基于不同老化方式的瀝青流變性能研究

胡坤銘，王樹杰

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 210017）

基于不同老化方式的瀝青流變性能研究

胡坤銘，王樹杰

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 210017）

通過薄膜烘箱及壓力老化儀分別對瀝青進行老化，研究基質瀝青與改性瀝青老化性質的差異；通過對原樣瀝青及不同老化程度瀝青進行動態剪切流變（DSR）試驗，采集復數剪切模量、相位角和車轍因子，分析兩種瀝青的老化性質。結果顯示，老化后基質瀝青的復數模量增加，壓力老化（PAV）后瀝青的復數模量大于薄膜烘箱老化（TFOT）后瀝青；相位角表現為老化后有規律地減小，表明瀝青彈性成分增加、彈性增強；基質瀝青的車轍因子比大于改性瀝青，表明改性瀝青的抗老化性能優于基質瀝青。

公路；復數剪切模量；相位角；粘彈組成；老化瀝青

瀝青混合料的抗老化性能是影響瀝青路面耐久性和使用壽命的一個重要因素，其中瀝青膠結料作為骨料的粘結劑又是影響瀝青混合料抗老化性能的主要因素之一。瀝青老化是指瀝青性質隨時間而變化的現象，是一個漸變的過程，分為短期老化和長期老化。該文通過薄膜烘箱老化試驗（TFOT）、壓力老化試驗（PAV）分別模擬瀝青短期老化和長期老化，通過對瀝青進行動態剪切流變（DSR）試驗，得到原樣瀝青及不同老化程度瀝青的流變性能數據，分析基質瀝青、改性瀝青的老化性能差異和瀝青的流變性能。

1 試驗設計

試驗采用中海70#基質瀝青和SBS改性瀝青，兩種瀝青的常規技術指標見表1和表2。

表1　70#基質瀝青的常規指標

表2　SBS改性瀝青的常規指標

試驗模擬TFOT、PAV在不同時間下的老化狀態，研究基質瀝青與改性瀝青的老化性質，老化試驗條件見表3。采用動態剪切流變儀（AR2000EX）對瀝青進行溫度掃描模式試驗，試驗條件為轉子25mm、轉速10 rad/s、采集數據的溫度T為10～60℃，通過試驗數據繪制綜合流變曲線圖。

表3　老化試驗條件

2 老化后瀝青流變測試與分析

通過DSR對基質瀝青、SBS瀝青分別進行流變性能測試，根據試驗結果分析不同老化方式、不同老化時間下瀝青的模量、相位角及車轍因子比等流變指標。車轍因子比是瀝青老化后與老化前抗車轍因子的比值，其大小能反映瀝青因老化而變硬的程度，其值越大，瀝青的抗短期老化性能越差。

2.1老化后基質瀝青流變測試結果及分析

不同老化方式下基質瀝青的綜合流變曲線見圖1和圖2，車轍因子比見圖3和圖4。

圖1　TFOT老化基質瀝青的綜合流變曲線

圖2　PAV老化基質瀝青的綜合流變曲線

圖3　TFOT老化基質瀝青的抗車轍因子比

圖4　PAV老化基質瀝青的抗車轍因子比

從圖1可看出：基質瀝青的復數剪切模量G*隨著老化時間的增加而變大，隨著溫度的降低而增大，老化時間和溫度與瀝青剪切模量之間呈現單調變化規律，表現出瀝青材料感溫性的特點。經過TFOT老化30 h后，在同溫度下老化瀝青的模量比原始瀝青的模量大一個數量級，這與老化瀝青軟化點、粘度劇增，針入度降低的現象相一致。試驗溫度為10～20℃時，相位角δ曲線出現明顯的轉折，此時的瀝青呈現玻璃態。

從圖2可看出：經PAV老化后，基質瀝青的模量表現出與TFOT老化結果基本相同的變化規律，不同的是經過壓力老化20 h后，瀝青的相位角整體上降低較明顯，并且在35℃后相位角曲線出現平穩區，說明長時間的壓力老化使基質瀝青的粘彈組成比例發生了改變，已不是單一的熱氧化過程。

總而言之，在試驗溫度范圍內，老化后基質瀝青表現為復數模量增加，且PAV老化后瀝青的復數模量大于TFOT老化后瀝青的復數模量；相位角則表現為老化后有規律地減小，表明瀝青彈性成分增加、彈性增強。

從圖3和圖4可看出：TFOT老化、PAV老化時間為5 h時，基質瀝青的老化程度都較小；隨著老化時間的增大，瀝青經TFOT老化15 h的老化程度開始大于PAV老化20 h的老化程度，而TFOT老化30 h的曲線變化幅度明顯大于PAV老化20 h的曲線變化幅度，說明隨著TFOT、PAV老化時間的增長，瀝青老化程度增大，且TFOT老化程度大于PAV老化程度。這與老化條件有著較大的關系，PAV老化的試驗溫度較低（90～110℃），而TFOT老化的試驗溫度為163℃，后者試驗中的瀝青與空氣接觸面積大。

2.2老化后SBS瀝青流變測試結果及分析

不同老化方式下SBS瀝青的綜合流變曲線見圖5和圖6，車轍因子比見圖7和圖8。

圖5　TFOT老化SBS瀝青的綜合流變曲線

圖6　PAV老化SBS瀝青的綜合流變曲線

圖7　TFOT老化SBS瀝青的車轍因子比

圖8　PAV老化SBS瀝青的車轍因子比

由圖5和圖6可看出：在TFOT老化30 h和PAV老化20 h內，SBS瀝青的相位角δ隨著溫度的變化過程中都存在一個緩和區，35～60℃時相位角為70°左右，而基質瀝青的相位角接近90°，且變化較快，表現出較強的溫度敏感性。與基質瀝青較強的敏感性相比，經過SBS改性劑改性的瀝青的溫度敏感性表現出相對惰性，其流變曲線存在相位角緩沖區，這種特性可以使路面在容易發生車轍的條件下仍然具有較好的彈性恢復性能，保持較強的高溫穩定性能。而在TFOT老化30 h、PAV老化20 h時，改性瀝青的相位角曲線沒有緩沖區，說明長時間老化使SBS改性瀝青內部網狀結構遭到破壞，這是因為SBS改性瀝青在老化過程中改性劑會發生降解，丁二烯C=C鍵的斷鍵產生羰基和少量亞砜基，分子結構失去彈性，瀝青中的網狀結構被破壞，使改性效果逐漸消失。

從圖7和圖8可看出：SBS瀝青經TFOT老化5、10、15 h的老化程度與PAV老化5、10 h的老化程度相近。隨著老化時間的增加，TFOT老化30 h的車轍因子比曲線斜率明顯大于經PAV老化20 h的車轍因子比曲線斜率，SBS改性瀝青經TFOT老化30 h及PAV老化20 h的車轍因子比變化曲線都呈凸形，在40℃左右出現峰值，這種現象產生的原因可能與改性瀝青中改性劑的裂解有關。

綜合兩種瀝青老化前后車轍因子比結果，可看出：基質瀝青的車轍因子比大于改性瀝青，且曲線變化幅度大于后者，說明改性瀝青的抗老化性能優于基質瀝青，改性瀝青的性能更穩定。

3 結論

（1）老化后基質瀝青的復數剪切模量G*增加，PAV老化后瀝青的復數剪切模量大于TFOT老化后瀝青的復數剪切模量；老化后瀝青的相位角成規律性地減小，使瀝青彈性成分增加、彈性增強，但經過PAV長期老化后相位角出現平穩區，表明后期的老化不是單一的氧化老化。

（2）在TFOT老化30 h和PAV老化20 h內，SBS瀝青的相位角變化存在一個緩和區，這是由SBS改性劑帶來的彈性效果，這種特性可使路面在容易發生車轍的條件下仍然具有較好的彈性恢復性能，保持較強的高溫穩定性能。在TFOT老化30 h、PAV老化20 h時，SBS改性瀝青的相位角曲線沒有緩沖區，說明長時間老化使SBS改性瀝青內部網狀結構遭到破壞，這是由于SBS改性劑在長時間受熱或壓力條件下降低了增效性能。

（3）基質瀝青的車轍因子比大于改性瀝青，其車轍因子比曲線變化幅度大于后者，說明改性瀝青的抗老化性能優于基質瀝青，其性能更穩定。

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U416.217

A

1671-2668（2016）05-0073-03

2016-04-07