新疆地區常用瀝青短期老化低溫性能的評價

布海玲，劉 濤，楊三強

(1.新疆農業大學 機械交通學院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.干旱荒漠區公路工程技術交通行業重點實驗室 新疆交通科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

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新疆地區常用瀝青短期老化低溫性能的評價

布海玲1，劉 濤2，楊三強2

(1.新疆農業大學 機械交通學院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.干旱荒漠區公路工程技術交通行業重點實驗室 新疆交通科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

以新疆地區4種常用瀝青為例，應用BBR試驗儀器，通過對RTFOT試驗前后瀝青低溫性能指標的對比分析，得出4種瀝青短期老化前后低溫性能的排序，及改性瀝青對短期老化的敏感性大于基質瀝青，且短期老化對瀝青松弛性能的影響大于對瀝青勁度的影響。

道路工程；短期老化；低溫性能；勁度模量；評價對比

新疆地區道路以瀝青路面為主，但是由于其冬季寒冷的特殊氣候條件使得瀝青路面低溫開裂現象尤為明顯。隨著西部大開發戰略不斷推進，新疆地區瀝青路面在承受不斷加大重載壓力的情況下，低溫開裂問題逐漸加劇。瀝青結合料低溫抗裂性能是影響瀝青路面低溫開裂的重要因素[1]。著名的SHRP研究成果證明了瀝青性能對低溫問題的直接貢獻率為80%[2]。然而，現行規范中沒有考慮到瀝青在施工過程中的短期老化對瀝青低溫性能的影響。

筆者以新疆地區4種常用瀝青為例，應用彎曲梁流變儀(BBR)測定瀝青短期老化前后低溫性能指標，以此評價短期老化對瀝青低溫抗裂性能的影響。

1 試 驗

1.1 試驗原理

彎曲梁流變儀(BBR)應用工程上梁的理論測量瀝青小梁試件在低溫蠕變荷載作用下的勁度[3]。SHRP研究認為，當瀝青的勁度模量S超過一定值就會呈現脆性狀態，則容易出現開裂；而m值表示的是瀝青勁度隨時間的變化，m值越大表示在該溫度下的路面收縮時材料的松弛性能感應越強，相當于降低了勁度的材料，使得材料拉應力減小，同時減小了低溫開裂的可能性[4]。因此，SHRP規范要求瀝青樣品在試驗溫度下60 s時的彎曲勁度模量S≯300 MPa，勁度曲線斜率m≮0.3[5]。

旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)主要是模擬瀝青在加熱拌和及鋪筑過程中的老化。熱拌瀝青混合料的施工方式是瀝青最主要也是最常規的使用方式，在拌和過程中的老化是最重要的，通常稱為熱老化[6]。在此過程中瀝青以薄膜形式裹覆在集料和填料的表面，在高溫的作用下極易發生氧化和組分揮發。旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)反應的就是這個階段瀝青的老化情況。

1.2 試驗方案

選用新疆地區4種常用瀝青，其中包括兩種基質瀝青(克拉瑪依70#和90#瀝青)和兩種改性瀝青(SBS改性瀝青和橡膠瀝青)。采用彎曲梁流變儀(BBR)，按照規范分別對原樣瀝青及旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)后的殘留物進行小梁彎曲蠕變試驗，測定勁度模量S和勁度曲線斜率(松弛性能[7])m值，并對試驗結果進行對比分析。

2 試驗結果及分析

旋轉薄膜烘箱試驗前后小梁彎曲蠕變試驗，基質瀝青老化前后試驗結果如表1，改性瀝青老化前后試驗結果如表2。

表1 基質瀝青試驗結果

表2 改性瀝青試驗結果

2.1 基質瀝青短期老化試驗結果分析

2.1.1 勁度模量S對比分析(圖1)

圖1 基質瀝青老化前后勁度模量S值變化Fig.1 Changes of the stiffness modulus before and after short-term aging belong to base asphalt

從圖1中可以看出：

1)在-18～-30 ℃溫度范圍內克拉瑪依70#和90#瀝青的勁度模量隨溫度的降低而增大；

2)克拉瑪依90#瀝青老化后的勁度模量高于老化前，而克拉瑪依70#瀝青老化后的勁度模量低于老化前；

3)克拉瑪依70#瀝青老化前后勁度模量均高于克拉瑪依90#瀝青老化前后的勁度模量；

4)在-18 ℃時基質瀝青在老化前后的勁度模量差別不大，隨溫度的降低，老化前后的勁度模量差別逐漸變大，且在勁度模量達到300 MPa之前基質瀝青老化前后的勁度模量差別很小。

2.1.2m值對比分析(圖2)

圖2 基質瀝青老化前后m值變化Fig.2 Changes of the m-value before and after short-term aging belong to base asphalt

從圖2可以看出：

1)在-18～-30 ℃溫度范圍內克拉瑪依70#和克拉瑪依90#瀝青的m值隨溫度的降低而減小；

2)克拉瑪依90#瀝青老化后的m值小于老化前，克拉瑪依70#瀝青老化后m值的減小變緩；

3)克拉瑪依90#瀝青老化前后的m值均大于克拉瑪依70#瀝青老化前后的m值。

2.1.3 基質瀝青短期老化前后模型分析

分別建立基質瀝青老化前后指標與溫度T的回歸模型，如表3。依據模型分別計算基質瀝青老化前后的臨界溫度如表4。

表3 基質瀝青低溫指標回歸模型

表4 基質瀝青臨界溫度

注：TS=300為S=300 MPa時的臨界溫度；Tm=0.3為m=0.3時的臨界溫度。

通過臨界溫度對比分析得出：克拉瑪依70#瀝青比90#瀝青的S值達到300 MPa的溫度高，但溫度差距不大，m值也存在同樣的情況；基質瀝青老化前后的S值臨界溫度變化不大，克拉瑪依90#瀝青老化后m值的臨界溫度有較大提高。

以上的對比分析可以說明：克拉瑪依90#瀝青的低溫抗裂性能優于70#瀝青；老化后克拉瑪依90#瀝青的低溫抗裂性能優于老化后70#瀝青；老化降低了基質瀝青的低溫抗裂性能；對基質瀝青而言，老化對勁度模量的影響主要表現在溫度較低(-24 ℃以下)的狀況下，而老化對松弛性能(m值)的影響表現在整個溫度變化過程中。

2.2 改性瀝青短期老化試驗結果分析

2.2.1 勁度模量S對比分析(圖3)

圖3 改性瀝青老化前后勁度模量S值變化Fig.3 Changes of the stiffness modulus before and after short-term aging belong to modified asphalt

從圖3可以看出：

1)在-24～-36 ℃溫度范圍內SBS改性瀝青和橡膠瀝青的勁度模量隨溫度的降低而增大；

2)隨著溫度的降低，在達到一定低溫時，改性瀝青會出現老化后瀝青的勁度模量高于老化前的勁度模量，且對于SBS改性瀝青來說發生這一現象的溫度高于橡膠瀝青；

3)老化后橡膠瀝青的勁度模量低于老化后SBS改性瀝青的勁度模量；

4)在-24 ℃時改性瀝青在老化前后的勁度模量差別不大，隨溫度的降低，老化前后的勁度模量差別逐漸變大。

2.2.2m值對比分析(圖4)

圖4 改性瀝青老化前后m值變化Fig.4 Changes of the m-value before and after short-term aging belong to modified asphalt

從圖4可以看出：

1)在-24～-36 ℃溫度范圍內SBS改性瀝青和橡膠瀝青的m值隨溫度降低而減小；

2)SBS改性瀝青m值減小的速率小于橡膠瀝青，且SBS改性瀝青m值大于橡膠瀝青；

3)SBS改性瀝青m值大于老化后的SBS改性瀝青；

4)隨溫度的降低橡膠瀝青的m值變化趨于平緩，而老化后橡膠瀝青的m值隨溫度的降低變化逐漸加劇；

5)老化后橡膠瀝青的m值大于老化后SBS改性瀝青的m值。

2.2.3 改性瀝青短期老化前后模型分析

分別建立改性瀝青老化前后指標與溫度T的回歸模型，如表5。依據模型分別計算改性瀝青老化前后的臨界溫度如表6。

表5 改性瀝青低溫指標回歸模型

(續表5)

瀝青類型S回歸模型m回歸模型SBS改性瀝青薄膜烘箱老化后Log(S)=-0.0852T-0.1399R2=0.9766Log(m)=0.0244T+0.1650R2=0.9852橡膠瀝青薄膜烘箱老化后Log(S)=-0.0730T+0.1773R2=0.9933Log(m)=0.0242T+0.1917R2=0.9429

表6 改性瀝青臨界溫度

通過臨界溫度對比分析得出：老化前后的SBS改性瀝青分別比老化前后的橡膠瀝青的S值達到300 MPa的溫度高，但溫度差距不大，改性瀝青S值達到300 MPa時的溫度均低于-30 ℃；老化后的SBS改性瀝青m值降到0.3時的溫度最高，其次是橡膠瀝青，SBS改性瀝青m值降到0.3時的溫度最低。

以上的對比分析可以說明：SBS改性瀝青的低溫抗裂性能優于橡膠瀝青；老化后橡膠瀝青的低溫抗裂性能優于老化后SBS改性瀝青；老化對SBS改性瀝青的影響大于對橡膠瀝青的影響，即橡膠瀝青在老化前后的低溫抗裂性能相對穩定；對于改性瀝青而言，老化對瀝青的勁度模量和松弛性能(m值)的影響表現在整個溫度變化過程中，但老化對瀝青勁度模量的影響隨溫度的降低逐漸加大。

3 結 論

1)通過對比分析可以得出：原樣瀝青低溫抗裂性能強弱關系為SBS改性瀝青>橡膠瀝青>克拉瑪依90#瀝青>克拉瑪依70#瀝青；而經過短期老化后的瀝青低溫抗裂性能強弱關系為橡膠瀝青>SBS改性瀝青>克拉瑪依90#瀝青>克拉瑪依70#瀝青。由此可以看出，短期老化前后改性瀝青的低溫抗裂性能均優于基質瀝青，但是SBS改性瀝青與橡膠瀝青的低溫抗裂性能排序在短期老化前后發生了改變，究其原因可能是SBS改性瀝青化學組成成分中不飽和成分多于橡膠瀝青，相對于橡膠瀝青不夠穩定，在短期老化作用下容易發生聚合和氧化，從而影響了SBS改性瀝青的低溫抗裂性能。具體在短期老化作用下各瀝青的化學成分發生了怎樣的變化還需進一步研究。

2)短期老化能夠明顯降低基質瀝青的低溫抗裂性能。

3)短期老化對SBS改性瀝青的影響大于對橡膠瀝青的影響，即橡膠瀝青在短期老化前后的低溫抗裂性能相對穩定。

4)對基質瀝青而言，短期老化對勁度模量的影響主要表現在溫度較低(-24 ℃以下)的狀況下，對松弛性能(m值)的影響表現在整個溫度變化過程中；而對于改性瀝青而言，短期老化對瀝青的勁度模量和松弛性能(m值)的影響表現在整個溫度變化過程中，但短期老化對瀝青勁度模量的影響隨溫度的降低逐漸加大。由此說明改性瀝青對短期老化的敏感性大于基質瀝青，且短期老化對瀝青松弛性能的影響大于對瀝青勁度的影響。

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Short-Term Aging Effect on Cryogenic Property of Common Asphalt in Xinjiang

Bu Hailing1, Liu Tao2, Yang Sanqiang2

(1. College of Machinery & Transport, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China; 2. Key Laboratory of Highway Engineering Technology in Arid & Desert Region Ministry of Transport PRC, Xinjiang Communications Science Institute, Urumqi 830000, Xinjiang, China)

Taking four kinds of common asphalt in Xinjiang area as examples, the BBR test instrument was used to conduct a study. Low temperature performance of the asphalt before and after short-term aging can be sorted out through the comparison and analysis of the low temperature performance indicators before and after RTFOT experiment. Meanwhile, it can be found that the sensitivity of the modified asphalt on short-term aging is greater than the base asphalt and short-term aging effect on the property of asphalt relaxation is greater than the effect on asphalt stiffness.

road engineering; short-term aging; low temperature performance; stiffness modulus; evaluate and contrast

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.11

2013-10-23；

2014-01-03

新疆自治區科研機構創新發展專項資金項目(2012022)

布海玲(1987—)，女，河北承德人，碩士研究生，主要從事道路工程方面的研究。E-mail：bhl0808@126.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)02-050-04