老化對瀝青常規(guī)及流變特性影響分析

王浩勝 馬 顏 孫長江 孫連宏

（蘇交科集團檢測認證有限公司，江蘇 南京211112）

經(jīng)濟社會的發(fā)展離不開基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的助推，自1988 年政府工作報告將交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)列為重點以來，中國公路建設(shè)高速期已經(jīng)持續(xù)了30 年的時間，中國公路更是經(jīng)歷了兩次突飛猛進地發(fā)展[1-3]。瀝青路面在服役期間受荷載作用和自然環(huán)境（水、熱、光照、氧化等因素）綜合作用，會產(chǎn)生老化現(xiàn)象，其力學(xué)性能在使用過程中將呈現(xiàn)衰減趨勢。當(dāng)瀝青路面達到疲勞極限時其功能性將喪失，直接表現(xiàn)為路面裂紋、龜裂、坑槽、沉陷、松散、車轍等病害[4-5]。因此瀝青老化問題對于道路領(lǐng)域是一個重要的課題，基于此，本文研究老化對瀝青常規(guī)物理性能和流變性能的影響。

1 老化瀝青常規(guī)物理性能

三大指標(biāo)和粘度是瀝青膠結(jié)料的常規(guī)性能檢測試驗，因為其對設(shè)備要求較低，實驗操作簡便，是目前研究瀝青膠結(jié)料物理性能的常用手段。針入度實驗?zāi)軌蚍从碁r青的粘滯性，針入度越大，表明瀝青的粘滯性越差。針入度試驗標(biāo)準(zhǔn)條件為溫度25℃，荷重100g，貫入時間5s。在報告針入度試驗結(jié)果時，要求同一試樣3 次平行試驗結(jié)果的最大值和最小值之差在規(guī)定允許誤差范圍內(nèi)，計算3 次試驗結(jié)果的平均值，取整數(shù)為針入度試驗結(jié)果，以0.1mm 計。軟化點試驗可以測定瀝青膠結(jié)料的高溫性能，軟化點大的瀝青高溫穩(wěn)定性較好。環(huán)球法是常用的軟化點試驗方法，同一試樣進行兩次平行試驗，在允許誤差范圍內(nèi)取其平均值作為軟化點試驗結(jié)果，單位為℃。延度試驗的目的主要是測定各類瀝青膠結(jié)料可塑性，規(guī)范規(guī)定的試驗環(huán)境下延度測試值越大，瀝青的塑形則越好，反之越差。本文選取的延度試驗條件為溫度25℃，拉伸速度5cm/min±0.25cm/min，在誤差范圍內(nèi)取三次平行實驗的平均值作為延度試驗結(jié)果，單位為cm。粘度試驗?zāi)軌蚍从碁r青在實驗溫度下抵抗變形的能力，是說明瀝青粘滯性的物理性能參數(shù)，與路用性能關(guān)系緊密，通過測試不同溫度下的粘度建立粘溫曲線可以確定瀝青混合料的拌合和壓實溫度。目前常用布洛克菲爾(Brookfild)粘度計測定瀝青膠結(jié)料在45℃以上的表觀粘度，觀測瀝青膠結(jié)料在試驗溫度下的粘度變化，當(dāng)小數(shù)點后面2 位讀數(shù)穩(wěn)定后，在每個試驗溫度下，每隔60s 讀數(shù)一次，連續(xù)讀數(shù)3 次，以3 次讀數(shù)的平均值作為測定值，單位為帕斯卡秒(Pa·s)。本節(jié)通過對不同老化程度瀝青（0#原樣基質(zhì)瀝青、老化時間為85min 的70#R85 瀝青、老化時間為170min 的70#R170 以及老化時間為340min 的70#R340）的三大指標(biāo)及粘度進行測試分析，初步評價老化對瀝青的影響，結(jié)果如表1。

表1 瀝青常規(guī)性能實驗結(jié)果

由表1 可知隨著老化程度的增加瀝青針入度減小，軟化點提高，延度降低，粘度變大，說明老化會使瀝青變脆，對瀝青的低溫性能產(chǎn)生不利影響，老化瀝青的軟化點比普通瀝青大，雖然表面上老化提高瀝青的高溫性能，但說明其輕質(zhì)油分蒸發(fā)，瀝青質(zhì)含量增加，膠體結(jié)構(gòu)被破壞，對瀝青整體性能不利。

2 老化瀝青的流變特性

瀝青作為一種典型的粘彈性材料，同時展現(xiàn)出彈性和粘性特征，其變形性和流動性受應(yīng)力、溫度、時間等多個因素的影響，因此，針入度、軟化點及延度等指標(biāo)僅能在一定程度上反映道路瀝青的路用性能，存在試驗溫度區(qū)間狹窄、試驗精度較差等不足。美國SHRP 計劃將流變學(xué)試驗引用到瀝青膠結(jié)料研究領(lǐng)域，同時建立了superpave 瀝青試驗規(guī)范，實驗結(jié)果精度高、各指標(biāo)更符合瀝青實際工作環(huán)境，與路用性能相關(guān)性好。動態(tài)剪切流變儀(DSR)是研究瀝青流變性能的常用實驗方法，其工作原理是將瀝青夾在一個固定板和一個可以左右震蕩的震蕩板之間，通過測試震蕩板在震蕩過程中瀝青的應(yīng)力和應(yīng)變反應(yīng)而測定瀝青的流變性能，本文通過溫度掃描對不同程度老化瀝青進行動態(tài)剪切流變試驗，溫度掃描實驗參數(shù)設(shè)置如下：平行板尺寸為25mm，平行板間距1mm，實驗采用應(yīng)力控制模式，應(yīng)力值為0.12Pa，實驗頻率為10rad/s，從46℃開始掃描，溫度間隔為6℃，當(dāng)試驗溫度下G*/sinδ≤1.0kpa時測試停止。通過DSR 可以測試得到反映瀝青材料粘彈性指標(biāo)的復(fù)數(shù)模量(G*)和相位角(δ)，通過G*和δ 可以計算出瀝青的車轍因子(G*/sinδ)，G*/sinδ 越大，瀝青抗永久變形能力越強。

2.1 基于DSR 試驗復(fù)數(shù)模量和相位角分析

由圖1 可以看出，基質(zhì)瀝青、老化瀝青的復(fù)數(shù)模量與相位角隨溫度的變化趨勢一致，隨著溫度的升高，瀝青的復(fù)數(shù)模量不斷降低，相位角持續(xù)變大。說明瀝青經(jīng)過老化處理不會對其粘彈特性這一本質(zhì)屬性造成改變，僅使得瀝青復(fù)數(shù)模量及相位角的具體數(shù)值產(chǎn)生變化。瀝青復(fù)數(shù)模量及相位角隨溫度變化的原因在于溫度的升高會增大瀝青的自由體積，從而導(dǎo)致其狀態(tài)慢慢發(fā)生改變，即是由低溫條件下的高彈態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為高溫時的粘流態(tài)。溫度升高會使瀝青由硬變軟，復(fù)合剪切模量降低；換個角度來看，溫度升高會使瀝青材料粘彈性質(zhì)當(dāng)中的粘性成分增加，彈性成分減小，從而使瀝青材料的相位角增大，極端情況就是當(dāng)材料為彈性體時，其相位角為0°，而當(dāng)材料變?yōu)檎承粤黧w時，其相位角為90°。根據(jù)圖可知，同一溫度下，隨著老化程度的加重，瀝青復(fù)數(shù)模量明顯增大，相位角降低，表明老化會使瀝青由軟變硬，瀝青中彈性比例增大，粘性成分降低。原因在于瀝青老化的過程中存在輕質(zhì)組分的揮發(fā)并生成了強極性的物質(zhì)，老化程度越高，瀝青中的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成變化越大，造成瀝青復(fù)數(shù)模量的增大及相位角的降低，宏觀表現(xiàn)為瀝青變得硬而脆。但隨著溫度的升高，不同老化程度瀝青的復(fù)數(shù)模量及相位角差異減小。

圖1 老化對基質(zhì)瀝青復(fù)數(shù)模量及相位角的影響

圖2 老化對瀝青車轍因子的影響

2.2 基于DSR 試驗車轍因子分析

圖2 為基質(zhì)瀝青、老化瀝青的車轍因子與溫度的關(guān)系曲線圖。隨著溫度的升高，基質(zhì)瀝青、老化瀝青的車轍因子均逐漸減小，瀝青的流動變形增大，抗車轍能力減弱。

圖2 為不同老化程度瀝青車轍因子與溫度關(guān)系圖，同一溫度下，隨著老化時間的延長，瀝青車轍因子增大，即瀝青老化越嚴重，流動變形越小，抗車轍能力越強，瀝青具有更好的高溫穩(wěn)定性。隨著試驗溫度的升高，不同老化程度瀝青的車轍因子差異明顯減小。依據(jù)Superpave 規(guī)范，原樣瀝青G*/sinδ≥1.0kPa，為方便對比，本文以G*/sinδ 達到1.0 kPa 時對應(yīng)的溫度為抗車轍極限溫度，見表2。

表2 瀝青的抗車轍極限溫度

由表2 可知，瀝青抗車轍極限溫度隨老化程度增大而提高，說明老化使瀝青變硬，流動變形減小，達到相同的流動狀態(tài)時需要更高的溫度條件。

2.3 基于DSR 試驗Tanδ 分析

Tanδ 為損耗模量與儲能模量的比值，用于表征瀝青的粘彈特性，Tanδ 越大則瀝青的粘性分量越大。圖3 為基質(zhì)瀝青、老化瀝青的Tanδ 與溫度的關(guān)系曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)瀝青的Tanδ 均隨著溫度的升高而不斷增大，其變化特征為前期較緩，后期增速較快，表明溫度升高會增大瀝青的粘性分量，使瀝青更多表現(xiàn)出粘性特征。由圖3 可知，相同溫度下，瀝青老化程度越重，其Tanδ 越小，且隨著溫度的升高，不同老化程度瀝青的Tanδ 差異變大。說明瀝青在老化過程中，粘性成分不斷減少，流動性能減弱，彈性分量增加，瀝青更多的表現(xiàn)出彈性特征，使瀝青變硬變脆。

3 結(jié)論

3.1 隨著老化程度的增加瀝青針入度減小，軟化點提高，延度降低，粘度變大，說明老化會使瀝青變脆，對瀝青的低溫的低溫性能產(chǎn)生不利影響，瀝青老化后其輕質(zhì)油分蒸發(fā)，瀝青質(zhì)含量增加，膠體結(jié)構(gòu)被破壞，對瀝青整體性能不利。

3.2 隨著老化程度的加重，瀝青復(fù)數(shù)模量明顯增大，相位角降低，表明老化會使瀝青由軟變硬，瀝青中彈性比例增大，粘性成分降低。瀝青老化的過程中存在輕質(zhì)組分的揮發(fā)并生成了強極性的物質(zhì)，老化程度越高，瀝青中的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成變化越大，造成瀝青復(fù)數(shù)模量的增大及相位角的降低，宏觀表現(xiàn)為瀝青變得硬而脆。

3.3 隨著老化時間的延長，瀝青車轍因子增大，即瀝青老化越嚴重，流動變形越小，抗車轍能力越強，瀝青具有更好的高溫穩(wěn)定性。

3.4 發(fā)現(xiàn)瀝青的Tanδ 均隨著溫度的升高而不斷增大，其變化特征為前期較緩，后期增速較快，表明溫度升高會增大瀝青的粘性分量，使瀝青更多表現(xiàn)出粘性特征。瀝青老化程度越重，其Tanδ越小，瀝青在老化過程中，粘性成分不斷減少，流動性能減弱，彈性分量增加，瀝青更多的表現(xiàn)出彈性特征，使瀝青變硬變脆。

圖3 老化對瀝青Tanδ 的影響