復(fù)雜環(huán)境作用下瀝青老化性能變化速率研究

曹雪娟，吳博文，高豪，丁勇杰，毛鑫勃

(1.重慶交通大學(xué) 材料學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.重慶重交再生資源開發(fā)股份有限公司，重慶 404100)

瀝青路面在日常使用中老化現(xiàn)象嚴(yán)重，常出現(xiàn)泛油、鼓包等病害[1-3]，主要因為瀝青老化導(dǎo)致路面使用性能下降。

李洪軍等[4]進(jìn)行熱老化實驗，發(fā)現(xiàn)隨著熱老化程度加深，瀝青混合料疲勞性能逐漸降低。 Liu等[5]研究改性瀝青的紫外老化實驗，結(jié)果表明低溫特性較好的SBR改性瀝青抗紫外老化能力較SBS改性瀝青低。傳統(tǒng)實驗?zāi)M瀝青老化，考慮因素多為單一變量，與實際偏差大，對瀝青老化過程中間節(jié)點性能變化分析少，對瀝青性能變化速率研究缺乏直觀反映[6-9]。

本文全面考慮瀝青老化因素，建立完善的老化方案，嚴(yán)格控制老化時間，在此基礎(chǔ)上研究老化過程中瀝青力學(xué)性能變化。

1 實驗方法

1.1 原料與儀器

本實驗采用韓國SK公司生產(chǎn)的70#基質(zhì)瀝青，軟化點為47.9 ℃，15 ℃的延度為143 cm，25 ℃針入度為64.8 mm。

RG80瀝青耦合老化箱；紫外線強(qiáng)度儀。

1.2 瀝青老化實驗

利用紫外線強(qiáng)度儀測試室外及老化箱內(nèi)紫外輻射強(qiáng)度分別為2 298 W/m2和8 827 W/m2，確定瀝青老化加速率為3.84。考慮實驗中水、溫度和氣流速率的影響，加速率3.84需要進(jìn)行修正，選取修正因子為1.25，瀝青老化綜合加速率為4.8。根據(jù)楊小梅、馮婧等[10-11]對我國西南地區(qū)日照時數(shù)的研究，夏季年平均日照為465.5 h，結(jié)合瀝青老化綜合加速率發(fā)現(xiàn)實驗室模擬老化96 h相當(dāng)于實際1年的瀝青老化情況，本實驗將瀝青老化96，192，288 h，以此來表征1年、2年和3年的瀝青老化情況。

RG-80瀝青耦合老化箱，可調(diào)控溫度-20～150 ℃，光譜輻射范圍360～440 nm。實驗過程中將基質(zhì)瀝青加熱至流動狀態(tài)，稱取 500 g置于老化箱中，老化箱體設(shè)定溫度為65 ℃，相對濕度控制45%，空氣流通速率定為20 L/min，同時每隔6 h在樣品表面均勻噴灑少許水，并用玻璃棒攪拌瀝青試樣，使其均勻老化，將高壓汞燈放置于距樣品表面約35 cm處，老化時間為96，192，288 h，耦合老化實驗箱見圖1。

圖1 耦合老化實驗箱Fig.1 Coupling aging test chamber

1.3 實驗方法

利用布氏旋轉(zhuǎn)粘度計測試瀝青老化前后粘度變化，選用20號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為100 r/min，實驗溫度分別選定為115，135，155，175 ℃。利用動態(tài)剪切流變實驗進(jìn)行溫度掃描，測定條件為：樣品Φ25 mm×1 mm，溫度區(qū)間為40～82 ℃，溫度步頻6 ℃，停留時間360 s，應(yīng)力設(shè)定12%，角頻率設(shè)定10%。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

2.1.1 三大指標(biāo)實驗分析 我國道路工程采用針入度、軟化點和延度分別表征瀝青的粘滯性、溫度敏感性和延性性能，統(tǒng)稱為三大指標(biāo)。本文根據(jù)JET E20-2011實驗規(guī)范中的測試方法分別對基質(zhì)瀝青、老化96 h、老化192 h和老化288 h的瀝青進(jìn)行測試。瀝青老化前后的三大指標(biāo)實驗結(jié)果，見表1。

表1 瀝青老化前后三大指標(biāo)Table 1 Three indexes of asphalt before and after aging

由表1可知，瀝青的針入度和延度隨著老化時間增加而降低，軟化點隨著老化時間增加而升高。主要因為瀝青老化后其中的輕組分-芳香芬極易受到氧化作用轉(zhuǎn)變成瀝青質(zhì)膠質(zhì)，由于瀝青質(zhì)膠質(zhì)的性質(zhì)不穩(wěn)定，在復(fù)雜環(huán)境作用下(高溫、水分和氧分)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，由于瀝青質(zhì)質(zhì)地較硬且脆性較大，因此老化時間越長瀝青的針入度和延度降低越明顯，軟化點增加較多。

對實驗中瀝青的三大指標(biāo)的變化進(jìn)行量化分析，針入度的降低率為8.01%，14.4%，15.9%，軟化點的增長率為7.3%，5.64%，6.08%，延度的降低率為27.6%，37.7%，65.3%，利用origin軟件進(jìn)行非線性擬合所得曲線方程分別為y=16.523 72-35.571 52e-x/66.240 28、y=6.047 69+4.950 54e-x/72.300 15、y=21.988 57+2.133 13e-x/-95.495 75，方程所表示變化率曲線見圖2。

圖2 三大指標(biāo)變化率圖Fig.2 Change rate of three indicators

由圖2可知，在老化初期，瀝青的針入度變化率較小即針入度下降速率較慢，但曲線斜率較大即針入度下降速率逐漸加快，老化后期下降速度逐漸穩(wěn)定在較快的水平。在老化過程中瀝青的軟化點增長率較小，變化率曲線沒有明顯的起伏，即軟化點增長率較為穩(wěn)定，線性關(guān)系較為明顯。瀝青延度變化率在老化初期較大，即延度的下降速率較快，隨著老化時間的延長，延度變化率曲線斜率逐漸增大，延度下降速度進(jìn)一步加快。

2.1.2 粘度實驗 實驗分別測試了耦合作用下瀝青老化前后的布氏旋轉(zhuǎn)粘度，結(jié)果見圖3。

圖3 布氏旋轉(zhuǎn)粘度線性化圖Fig.3 Linearization diagram of Brinell rotational viscosity

由圖3可知，在溫度逐漸升高的條件下，半對數(shù)坐標(biāo)系中，瀝青老化前后的旋轉(zhuǎn)粘度逐漸降低，線性關(guān)系較為明顯，而且，在溫度相同的條件下，瀝青的老化時間越長，旋轉(zhuǎn)粘度越大。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T 0625—2000中指出當(dāng)使用石油瀝青進(jìn)行施工作業(yè)時，宜控制拌合溫度為粘度在(0.17±0.02) Pa·s時的溫度，壓實成型溫度為粘度在(0.28±0.03) Pa·s時的溫度。各老化階段的拌合溫度和壓實成型溫度見表2。

表2 不同老化階段瀝青的拌合溫度和壓實成型溫度Table 2 Mixing temperature and compactiontemperature of asphalt in different aging stages

由圖3及表2可知，老化后的瀝青拌合溫度和壓實成型溫度均有不同程度增加，主要因為老化后瀝青中輕組分轉(zhuǎn)變?yōu)橹亟M分即芳香分轉(zhuǎn)變成膠質(zhì)，隨著老化持續(xù)進(jìn)行，膠質(zhì)最終也會緩慢向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，瀝青的分子鏈段會逐漸增加。因此，在溫度相同的條件下，老化瀝青流動性降低，拌合溫度和壓實成型溫度增加，施工和易性降低。

對拌合溫度及壓實成型溫度進(jìn)行量化分析，拌合溫度下限的增長率為1.96%，1.92%，3.14%，壓實成型溫度下限增長率2.13%，2.08%，2.72%，利用origin軟件進(jìn)行非線性擬合所得曲線方程分別為y=1.978 32+4.163 41E-5e-x/-28.088 85、y=2.147 53+3.009 15E-4e-x/-38.130 09，方程所表示的增長率變化曲線見圖4。

圖4 拌合溫度及壓實成型溫度下限增長率圖Fig.4 Lower limit growth rate of mixing temperature andcompaction molding temperature

由圖4可知，在瀝青老化初期，拌合溫度下限增長率及壓實成型溫度下限增長率均較低且較為穩(wěn)定。到了老化后期，二者增長率均有明顯的上升趨勢，同時拌合溫度的上升趨勢更大。說明在瀝青老化初期，由于瀝青中輕組分與重組分之間的轉(zhuǎn)化，芳香分化為膠質(zhì)，膠質(zhì)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)含量逐漸增多，導(dǎo)致瀝青的拌合溫度及壓實成型溫度均有相似程度的非線性上升趨勢，到了瀝青老化后期，由于瀝青性能變化的積累，瀝青質(zhì)含量較多，二者的增速陡然上升，反映出瀝青老化對時間的依賴性。

2.1.3 流變性能分析 復(fù)數(shù)模量G*由彈性形變而儲存的能量和粘性形變所損失的能量構(gòu)成，在瀝青中主要表現(xiàn)為粘彈性能量[12-13]；相位角δ是材料受力后應(yīng)力與應(yīng)變之間存在的相位差，其值是彈性和粘性成分的比例指標(biāo)，數(shù)值越小彈性越好[14-15]。本實驗利用動態(tài)剪切流變實驗研究耦合作用下瀝青老化前后復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ變化，見圖5。

由圖5(a)可知，隨著溫度上升，瀝青的復(fù)數(shù)模量陡然降低，當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時，降低較為平緩，當(dāng)作用溫度上升到76 ℃時，復(fù)數(shù)模量不再有明顯差異，主要因為在高溫作用下，瀝青早已達(dá)到了軟化點，從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成粘性狀態(tài)，當(dāng)超過76 ℃時，4種瀝青試樣中粘性成分所占比例幾乎相等，因此，在超過此溫度時，老化前后瀝青的復(fù)數(shù)模量幾乎相等；相同溫度作用下瀝青的復(fù)數(shù)模量隨著老化時間的增加而增加，瀝青在耦合作用下芳香分以及膠質(zhì)不斷向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，瀝青質(zhì)本身較硬，形成瀝青中的重組分，使得瀝青硬度增大脆性增強(qiáng)，因而其在中高溫作用時其復(fù)數(shù)模量較大。由圖5(b)分析可知，隨著溫度的升高，瀝青的相位角不斷增加，表明瀝青逐漸從彈性向粘性過度；在相同溫度作用下，瀝青的相位角隨老化時間的增長而逐漸減小，這主要由于老化瀝青中瀝青質(zhì)含量較多，彈性性能較好，粘滯性較差；當(dāng)溫度升高到80 ℃以上時，瀝青老化前后的相位角此時差異較小，主要因為高溫作用下，瀝青質(zhì)受熱變軟，瀝青從粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變成粘性狀態(tài)，在粘性狀態(tài)下老化前后瀝青的相位角只取決于溫度，與老化時間關(guān)系較小。

圖5 (a)瀝青老化前后復(fù)數(shù)模量G*變化圖；(b)瀝青老化前后相位角δ變化圖Fig.5 (a) Change diagram of complex modulus G* beforeand after asphalt aging； (b) Change diagram of phase angleδ before and after asphalt aging

美國SHRP規(guī)范定義G*/sinδ為車轍因子，其值越大則表示瀝青的彈性性質(zhì)越顯著即抗永久變形的能力越強(qiáng)。瀝青老化前后車轍因子G*/sinδ見圖6。

圖6 瀝青老化前后車轍因子G*/sinδ變化圖Fig.6 Change of rutting factor G*/sin δ beforeand after asphalt aging

由圖6可知，隨著溫度的升高，車轍因子G*/sinδ逐漸減小，彈性性能降低；隨著老化時間的增加，瀝青的車轍因子增加，即老化后的瀝青抗車轍性能較好，主要與其中的瀝青質(zhì)含量增加有關(guān)。40～58 ℃時，車轍因子降低較快，因為溫度增加，瀝青從彈性狀態(tài)向粘彈性狀態(tài)變化，粘性性能占優(yōu)，抗車轍能力下降；64～82 ℃時，車轍因子變化率較小，基本趨于穩(wěn)定，主要因為瀝青處于軟化點溫度以上，瀝青軟化后粘性流動，抗車轍能力降低，且其粘流狀態(tài)不隨溫度變化而變化，因此車轍因子變化較小。

對64 ℃下的車轍因子進(jìn)行量化分析，其增長率分別為41.8%，31.7%，43.4%，利用origin軟件進(jìn)行非線性擬合所得曲線方程為y=37.120 64+4.039 45e-x/-659.352 24，方程所表示的增長率變化曲線見圖7。

圖7 車轍因子增長率圖Fig.7 Growth rate of rut factor

由圖7可知，相比于拌合溫度及壓實成型溫度的增長率，車轍因子的增長率較大，隨著老化時間的增長，瀝青的車轍因子增長率呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，說明在老化時間不斷延長的條件下，老化程度不斷加深，由于瀝青中輕組分不斷向重組分轉(zhuǎn)變，小分子化合物不斷向大分子化合物轉(zhuǎn)變，在瀝青組分中芳香分最為活躍，芳香分不斷轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，膠質(zhì)又轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，使得瀝青質(zhì)的含量不斷增大，瀝青質(zhì)的硬度較大，抗變形能力較強(qiáng)，導(dǎo)致車轍因子G*/sinδ的增長越來越快，并且增長幅度也逐漸增大，瀝青逐漸變脆變硬，抗老化性能也逐漸增強(qiáng)。

3 結(jié)論

(1)在老化初期，瀝青的針入度下降速度較慢，但下降速度逐漸加快，老化后期下降速度逐漸穩(wěn)定在較快的水平。在老化過程中瀝青的軟化點增長率較小且較為穩(wěn)定，線性關(guān)系較為明顯。瀝青的延度在老化初期下降速度較快，并且隨著老化時間的延長，其變化率逐漸增大，延度下降速度進(jìn)一步加快。

(2)在老化初期，瀝青拌合溫度下限及壓實成型溫度下限的增長率較小也較為穩(wěn)定，隨著老化時間的延長，在老化后期二者均有較大幅度的增長，并且拌合溫度下限增長率的上升趨勢更顯著。

(3)在老化初期瀝青車轍因子增長率較大，增長速度較快，隨著老化時間的延長，車轍因子增長率呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。