基于RTFOT試驗(yàn)方法的瀝青老化性能研究

陳驚宇 武翔云

瀝青作為重要的交通建筑材料，其老化現(xiàn)象一直是尚未解決的一大難題。導(dǎo)致瀝青老化的因素有很多，比如交通荷載、溫度、紫外線、水分等，并且瀝青的老化是持續(xù)性的，在制作、運(yùn)輸過(guò)程以及施工過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生老化。道路瀝青主要的老化過(guò)程發(fā)生在路面交付使用之后，特別是面層瀝青，在車(chē)輪荷載和自然因素的共同作用下，瀝青材料性能衰減較為明顯。

1 瀝青室內(nèi)老化

為了縮短試驗(yàn)周期，并控制實(shí)驗(yàn)條件，達(dá)到滿意的試驗(yàn)效果，學(xué)者們提出了室內(nèi)模擬瀝青老化的試驗(yàn)。瀝青的模擬老化是通過(guò)控制室內(nèi)條件對(duì)瀝青在自然環(huán)境中的老化因素進(jìn)行模擬，并加速瀝青老化進(jìn)程，以便在較短的試驗(yàn)周期內(nèi)得到瀝青老化后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于這種方法是在室內(nèi)條件下進(jìn)行，試驗(yàn)者可根據(jù)研究目的設(shè)計(jì)所需要的實(shí)驗(yàn)條件，排除其余非研究條件的干擾。從目前研究資料和成果來(lái)看，室內(nèi)模擬老化試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)具有良好的規(guī)律性和重現(xiàn)性。

2 室內(nèi)老化與自然老化對(duì)照關(guān)系

栗培龍等人研究得出常見(jiàn)瀝青老化試驗(yàn)方法與瀝青在自然條件下老化的相互對(duì)照關(guān)系。瀝青RTFOT、PAV、60℃烘箱老化主要是由于瀝青發(fā)生了氧化反應(yīng)，瀝青經(jīng)RTFOT老化解熱85min、180min、360min之后的輕組分揮發(fā)（質(zhì)量變化）主要發(fā)生在初期，隨著老化程度加深，逐漸專(zhuān)戶(hù)額為一種吸氧反應(yīng)。

TRFOT是通過(guò)提高老化溫度或者反應(yīng)物濃度來(lái)加快瀝青老化進(jìn)程，RTFOT加熱時(shí)長(zhǎng)與路面使用自然條件下瀝青老化年限的對(duì)照關(guān)系如表1。

表1 瀝青老化時(shí)長(zhǎng)與實(shí)際服務(wù)年限之間的關(guān)系

3 RTFOT老化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用瀝青為韓國(guó)SK-70#瀝青，使用的老化設(shè)備為旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（如圖1），該設(shè)備能保持瀝青的加熱溫度為163±0.5℃，內(nèi)部有空氣噴嘴、溫控調(diào)節(jié)器和可旋轉(zhuǎn)鋼架。空氣噴嘴在鋼架最下方以4000mL/min±200mL/min的流速向烘箱內(nèi)部噴射熱空氣，為瀝青老化提供氧氣；可旋轉(zhuǎn)鋼架上有8個(gè)圓孔，可同時(shí)放置8個(gè)內(nèi)部直徑為31.75mm±1.5mm的盛樣瓶，每個(gè)盛樣瓶中課注入35g±0.5g瀝青以供老化。

參照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011）T0609-2011方法，將加熱時(shí)間分別設(shè)置為85min、180min、360min、600min進(jìn)行加熱老化，以模擬不同使用年限老化的道路瀝青。

試驗(yàn)前應(yīng)先將加熱烘箱預(yù)熱不小于16h，然后打開(kāi)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，設(shè)置計(jì)時(shí)時(shí)限為85min、180min、360min、600min，到達(dá)規(guī)定時(shí)限之后停止環(huán)形架轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉熱空氣噴射，立即逐個(gè)取出盛樣瓶，迅速將試樣倒入潔凈的容器中，以備后期試驗(yàn)使用。

3.2 瀝青指標(biāo)分析

通過(guò)對(duì)比瀝青基本指標(biāo)對(duì)瀝青老化程度和性能變化進(jìn)行評(píng)價(jià)，不同時(shí)長(zhǎng)RTFOT老化之后的瀝青性能測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 不同時(shí)間（RTFOT）老化后基本指標(biāo)結(jié)果

將表2瀝青老化后基本指標(biāo)變化結(jié)果分析得圖1。

圖1 老化后基本指標(biāo)隨著老化時(shí)間變化圖

從圖表中可以看出，隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)，瀝青延度和針入度降低，并且降低速率放緩，軟化點(diǎn)升高。瀝青軟化點(diǎn)隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加，說(shuō)明老化后的瀝青高溫穩(wěn)定性越來(lái)越好。針入度也是隨著老化加深而逐漸減小，在老化前期（從未老化到RTFOT加熱85min）針入度減少較多，而在老化后期（RTFOT加熱180～600min）針入度減少的差值逐漸減少。從表2中可以算出，針入度比不斷下降，這就說(shuō)明瀝青的老化程度不斷加深，但性能衰減的速率有所放緩。瀝青的延度隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)而明顯降低，并且呈現(xiàn)出差值變小的趨勢(shì)，這說(shuō)明隨著瀝青老化程度的加深，瀝青的低溫抗變形能力越來(lái)越差，老化初期時(shí)低溫抗變形能力衰減迅速，隨著老化程度加深，衰減速率逐漸減緩。綜合來(lái)講，瀝青的老化會(huì)導(dǎo)致其高溫性能有所提高，但是低溫性能明顯衰減，其衰減速率逐漸放緩。

3.3 瀝青組分分析

瀝青是原油經(jīng)過(guò)處理后的產(chǎn)物，其化學(xué)成分十分復(fù)雜，由很多復(fù)雜的碳?xì)浠衔锖吞細(xì)浠衔镅苌锘旌辖M成的，C和H元素的含量達(dá)到97%以上。從瀝青的構(gòu)成上來(lái)看，可以將其大致分為縮合芳香烴、碳?xì)浠衔铩h(huán)烷烴等有機(jī)化合物組成。鑒于瀝青的復(fù)雜構(gòu)成，想要將瀝青分離成單獨(dú)的化合物單體十分困難，目前的分析手段難以達(dá)到理想的效果，因此有常用的手段是將瀝青看做是四個(gè)組分構(gòu)成：瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分、飽和分。經(jīng)過(guò)對(duì)老化后的瀝青進(jìn)行組分分析，得出不同老化程度的瀝青四組分含量如表3。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，瀝青中的芳香分、飽和分含量逐漸減少，并且減少速率有逐漸放緩的趨勢(shì)。這是由于芳香分容易在熱氧環(huán)境下與瀝青中的環(huán)烷烴發(fā)生氧化反應(yīng)形成膠質(zhì)，而飽和分雖然性質(zhì)較為穩(wěn)定，但也會(huì)由于高溫逐漸揮發(fā)，但揮發(fā)量逐漸減少。從圖2中可以看出瀝青中的瀝青質(zhì)含量明顯增多，但是也會(huì)隨著老化程度加深而增量減少。這是由于瀝青中的其他成分會(huì)在熱氧環(huán)境下發(fā)生氧化反應(yīng)，逐漸形成膠質(zhì)，而膠質(zhì)逐漸聚合形成瀝青質(zhì)，導(dǎo)致瀝青質(zhì)含量增多。從以上分析可得知，瀝青膠質(zhì)的變化不僅與芳香分氧化形成膠質(zhì)的速率有關(guān)，還跟膠質(zhì)聚合形成瀝青質(zhì)的速率有關(guān)。綜上所述，瀝青的老化隨著時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致老化程度逐漸加深，但速率有逐漸放緩的趨勢(shì)。

表3 不同老化程度瀝青四組分分析結(jié)果

圖2 不同程度老化后瀝青組分變化

4 結(jié)論

瀝青的RTFOT室內(nèi)老化能較好的模擬瀝青在自然條件下的老化，試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)良好的規(guī)律性和重現(xiàn)性。室內(nèi)老化（RTFOT）能明顯加速瀝青老化進(jìn)程，從瀝青的基本指標(biāo)來(lái)看，延度、針入度減少最為明顯，從組分分析來(lái)看，瀝青質(zhì)的增加最為明顯。從而得出，瀝青老化會(huì)導(dǎo)致其低溫抗裂性能迅速衰減，瀝青的延展性變差，瀝青粘度明顯增大，這使得瀝青的疲勞壽命逐漸降低，但是其老化速率逐漸放緩。

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