APAO改性瀝青老化性能研究

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.015

文章編號：1673-4874（2025）01-0054-04

0 引言

瀝青路面的服役性能受交通荷載、老化和氣候條件等因素的影響，瀝青老化對其理化性能有較大影響，老化瀝青在中低溫下更易出現(xiàn)開裂1。為更好地了解瀝青路面的材料特性，需要對瀝青在不同老化程度下的黏彈性進行研究，以此提高瀝青的抗老化性能[2-3]。非晶態(tài)聚 α 烯烴（APAO）是一種由丙烯和乙烯聚合而成的低分子量非晶態(tài)共聚物，也是一種高韌抗氧、耐酸堿的白色固體材料，具有提高瀝青抗老化性能的潛力[4-5]。與 SBS改性瀝青相比，APAO改性瀝青的制備工藝更簡單，且生產(chǎn)成本更低。目前，已有許多研究將APAO用于改善瀝青及其混合料的路用性能，研究表明APAO可以顯著提高瀝青的高溫穩(wěn)定性，還可降低瀝青的溫度敏感性，而對APAO改性瀝青老化性能的研究仍然不足[7-9]。

因此，本文目的是研究APAO改性瀝青的老化特性，制備不同APAO摻量下（基質(zhì)瀝青質(zhì)量的 2%4%.6% 和8% ）的APAO改性瀝青；采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFO）試驗模擬瀝青的短期老化，即模擬瀝青混合料拌和、攤鋪和壓實過程，在這一過程中高溫和瀝青混合料與氧氣的接觸，瀝青會發(fā)生短期老化；采用壓力老化儀（PAV）試驗來模擬瀝青的長期老化，即在瀝青路面施工和服役過程中，瀝青混合料發(fā)生熱氧反應導致瀝青的長期老化。在不同老化程度下測試APAO改性瀝青的黏度、車轍因子、蠕變勁度、基指數(shù)和亞礬基指數(shù)，系統(tǒng)分析APAO對瀝青老化性能的影響。

原材料與試驗方法

1.1 原材料

選擇""A級道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其主要測試指標如表1所示，改性劑使用的是2385型APAO，其主要測試指標如表2所示。

1.2 改性瀝青制備

APAO改性瀝青的制備過程：將基質(zhì)瀝青置于金屬容器中預熱到165℃左右，隨后將四種不同摻量（基質(zhì)瀝青質(zhì)量的 2%、4%、6%和8% ）的APAO分別與熔融態(tài)的基質(zhì)瀝青混合，用機械攪拌儀器以2000r/min的速度進行攪拌，加熱溫度保持在165℃左右，攪拌60min以得到APAO改性瀝青。APAO改性瀝青的制備過程如圖1所示，基質(zhì)瀝青也采用相同制備方法處理。

1.3 試驗方法

根據(jù)規(guī)范ASTMD2171，采用Brookfield黏度計測試不同老化程度下APAO改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度，試驗溫度

設(shè)置為135""、150℃和165℃"。測量在不同溫度和不同老化程度下APAO改性瀝青的黏度值變化，并進行老化性能分析，如式（1）所示：

式中：""—老化后黏度值；

V unaged 老化前黏度值。

采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）測試不同老化程度下的APAO改性瀝青。DSR采用溫度掃描模式，以10rad/s的固定頻率進行，未老化和短期老化瀝青的應變水平為10% ，長期老化瀝青的應變水平為 1% ，試驗溫度為"，升溫速率為""，得到不同老化程度下的車轍因子來表征瀝青的老化性能，如式（2）所示：

式中：""——老化后車轍因子；

"老化前車轍因子。

彎曲梁流變儀（BBR）通常用于評價瀝青的低溫抗裂性能，蠕變勁度是BBR的評價指標，其為在一定時間和溫度下的應力與總應變之比，對APAO改性瀝青進行BBR試驗，試驗溫度分別為""和-18℃，得到不同老化程度下的蠕變勁度來表征老化性能，如式（3）所示：

式中：""———老化后蠕變勁度；

S unaged 老化前蠕變勁度。

瀝青材料的老化是一個逐漸氧化的過程，因此含氧官能團的吸收峰可用來研究瀝青老化過程中化學結(jié)構(gòu)的變化。采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）試驗分析APAO改性瀝青的化學組分，以壓片法制備FTIR瀝青試樣，選擇基指數(shù)（ C O A I） 和亞礬基指數(shù)（ S O A I） 來評價APAO改性瀝青的老化性能，如式（4）和式（5）所示。C O A I 和 S O A I 均與瀝青老化程度高度相關(guān)，且數(shù)值越低，瀝青的抗老化程度越低。

式中：""的峰區(qū)

面積；"的峰區(qū)面積；"的峰區(qū)面積。

2試驗結(jié)果與分析

2.1黏度老化指標

不同老化程度下APAO改性瀝青的黏度老化指標（VAI）試驗結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可知，隨著測試溫度的增加，APAO改性瀝青的VAI值降低，即溫度的增加使得瀝青軟化從而降低了瀝青的VAI值。此外，還可以發(fā)現(xiàn)在相同溫度下，隨著APAO摻量的增加，APAO改性瀝青的VAI值有所下降，說明APAO改善了瀝青的抗老化性能。APAO的摻量從 6% 增至 8% 的情況下，瀝青的VAI值下降幅度不大，這說明還需要控制APAO摻量，不能一味增加APAO摻量來改善瀝青老化性能。

2.2 DSR老化指標

不同老化程度下APAO改性瀝青的DSR老化指標試驗結(jié)果如圖4和圖5所示，根據(jù)老化前后車轍因子的變化程度，即RAI來表征老化后瀝青的高溫穩(wěn)定性變化。由圖4和圖5可知，與黏度老化試驗結(jié)果相似，隨著溫度的增加，APAO改性瀝青的 R A I 值下降。同時，長期老化后的APAO改性瀝青，其車轍因子比短期老化的更高，且瀝青的 R A I 有明顯增加，這說明老化程度越深，瀝青的抗老化性能越差。與基質(zhì)瀝青相比，APAO改性瀝青的 R A I 值更低，且隨著APAO摻量的增加，瀝青的R A I 值不斷降低，說明APAO能明顯改善瀝青的老化高溫穩(wěn)定性，這是因為APAO能有效減緩瀝青熱氧老化的進程，阻止瀝青中油分的散失，減緩老化硬化的過程。

2.3 BBR老化指標

不同老化程度下，APAO改性瀝青BBR老化指標試驗結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知，在不同測試溫度下，APAO改性瀝青的蠕變勁度 （S A I） 均較基質(zhì)瀝青有所降低。一般來說，SAI值越小，瀝青的低溫柔韌性越好，APAO的加入降低了瀝青的應力分散能力，提高了其低溫柔韌性。同時還可發(fā)現(xiàn)，隨著測試溫度的增加，APAO改性瀝青的 S A I 值降低，這也驗證了氣溫越低，瀝青低溫開裂風險越大的實際情況。與短期老化相比，長期老化后瀝青的 S A I 值有明顯增加，這是因為熱氧老化會使瀝青極性組分含量下降，導致瀝青難以產(chǎn)生蠕變變形，從而發(fā)生脆性變形斷裂。與基質(zhì)瀝青相比，在相同溫度下，APAO改性瀝青的SAI值更低，說明APAO有助于改善瀝青的低溫抗老化性能。

2.4FTIR老化指標

在不同老化條件下，APAO改性瀝青的FTIR老化指標試驗結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，經(jīng)長期老化后，不同摻量下APAO改性瀝青的基指數(shù)SOAI和亞礬基指數(shù) C O A I 均有明顯提高。與基質(zhì)瀝青相比，APAO改性瀝青的 S O A I 和 C O A I 均更低，這說明在相同老化程度下，與基質(zhì)瀝青相比，APAO改性瀝青的老化程度較低，這表明APAO可以提高瀝青的耐老化性能。

2.5老化指標關(guān)系模型

根據(jù)上述宏觀流變老化指標和微觀老化指標試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)與基質(zhì)瀝青相比，APAO改性瀝青的抗老化性能更佳，而流變與微觀二者間的老化模型還有待進一步分析。因此，綜合考慮炭基指數(shù)和亞礬基指數(shù)，采用FTIR老化指數(shù) F A I 來反映FTIR老化指標，如式（6）所示：

式中： （C O A I+S O A I） a g e d 老化后的指標總和；"老化前的指標總和。

將圖8和圖9數(shù)據(jù)代入式（6），對短期老化和長期老化的APAO改性瀝青進行化學老化指數(shù) F A I 計算，將不同摻量下APAO改性瀝青的 R A I 和 S A I ，與其 F A I 進行線性擬合，結(jié)果分別如圖10、圖11所示。由圖10和圖11可知， D S R 試驗的高溫老化指標 R A I 與BBR試驗的低溫老化指標 S A I ，均與FTIR老化指數(shù) F A I 具備較好的線性關(guān)系。

3結(jié)語

（1）瀝青流變老化試驗結(jié)果表明，與基質(zhì)瀝青相比，APAO改性瀝青在短期和長期老化過程中均表現(xiàn)出較低的"值，這說明APAO的加入降低了瀝青的流變老化指標，改善了瀝青在高溫或低溫下的抗老化性能。

（2）瀝青微觀老化試驗結(jié)果表明，不論是短期老化或長期老化，APAO改性瀝青的基指數(shù)和亞礬基指數(shù)更低，與瀝青流變老化試驗結(jié)果一致。在微觀角度，APAO的加入也改善了瀝青的抗老化性能，且宏觀流變老化指標和微觀老化指標結(jié)果存在強相關(guān)性。

（3）APAO是理想的瀝青抗老化劑，可用于改善道路石油瀝青的耐久性，而不同類型的APAO對不同類型的瀝青的性能影響還有待驗證。

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收稿日期：2024-07-26