多重因素作用下瀝青老化性能研究

劉香香，賈曉東

(1.重慶工程學院 土木工程學院，重慶 400020；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074)

道路用瀝青大部分都是改性瀝青，主要有SBS改性瀝青以及膠粉改性瀝青等[1-3]，然而瀝青在使用中最主要的問題在于老化，尤其在高海拔地區鋪筑1年左右即發生以龜裂和縱向裂縫為主的損傷，嚴重地段發生結構層的破壞[4]，主要由于受到強烈的紫外線照射以及溫度光照等影響使得改性瀝青結構發生老化，影響工作特性[5]。因此，研究瀝青在多重因素作用下的老化性能變化具有重要的實際意義。

楊震等[6]研究表明,老化會導致基質瀝青內部氧元素含量大幅增加，同時老化會促進基質瀝青相對分子質量分布整體往大分子方向移動，重均相對分子質量得到顯著提高。臧芝樹等[7]揭示熱氧化老化、紫外線老化對瀝青延度變化影響最大，這也是導致路面開裂的主要原因。

本實驗基于光照水分等多重因素，模擬實際環境情況,研究瀝青老化的機理以及老化后的低溫和高溫性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

70#瀝青，其性質見表1。

表1 基質瀝青性質Table 1 Properties of asphalt

KDM-408多功能電熱套；AZ-450老化箱；SYD-0620瀝青動力粘度計；DHR-2動態剪切流變儀；TAI-8420型溫度測量儀；SYD-2801E針入度儀；SYD-2806E全自動瀝青軟化點儀；SY-2B恒溫雙速瀝青延伸儀；HBDV布氏旋轉粘度計；DSC214-28差示掃描量熱儀。

1.2 實驗方法

利用加熱套控溫130 ℃，將盛放瀝青的燒杯加熱使其呈流動狀態，倒置在耐高溫陶瓷碟中，成型厚度(2±0.2)mm，利用體積法計算(所用瀝青量=π×r2×d，其中r為圓盤半徑，d為最終成型的厚度)；實驗設置老化箱體溫度為80 ℃，相對濕度控制65%，老化箱體內部上方有噴水淋頭，通過泵送水進入老化箱體，在紫外線的照射下，同時箱體溫度較高，會激發水蒸氣，水體蒸發以及輕微分解氧氣，同時氧氣在高強紫外作用下形成臭氧，增加瀝青老化的多重因素；同時每隔3 h在樣品表面噴撒上少許水，等待水分蒸發后，用玻璃棒攪拌瀝青試樣，使其均勻老化。分別老化0，40，80 h，用來模擬實際瀝青路面中瀝青在復雜環境的老化。老化后的瀝青進行儀器檢測和測試分析。

1.3 檢測方法

1.3.1 傅里葉紅外光譜儀測定 KBr壓片(樣品與溴化鉀比例1∶1 000)，儀器分辨率0.2 cm-1，掃描次數16次/s，掃描范圍400～4 000 cm-1，分別測試瀝青老化前后的微觀變化，同時測試老化80 h后瀝青的四組分變化。

1.3.2 DSR測定 多重應力蠕變掃描，樣品φ25 mm×1 mm，溫度設定60 ℃，應力設定0.1 kPa，加載1 s，卸載9 s，保溫停留時間300 s，循環周20個，角頻率設定10%。

1.3.3 DSC測定 樣品(5.0±0.1)mg，溫度變化-50～50 ℃，升溫速率10 ℃/min，流動態氣體氛圍保護為氮氣。

2 結果與討論

2.1 傅里葉紅外光譜分析

老化瀝青的紅外光譜見圖1。

圖1 瀝青老化前后的紅外譜圖Fig.1 Asphalt before and after aging

2.2 低溫脆段分析

利用DSC分析瀝青的玻璃化轉變溫度，分析瀝青老化前后低溫性能，結果見圖2。

對于基質瀝青，在(a)圖中選取0 ℃以上某點做切線，同時選小于-20 ℃某點做切線，其中兩個切線對應的溫差應小于30 ℃，這樣出來的玻璃化轉變溫度交點有且僅有一個，否則做出的圖形有多個交點，不能準確定位玻璃化轉變溫度；依據圖(a)中的數學方法，在圖(b)直接標出瀝青的玻璃化轉變溫度。從圖2(a)和(b)可以看出，隨著老化時間的增加，瀝青的玻璃化轉變溫度逐漸增加，當老化至80 h時，玻璃化轉變溫度提高39.77%。根據文獻[8]，在瀝青的PG分級中，低溫工作狀態越低，其低溫性能越好，溫感性較低；低溫工作狀態對應的溫度越高，其低溫性能較差，瀝青容易在較高溫度發生脆段；而一般瀝青在-15 ℃以下時，就滿足相應的低溫性能要求。從圖中可以看出，老化反映了瀝青中組分的改變，加劇瀝青變硬變脆，低溫性能明顯降低。K值時反映出瀝青在從玻璃態轉變成粘彈態時所產生的熱量，其值非常小，可忽略，即瀝青的“相態”發生變化時，瀝青吸熱和放熱較少，最終材料老化性能變異性與相態的反復變化無相關性。

圖2 基質瀝青DSC譜圖(a)和老化瀝青DSC譜圖(b)Fig.2 DSC spectrum of matrix asphalt(a) and aging asphalt(b)

2.3 應力蠕變分析

在 SHARP計劃早期，常用車轍因子G*/sinδ來評價瀝青膠結料高溫抗永久變形能力，在此后試驗中人們發現車轍因子對基質瀝青的高溫性能評價效果，但對改性瀝青以及老化瀝青的評價不準確。利用應力蠕變恢復試驗(SCRRT)能夠更好地評價老化瀝青的高溫性能，更好的反映不同老化程度的瀝青的粘彈恢復能力[9]。

圖3 老化瀝青蠕變與恢復典型過程Fig.3 Typical creep and recovery process of aging asphalt

如圖3所示，選取蠕變的一個周期，每個周期作用力持續時間為10 s，其中包括1 s蠕變階段和9 s恢復階段。使用恢復率評價膠結料延遲粘彈性響應，不可恢復蠕變柔量來評價膠結料抗永久變形能力。

時間(t)、切應變(γ)、剪應力(τ)通過實驗所得，不可恢復蠕變柔量Jnr，恢復率γrec通過計算所得。 每個蠕變周期結束時應變值校正：

γ1=γc-γ0

(1)

式中，γ1為每個蠕變階段結束時應變校正值，γc為每個周期蠕變結束時應變值(結束時1 s所對應的值)，γ0為每個周期蠕變階段初始時應變值(即開始0 s的值)。

每個周期恢復率：

γrec=100×(γ1-γ10)/γ1

(2)

式中，γrec為每個周期恢復率，γ10為恢復階段結束時應變校正(10 s時對應的值)，其計算如下：

γ10=γr-γ0

(3)

式中，γr為每個階段恢復結束時應變值(即10 s時所對應的值)。 將(1)和(3)帶入(2)，可得每個周期恢復率：

γrec=100×(γc-γr)/(γc-γ0)

(4)

因此，10個周期作用下平均恢復率為：

(5)

不可恢復蠕變柔量計算公式為：

Jnr=γ10/τ

(6)

平均不可恢復蠕變柔量計算公式為：

(7)

參照AASHTO TP 70-07，進行20個周期的蠕變恢復試驗，結果見圖4。

圖4 瀝青老化前后動態蠕變實驗譜圖Fig.4 Experimental spectral diagram of dynamic creep of asphalt before and after aging

由圖4可知，蠕變循環加載20次，在0.1 kPa應力水平作用下，瀝青的應變隨著加載時間的增加而增大；隨著老化程度加深，瀝青的應變隨著加載時間的增加而較小；在10個周期以內時，老化80 h以及老化40 h的瀝青的應變相比基質瀝青的應變小3～4個數量級；當繼續加載卸載，老化40 h和80 h的老化瀝青的應變從而迅速增加，而基質瀝青的則無限增大即不能完全恢復到未受力的狀態，可以看出基質瀝青已經發生不可逆轉的蠕變；而老化40 h和80 h的瀝青的應力則開始較10個周期之前顯著變化，主要因為瀝青在長時間的加載卸載作用下，瀝青的“粘彈性”發揮了主要作用，當達到11個周期時，由于之前的加載卸載對瀝青“做功”產生熱量達到峰值，使得瀝青的內能增加，從而瀝青材料的粘性在后續加載卸載中發生主要作用(瀝青受熱，內部分子向無序狀態轉移，從而黏流性增加)；而隨著瀝青老化時間增加，老化程度加深，瀝青中的芳香酚、飽和酚以及膠質不穩定，慢慢轉變為瀝青質，瀝青中的瀝青質增加，瀝青變硬變脆，加載時瀝青的“脆性物質-瀝青質”較多，其彈性性能較好，相同應力水平作用下，角頻率一致時，越硬的瀝青其形變較小，因此，老化程度越深，瀝青的應變越小，即老化后的瀝青在應力作用下持續較長時間的加載卸載，仍保持一定的彈性。

通過上述實驗測試數據計算得到平均彈性恢復率和不可恢復蠕變柔量，見表2。

表2 應力蠕變評價指標Table 2 Evaluation indicators of MSRC

由表2可知，在0.1 kPa作用力加載時，瀝青的平均恢復率隨著老化時間增加而增加；平均不可恢復柔量隨著老化時間的增加而降低。主要因為，老化程度加深，瀝青中瀝青質的含量增加，在60 ℃時，瀝青大部分結構已經軟化流動，而瀝青質含量越高的瀝青，其中所未軟化或者軟化未完全的瀝青質充當“骨架”，當卸載后主要依靠“骨架”的作用恢復“原態”，因此，老化時間越長，瀝青的平均恢復率越大即瀝青的延遲粘彈性越好，瀝青的不可恢復蠕變柔量越小，即瀝青的抗永久變形越好，老化80 h分別較基質瀝青的延遲粘彈性和抗永久變形提高1.56倍和1.54倍。這與SHARP中車轍因子評價瀝青的高溫性能相符合，即瀝青老化越嚴重，其抗老化性能越好。

3 結論

(1)瀝青老化前后主要在非飽和鍵上發生化學取代或者氧化反應，且隨著老化時間增加，氧化作用越明顯，而氧化作用是一個不能逆轉的過程，即瀝青老化后瀝青質增加，瀝青變硬變脆這是一個不可逆轉的過程。

(2)瀝青老化后的玻璃轉變溫度提高，隨著老化時間增加，玻璃化轉變溫度一直提高，由于瀝青質在瀝青中非常穩定，當瀝青中飽和酚、芳香酚以及瀝青質膠質等完全轉變成瀝青質后，瀝青不再發生化學上的變化，即瀝青老化終止，玻璃化溫度達到最大值。

(3)在0.1 kPa作用下，老化80 h的瀝青比基質瀝青的抗永久變形和延遲粘彈性均有所提高，即老化時間越長，瀝青的抗高溫變形能力越好但相應的低溫性能就較差。