程度的加深而增大，3次、6次凍融循環(huán)后橡膠瀝青MP提高了6.8%和9.6%。這說明隨著水對(duì)性能影響程度加深橡膠瀝青分子量大的組分所占的比例增加，而分子量小的組分比例相對(duì)減小。這使得分子間的作用力變大，宏觀上改善了凍融循環(huán)后的橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性［12］。

（2）橡膠瀝青D隨水對(duì)性能影響程度的加深而增大，3次、6次凍融循環(huán)后橡膠瀝青D分別增大6.1%和9.5%，則集中在某一區(qū)間的分子量將較少。假如分子量在水平上發(fā)生相態(tài)的變化的溫度區(qū)間重合與瀝青聚集態(tài)的組分發(fā)生轉(zhuǎn)變的區(qū)間［13］，依照此原理，凍融循環(huán)次數(shù)較多的瀝青吸熱會(huì)相對(duì)少一些，宏觀上看，溫度敏感性更低。

（3）由下頁圖6可知，水對(duì)性能影響橡膠瀝青LMS與其軟化點(diǎn)和延度均具有較強(qiáng)的線性關(guān)系。橡膠瀝青的軟化點(diǎn)以及延度與其LMS線性相關(guān)系數(shù)分別為0.973 8和0.988 3。這是因?yàn)闉r青水對(duì)性能影響后的分子尺寸分布有較大的改變，大分子量的組分含量越多，橡膠瀝青的分子間的作用越大，則宏觀上表現(xiàn)為軟化點(diǎn)升高，延度下降［14-15］。隨著水對(duì)性能影響程度的加深，橡膠瀝青高溫、低溫性能分別得到提升與降低。

3" 光對(duì)橡膠瀝青性能的影響

光輻射強(qiáng)度及光照時(shí)間是影響紫外光對(duì)性能影響速度的主要因素，光輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，光照時(shí)間越長(zhǎng)，瀝青性能衰減的速度越快。為探究光照時(shí)間對(duì)橡膠瀝青的影響，對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行不同時(shí)間的光照，對(duì)比未處理試樣，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。由圖7可見，橡膠瀝青表面受光照后，出現(xiàn)了一層油膜。原因是橡膠瀝青受紫外線照射時(shí)，瀝青質(zhì)含量增加，芳香分和飽和分含量減少，這使得橡膠瀝青的軟化點(diǎn)不斷升高，但由于光照射間的延長(zhǎng)，瀝青表層受光作用碳化起皮抑制了紫外線進(jìn)入試樣內(nèi)，從而降低了光對(duì)膜下瀝青的影響作用［16］。

3.1" 延度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)

（1）由圖8可知，隨著光照時(shí)間增加，橡膠瀝青軟化點(diǎn)增大，但前期變化幅度更大，原因是長(zhǎng)時(shí)間光照表面形成的油膜阻擋。

（2）橡膠瀝青5 ℃延度隨著光照時(shí)間的增加而減小。隨著光照時(shí)間延長(zhǎng)，膠質(zhì)、芬香分含量減少，因此瀝青的延度一直降低。有研究從紅外光譜圖來看發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青環(huán)境因素影響12個(gè)月以后不再繼續(xù)環(huán)境因素影響［17］，故延度隨著光照時(shí)間延長(zhǎng)未出現(xiàn)幅度明顯減小的現(xiàn)象。

3.2" DSR試驗(yàn)

（1）由圖9可知，橡膠瀝青抗車轍因子隨溫度升高而呈指數(shù)規(guī)律降低，隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)，0～30.5 h與61.1～91.6 h兩個(gè)階段抗車轍因子變化比30.5～61.1 h更明顯，說明表面瀝青膜對(duì)光照的抑制存在界限，具體還需通過試驗(yàn)說明。

（2）由圖10可知，橡膠瀝青相位角隨光照射間的延長(zhǎng)而增大。光照時(shí)間為0～30.5 h的溫度敏感性明顯變化，說明表面形成的瀝青薄膜對(duì)阻擋紫外輻射進(jìn)入有作用。同時(shí)，相同溫度橡膠瀝青相位角隨凍融次數(shù)增加而增大，即瀝青表現(xiàn)出更強(qiáng)的黏性特征。

3.3" GPC試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果色譜圖如圖11所示。

（1）由表2可知，橡膠瀝青Mp隨光對(duì)性能影響程度的加深而增加，3次、6次凍融循環(huán)后，橡膠瀝青MP分別提高了3.37%、8.21%和12.7%。

（2）橡膠瀝青的D隨光對(duì)性能影響程度的加深而增大，3次、6次凍融循環(huán)后橡膠瀝青D分別增大11%、13%和16%。

（3）由圖12可知，光照后橡膠瀝青LMS與其軟化點(diǎn)和延度具有良好的相關(guān)性。橡膠瀝青的軟化點(diǎn)以及延度與其LMS線性相關(guān)系數(shù)分別為0.874 7和0.977 2。

4" 結(jié)語

（1）通過常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，橡膠瀝青表面孔洞數(shù)量明顯增多且后期變化幅度更明顯。隨著光照時(shí)間增加，橡膠瀝青軟化點(diǎn)增大，且前期變化幅度更大，而延度隨著光照時(shí)間的增加而減小。

（2）通過DSR試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水與光對(duì)橡膠瀝青車轍因子與相位角影響趨勢(shì)相同，車轍因子隨試驗(yàn)溫度升高而降低，相位角隨溫度的升高呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

（3）通過GPC試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水與光對(duì)橡膠瀝青Mp和D值隨光對(duì)性能影響程度加深而增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)水與光對(duì)性能影響橡膠瀝青LMS與其軟化點(diǎn)和延度具有良好的相關(guān)性。

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20240419