基質瀝青老化過程中基本指標和組分變化的研究

張碧琴,趙高揚,李堅強,張富強(.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室,陜西西安　70064; .西安市政設計研究院有限公司,陜西西安　70068)

基質瀝青老化過程中基本指標和組分變化的研究

張碧琴1,趙高揚1,李堅強2,張富強1
(1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室,陜西西安710064; 2.西安市政設計研究院有限公司,陜西西安710068)

鑒于中國的現行規范都是根據瀝青薄膜試驗后瀝青三大指標的變化來確定瀝青的老化程度,通過對不同時間、不同溫度的瀝青薄膜試驗進行研究,分析了瀝青在老化過程中基本指標和組分的變化規律,提出了對瀝青薄膜試驗(TFOT,163℃,5 h)的改進方法,為瀝青老化的評價提供了新的判定指標.

瀝青老化;瀝青薄膜試驗;判定指標;改進

0　引　言

在中國的公路路面、機場道面等各種瀝青道面的建設中,瀝青老化指標一直是選取瀝青的重要判定條件之一[1-3].中國的?公路瀝青路面施工技術規范?[4]與?民用機場瀝青混凝土道面施工技術規范?[5]對于基質瀝青老化的判定指標基本上都是根據瀝青薄膜試驗(TFOT,163℃,5 h)后瀝青針入度、延度、軟化點的變化來確定的.而現階段隨著瀝青制備工藝的復雜化,瀝青薄膜試驗(TFOT, 163℃,5 h)是否還能作為瀝青老化的判定指標成為新的研究課題.

一些專家學者在研究后提出了采用SHRP流變學指標,特別是BBR試驗來作為瀝青老化的評價指標[6-9].然而,由于在老化試驗中老化條件苛刻,且相關設備昂貴,使得這一方法在中國的工程實踐中普及推廣起來非常困難.因此,針對中國普遍采用的基質瀝青薄膜試驗進行改進研究就有著非常重要的現實意義.

1　基質瀝青老化過程中基本指標變化

本文以4種國內常用的70＃基質瀝青A、B、C、D設計了老化時間為5 h,老化溫度分別為120℃、163℃和180℃,以及老化溫度為163℃,老化時間分別為1、5、12、24 h的兩組不同條件下的瀝青薄膜老化試驗.以此來檢測分析瀝青老化過程中基本指標和組分的變化[10-11].

1.1不同老化溫度下瀝青基本指標的變化規律

研究表明,瀝青老化后基本指標的變化主要表現為軟化點升高、針入度下降、延度大幅度減小.隨老化溫度的改變基質瀝青基本指標的變化趨勢如圖1～3所示.

圖1　不同老化溫度下瀝青針入度的變化

圖2　不同老化溫度下瀝青延度的變化

圖3　不同老化溫度下瀝青軟化點的變化

由圖1中的變化趨勢可知,隨著老化溫度升高,4種瀝青的針入度都表現出下降的趨勢,且在163℃～ 180℃的下降趨勢都要比120℃～163℃的下降趨勢更劇烈,尤其是瀝青C在163℃下老化后針入度最大,而到180℃下老化后針入度低于瀝青A和瀝青D,已接近最小.分析圖2可以得出,對于10℃延度,除瀝青C外其他三種瀝青也都表現出了163℃后減小趨勢增大的規律,尤其是瀝青B,163℃下老化后延度最大,180℃下老化后延度接近最小.相比之下,軟化點這種類似的變化趨勢并不明顯(圖3).

1.2不同老化時間下瀝青基本指標的變化規律

時間在很大程度上決定著瀝青老化性能的變化.瀝青A、B、C、D在老化溫度為163℃時隨著老化時間的增加其基本指標變化趨勢如圖4～6所示.

圖4　不同老化時間下瀝青針入度變化

圖5　不同老化時間下瀝青延度變化

圖6　不同老化時間下瀝青軟化點變化

根據圖4～6可知,4種瀝青老化后的針入度、延度、軟化點基本上都在時間到12 h時產生了拐點,其中瀝青B的針入度在5 h時小于瀝青A,而在12 h時明顯大于瀝青A.尤其是10℃延度的變化在12 h后明顯趨于平緩.

針對以上瀝青基本指標的變化趨勢可知,僅僅將溫度為163℃、時間為5 h作為瀝青薄膜老化的條件來判定瀝青的老化性能是不足的;同時試驗結果表明,可以取溫度為163℃、時間為12 h或溫度為180℃、時間為5 h來作為瀝青薄膜試驗的老化條件.由于老化過程中10℃延度的急劇變化,可以著重取老化后10℃延度的變化來判定瀝青的老化性能.通過試驗結果還發現,4種瀝青的薄膜老化試驗在溫度為163℃、時間為12 h和溫度為180℃、時間為5 h老化條件下基本指標的測定結果有著相同的趨勢.

2　基質瀝青老化過程中組分的變化

2.1不同老化溫度下瀝青組分的變化規律

(1)由圖7可知,老化過程中基質瀝青的瀝青質含量一直在上升,在120℃～180℃的老化溫度范圍內,隨著溫度的增加瀝青質含量增長的速率也在加快,在溫度超過163℃后,瀝青質的增長速率明顯加快.這說明在老化過程中瀝青其他組分受熱會轉化為瀝青質.

圖7　不同老化溫度下瀝青質含量的變化

(2)由圖8可以看出,基質瀝青老化過程中膠質的變化并不統一,在120℃～180℃的老化溫度范圍內,隨著溫度的增加,瀝青A、B、D膠質的含量一直在減少,且減少速率也在變大,而瀝青C膠質的含量一直在增加但增加速率沒有明顯的變化,說明基質瀝青老化過程中膠質也會轉化為瀝青質.

圖8　不同老化溫度下膠質含量的變化

(3)由圖9可知,基質瀝青老化過程中隨著溫度的增加,飽和分含量的變化并不明顯;而且在120℃～180℃的老化溫度范圍內,隨著溫度的增加,瀝青A、B、D飽和分的含量有稍微減少的趨勢,且減少速率隨溫度的增加卻變化不大,瀝青C在老化過程中則表現出飽和分稍微增加的趨勢.飽和分以飽和烴為主,試驗結果說明其在老化過程中較為穩定,高溫下發生氧化反應較少.

圖9　不同老化溫度下飽和分含量的變化

(4)由圖10可知,基質瀝青芳香分的含量在老化過程中表現為減少的趨勢,在120℃～180℃的老化溫度范圍內,隨著溫度的增加,瀝青A、C、D芳香分含量的變化速率在增加,而瀝青B芳香分含量的變化速率出現了減小的趨勢.芳香分的主要成分是芳香烴,烴類都帶有長鏈烷基和環烴,這類物質很容易受熱發生自由基反應,從而被氧化成羰基,形成膠質極性芳烴.所以在熱氧老化反應中,芳香分被氧化轉化為膠質.

圖10　不同老化溫度下芳香分含量的變化

2.2不同老化時間下瀝青組分的變化規律

將試驗結果繪制成趨勢圖,如圖11～14所示.

圖11　不同老化時間下瀝青質含量的變化

圖12　不同老化時間下膠質含量的變化

圖13　不同老化時間下飽和分含量的變化

圖14　不同老化時間下芳香分含量的變化

(1)由圖11可知,在老化溫度為163℃時,隨著老化時間的增加,基質瀝青中瀝青質含量的增長速率有減小的趨勢,尤其是在老化時間超過12 h后,4種基質瀝青的瀝青質增加速率明顯減小.說明在特定的老化溫度下,瀝青的老化速率有減小的趨勢.

(2)由圖12可知,在老化溫度為163℃時,隨著老化時間的增加,瀝青A、B、D中膠質含量的減少速率有減小的趨勢,而且在老化時間超過12 h后,3種基質瀝青的瀝青質減少速率明顯減小;瀝青C的膠質含量出現了增加的趨勢,明確顯示出在老化過程中芳香分會向膠質轉化,膠質會向瀝青質轉化.瀝青C與其他三種瀝青不同的膠質變化趨勢說明了基質瀝青老化過程中膠質含量的變化與芳香分向膠質轉化的速率以及膠質向瀝青質轉化速率的大小有關.

(3)由圖13可知,在老化溫度為163℃時,隨著老化時間的增加,基質瀝青中飽和分的含量較為穩定,且隨著老化時間的增加,其減少速率明顯減緩.飽和分性質穩定,瀝青老化初期受熱揮發,造成其含量的減少;隨著老化的進行易揮發的部分逐漸減少,其減少速率下降.

(4)由圖14可知,隨著老化時間的增加,芳香分含量減少,且減少速率隨著時間的增加也在變緩,這與瀝青質的變化較為相符.

2.3兩種老化條件相關性的分析

根據對試驗結果的分析,發現163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件可以代替瀝青薄膜試驗中常用的老化條件(163℃、5 h),而且能更好地反應基質瀝青的老化效果.而且根據試驗數據可知,兩種老化條件有一定的相關性.163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件下老化后基質瀝青的基本指標有著接近的趨勢,老化后基質瀝青組分的測定(表1)也可以佐證這一趨勢特點.

表1　兩種老化條件下瀝青組分檢測結果

從表1可看出,在163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件下,老化后基質瀝青組分的測定結果有著驚人的相似.這也說明溫度和時間對瀝青老化的影響是共同作用的,且兩者之間有一定的相關性.

3　結　語

(1)163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件可以代替瀝青薄膜試驗中常用的老化條件(163℃、5 h),而且能更好地反應基質瀝青的老化效果.

(2)163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件下老化后的基質瀝青的基本指標和組分測定有著接近的趨勢.說明溫度和時間對老化的影響是共同作用的,且兩者之間有一定的相關性.

(3)從減少試驗時間的角度考慮,建議采用180℃、5 h作為瀝青薄膜試驗的老化條件,同時建議以10℃延度的變化作為基質瀝青抗老化性能的主要判定條件.

(4)基質瀝青老化過程中瀝青質含量一直在增加,飽和分含量變化較小,芳香分含量一直在減少,而膠質含量的變化與芳香分向膠質轉化的速率以及膠質向瀝青質轉化速率的大小有關.

[1]蘆軍.瀝青路面老化行為與再生技術研究[D].西安:長安大學,2008.

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[3]王佳妮.模擬紫外環境下瀝青流變行為及老化機理的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

[4]JT F40—2004,公路瀝青路面施工技術規范[S].

[5]MH5011—1999,民用機場瀝青混凝土道面施工技術規范[S].

[6]楊洪濱.道路瀝青抗老化性能及其改性的研究[D].北京:中國石油大學,2008.

[7]陳華鑫.SBS改性瀝青路用性能與機理研究[D].西安:長安大學,2006.

[8]高建立.瀝青指標的分析與評價及新指標的研究[D].南京:東南大學,2005.

[9]魏榮梅.道路瀝青的老化與再生研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

[10]夏明,郭小宏,朱穎峰.瀝青再生劑對廢舊瀝青性能重塑的分析與評價[J].筑路機械與施工機械化,2010,27(1):56-58.

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[責任編輯:王玉玲]

Research on Changing of Fundamental Indices and Constituents of Matrix Asphalt During Aging

ZHAN Biqin1,ZHAO aoyang1,LI Jianqiang2,ZHAN Fuqiang1
(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Chang?an University, Xi?an 710064,Shaanxi,China;2.Xi?an Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd., Xi?an 710068,Shaanxi,China)

Since the specification currently used in China determines the aging of asphalt by the changing of three indices of it following the TFOT,TFOT was carried out at various time and temperature,and the rules of changing of the fundamental indices and constituents were analyzed.Method for improvement of TFOT(163℃,5 h)was put forward,and new determining index of asphalt aging was set.

asphalt aging;TFOT;determining index;improvement

U414.1

B

1000-033X(2015)01-0062-04

2014-08-27