瀝青老化及老化預測模型的研究進展

劉 燕 沈菊男

(蘇州科技大學道路工程研究中心，江蘇 蘇州 215011)

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瀝青老化及老化預測模型的研究進展

劉 燕 沈菊男

(蘇州科技大學道路工程研究中心，江蘇 蘇州 215011)

介紹了瀝青老化在國內外的研究現狀，并分析了預測瀝青老化壽命的非線性方程在國內外的研究進展，指明了國內現有瀝青老化研究的局限性，為類似問題的深入研究提供參考。

瀝青，老化速率，非線性方程，微觀性能

1 瀝青老化國內外研究進展

瀝青老化的評價試驗方法分為相應的兩種方式，即短期和長期老化。表1整理了近10年來研究者對瀝青老化的研究。

從表1國內外學者的研究中可以發現，老化瀝青的性能包括微觀組成結構和動態流變性能。有學者利用IR從微觀角度研究瀝青老化后化合物(羰基和羧基)的含量變化；利用AFM研究瀝青老化后微觀表面的粗糙度和平整度；利用四組分分析老化前后四組分的含量變化；利用GPC試驗所得的LMS參數研究瀝青老化后的分子大粒徑變化；還有對低溫抗裂和粘度等力學性能的研究。

但是，國內外關于瀝青老化因素的研究主要是直接選用瀝青進行室內模擬老化，這些模擬老化條件主要集中在光、熱、氧和水單一或二者耦合的作用，沒有考慮熱、氧、光和水等多種氣候環境因素的耦合作用，這與實際的瀝青老化條件相差太大。

2 瀝青老化非線性模擬的國內外研究進展

2.1 國外研究現狀

早在1995年，美國試驗與材料學會(ASTM)提出了瀝青一般老化模型：

loglogη=A+VTSlogTR。

1995年，Norman W. Garrick[9]認為，氧化過程取決于瀝青分子和氧氣分子的相遇幾率，采用如下的非線性微分方程描述：

x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]。

其中，x(t)為t時刻兩種分子的結合程度；x0為x的初始值；L，r均為常數。

表1 近10年對瀝青老化的研究

2015年，Ye Fen[10]等選用3%,3.5%,4%的SBS改性瀝青，溫度從170 ℃到30 ℃，每20 ℃為一級，取相應溫度的瀝青試樣中間一小部分迅速降溫至零下以保住其穩定的微觀結構，然后采用熒光顯微鏡分別觀測其微觀結構圖。在直觀的圖片中可以發現，SBS改性劑(白色部分)隨著溫度的降低會呈現聚集的趨勢，隨后采用MATLAB將圖片劃分為若干個很小的網格，統計每個網格中白色部分所占的像素數并計算統計頻次，這樣就獲得了像素數的平均值μ與方差σ2，并選取標準差與平均值的比值Vσ來表征SBS顆粒的離散程度。研究最終提出了一個普遍方程Vσ=ae-bT(a,b>0)用來表征SBS瀝青微觀結構特征指標與溫度的定量關系。

2.2 國內研究現狀

紀小平[12]試圖應用微分方程去描述瀝青性能在外界條件作用下的老化，并且量化了瀝青老化過程中的兩個參數：老化速率和最終老化程度。

鄭南翔[13]認為，瀝青的老化過程主要是由兩個官能團的接觸機會決定的。根據這個假設，可以認為瀝青在老化開始時刻的性能的改變率是最大的，隨著老化的進行，官能團之間的接觸程度越來越高，最終老化速率將趨于零。式(1)可以用來描述瀝青的老化規律。

x′(t)=ax(t)-bx2(t)

(1)

其中，x(t)為t時刻的瀝青性能；x′(t)為瀝青性能在t時刻的改變率；a,b均為常數。

令a=r，a/b=K，將式(1)寫成式(2)，以更好的描述老化方程：

x′(t)=rx(t)[1-x(t)/K]

(2)

將式(2)分離變量，得此微分方程的解：

x(t)=K/(1+Ce-rt)

(3)

其中，C為常數。

假設瀝青在初始時刻(t=0)的性能為x0，則將t=0代入式(3)，得：

C=(K/x0)-1

(4)

將式(4)代入式(3)，得到：

x(t)=K/[1+(K/x0-1)e-rt]

(5)

令K=Lx0，這個方程可以進一步的簡化為：

x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]

(6)

其中，r,L均為常數。

紀小平[12]采用基質瀝青進行不同時間的RTFOT。以未老化的瀝青性能為初始時刻的瀝青性能，以老化450min的瀝青性能為瀝青的最終性能，得到預測瀝青老化的非線性微分方程。最后比較發現，理論方程與實驗值之間有很好的擬合程度，說明瀝青的室內老化可以通過方程x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]來模擬。

康宏偉，譚學章[14]采用的模擬方程依然是x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]，選用SBS改性瀝青，分別進行不同時間的RTFOT，再測定其針入度、5 ℃延度、軟化點、135 ℃粘度指標。最后，以老化時間t為自變量，瀝青性能指標為因變量，建立起用來預測瀝青老化時間的非線性微分方程。通過對試驗值與老化方程理論計算值之間的相關性分析，發現其相關性系數均在0.9以上，從而驗證了該方程用于預測瀝青老化壽命的可靠性。

3 結語

國外動態反映瀝青老化程度的方程多為線性、對數或指數方程，這類方程的缺點是只能反映瀝青老化程度而不能反映其老化速率。國內學者采用的非線性方程基本都為x′(t)=ax(t)-bx2(t)，這個方程的一個非常有用的特性是它能被方程兩邊的x的初始值x0常態化，方程的常態化模型能夠解決有不同初始值的系統模型。但是，國內現有研究的局限性在于：

1)室內模擬老化試驗，如RTFOT,60 ℃通風烘箱老化試驗，這些模擬試驗的條件只考慮了熱、氧兩個因素，既沒有考慮熱、氧、光和水等多種氣候環境因素的耦合作用，也沒有考慮瀝青混合料特性(瀝青膜厚度、孔隙率和礦料)對瀝青老化的影響。

2)測定的老化后瀝青指標為針入度、軟化點、粘度和延度，這些指標都是瀝青的常規指標，而對于瀝青老化的微觀性能(如羰基、瀝青質、膠質、油分的含量)和高溫蠕變、疲勞、低溫抗裂等力學性能指標，并沒有以此建立的模型。

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Research progress of asphalt aging and aging prediction model

Liu Yan Shen Junan

(CenterforRoadEngineeringResearch,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011,China)

The paper introduces the research status of the asphalt aging at home and abroad, analyzes the non-linear equation of predicting the asphalt aging lifespan at home and abroad, and points out the limitation of the asphalt aging in China, so as to provide some reference for the deeper research on the similar problems.

asphalt, aging rate, non-linear equation, micro-performance

1009-6825(2017)14-0108-03

2017-03-06

劉 燕(1992- )，女，在讀碩士； 沈菊男(1962- )，男，博士，教授

TU535

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