光熱耦合對基質瀝青物化性能的影響研究*

柳景祥 陳美祝 喻文海 張 東 劉思晴

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

瀝青作為一種有機高分子材料，受太陽光照極易發生氧化和縮合等老化反應，導致路面產生裂縫、松散等病害[1-2].強紫外光輻照的西部地區，瀝青路面更易發生過早老化[3].多年來，國內外對瀝青老化開展了大量研究并取得不少成果，但這些研究大多通過室內模擬加速老化方法改變實驗溫度或者環境氣壓大小來對試樣進行的，忽視了光熱同時作用對瀝青路面材料的影響，與瀝青路面實際服役中所遭受的光熱老化有很大差異[4].

國外學者對瀝青及瀝青混合料的光老化進行了多年的研究，并取得了一系列成果.Migliori等[5]在紫外光條件下研究了SBS改性瀝青中聚合物分子結構的變化規律.Mouillet等[6]開發了一種紫外老化試驗裝置研究瀝青長期老化.國內學者對此也展開了大量工作.葉奮等[7]研究了瀝青在紫外光輻照條件下的光氧老化機理，調研了青藏高原地區的紫外輻照強度和波段區間分布，建立了瀝青紫外光老化仿真系統.叢培良等[8]研究了不同溫度、不同紫外光強度及輻照時間對SBS改性瀝青性能的影響，發現了SBS改性瀝青在光熱耦合條件下性能變化規律.

綜上所述，國內外學者對瀝青的熱氧和紫外老化做了大量研究，但對紫外光輻照條件下瀝青混合料老化及其抽提瀝青的規律研究較少.本文依托國家重大科學儀器設備開發與應用專項，以蘭州為少雨、強紫外光地區為代表，通過該地區紫外光年輻照總量、年均氣溫的調查研究確定瀝青光熱老化實驗參數，對AH-70瀝青混合料進行老化實驗，研究老化瀝青的常規物理性能、流變性能以及四組分與官能團結構的變化，并與傳統老化實驗進行對比分析，為研究強紫外輻照地區瀝青老化規律提供了更準確地模擬方法.

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料及其主要物理性質

采用AH-70 重交石油瀝青，集料為玄武巖，礦粉為石灰石粉.依據文獻[9]對原材料的基本物理性能指標進行測試，結果表明,各項性能均滿足相應規范要求,見表1～2.

1.2 實驗方法

表1 AH-70基質瀝青性能指標測試結果

表2 粗集料性能測試結果

以AH-70基質瀝青混合料為研究對象，通過對蘭州地區氣溫及紫外光強度的調查，確定瀝青混合料老化的光熱參數，并與瀝青混合料加速老化實驗進行對比[10].瀝青混合料老化后，抽提其中的老化瀝青，并測試其常規物理性能、流變性能及四組分與官能團結構的變化，具體技術路線見圖1.

圖1 技術路線圖

經調查，蘭州地區紫外輻照總量在410～468 MJ/m2之間.選取1 000 W高壓汞燈作為紫外光光源，調整紫外光光源離試樣表面的距離為15 cm得到輻照強度為221.9～248.5 W/m2的紫外線.本實驗設定模擬12，20，28及36個月的自然紫外輻照總量，對應室內模擬紫外光輻照時間分別為15，25，35及45 d.根據甘肅蘭州市2012—2016年月均、季均及年均氣溫的變化情況，將環境溫度設置為8，16，24，32 ℃，并通過軸流風機和壓縮機對箱內溫度進行控制.

蘭州地區出現年均氣溫8～9 ℃的天數較多，故將8 ℃設定為環境溫度，紫外光輻照時間為變量(試樣編號分別為D1，D2，D3，D4)，以研究路面材料在紫外光輻照時間為變量下的光熱老化；選取1年的紫外輻照總量為定量，以環境溫度為變量(試樣編號分別為T1，T2，T3，T4)，以研究路面材料在環境溫度為變量下的光熱老化.將未經老化作用的試樣編號為Y0，將經加速老化后的試樣編號為L0.

2 實驗結果與討論

2.1 光熱老化對抽提瀝青物理性能的影響

2.1.1瀝青殘留針入度比

瀝青的稠度和軟硬程度可以采用針入度值的大小來反映，將瀝青老化后的針入度與老化前的比值定義為殘留針入度比，其可反映瀝青的老化程度[11].當老化瀝青殘留針入度比越小時，表明瀝青老化后針入度越小，其老化越嚴重.圖2為紫外光輻照時間和環境溫度對瀝青殘留針入度比的影響規律.

圖2 不同紫外光輻照時間與溫度對瀝青殘留針入度比的影響

由圖2可知，隨著紫外光輻照時間與環境溫度的增加，瀝青殘留針入度比均是逐漸降低的，說明瀝青的老化程度在逐漸加深.同時可以發現瀝青的殘留針入度比與紫外光輻照時長、溫度均具有較好的線性相關性，這說明紫外光輻照時間與環境溫度均可以較好地預測瀝青老化程度，且從擬合方程y=ax+b中的a的絕對值大小可知，殘留針入度受溫度的影響更為顯著.

2.1.2瀝青軟化點增量和粘度老化指數

瀝青的高溫穩定性和稠度可以采用軟化點和粘度的大小來反映，為了更好地評價紫外光輻照與溫度對瀝青性能的影響，本文還采用軟化點增量(SPI)和粘度老化指數(VAI)來評價瀝青的老化程度.軟化點增量及粘度老化指數計算，見式(1)～(2).

SPI=Saged―Sunaged

(1)

VAI= (Vaged―Vunaged) /Vunaged×100

(2)

式中：SPI為軟化點增量，℃；Saged為老化后軟化點，℃；Sunaged為老化前軟化點，℃)；VAI為粘度老化指數，%；Vaged為老化后粘度，Pa·s；Vunaged為未老化粘度，Pa·s.

軟化點增量和粘度老化指數越大則表明瀝青老化越嚴重.圖3為紫外光輻照時間與溫度對瀝青的軟化點增量和粘度老化指數的影響規律.

圖3 不同紫外光輻照時間與溫度對瀝青軟化點增量和粘度的影響

由圖3可知，軟化點增量和粘度老化指數隨紫外光輻照時間和溫度的增加而增加，而且也是具有線性相關性；與對瀝青殘留針入度影響規律一樣，仍然是溫度的影響更為顯著.同時可以發現，在相同實驗條件下，軟化點增量的擬合方程y=ax+b中a的絕對值相對較大，這說明瀝青軟化點比其粘度受紫外光與溫度影響更為顯著.因此，該結果說明，紫外光與溫度對瀝青軟化點與粘度有較大影響，且溫度的影響相對顯著，與瀝青殘留針入度的影響規律一致.

2.1.3瀝青流變性能

瀝青是一種對溫度和荷載變化十分敏感的粘彈性材料，隨著溫度的升高，瀝青的流動性增大，其復合模量(G*)逐漸減小，抗流動變形能力減弱且較容易出現永久變形.若G*值在一定溫度下較大，則其抵抗外加荷載變形的能力較強.本文采用DSR實驗評價不同光熱老化后瀝青的流變性能，圖4為不同老化瀝青及未老化瀝青復合模量的變化規律.

圖4 不同老化條件對瀝青復合模量的影響

由圖4可知，瀝青復合模量隨紫外光輻照時間和環境溫度的增加而增加，說明其老化程度逐漸加深，抵抗變形的能力逐漸增強.L0模擬的是路面5～7年服役的老化過程，結果顯示L0與D4，T2復合模量接近老化程度相似，表明光熱老化條件較單純熱氧老化更嚴苛.比較D4和T2可知，在環境溫度為16 ℃、紫外輻照15 d的情況下就能達到環境溫度為8 ℃、輻照時長45 d的老化水平.因此，復合模量結果表明瀝青光熱老化過程中，發生了光熱耦合效應，且溫度促進瀝青紫外光老化更為明顯.

由于瀝青的粘彈性，在外力的作用下，瀝青產生應變滯后，利用相位角(δ)來衡量.相位角越大表明材料粘性成分越多，彈性成分越少；反之，粘性成分越少，彈性成分越多.圖5為不同老化瀝青及未老化瀝青相位角的變化規律.由圖5可知，相位角隨紫外光輻照時間和環境溫度的增加而逐漸減小，說明瀝青變硬變脆，彈性成分增多，粘性成分減少，且環境溫度對于高溫相位角的影響較明顯，與復合模量變化規律一致.

圖5 不同老化條件對瀝青相位角的影響

2.2 光熱老化對抽提瀝青化學組分及化學結構的影響

2.2.1瀝青四組分

瀝青中各個組分的相對含量決定了瀝青的膠體結構，為了進一步研究光熱老化對瀝青的膠體結構的影響，本文采用了四組分測試方法研究老化瀝青的膠體結構.通過瀝青的膠體不穩定指數(Ic)反映軟瀝青質分散瀝青質的能力，其值越高表明瀝青膠體結構越不穩定，老化程度越嚴重.膠體不穩定指數計算式見式(3).

膠體不穩定指數=(飽和分+瀝青質)/(膠質+芳香分)

(3)

圖6為不同老化條件對瀝青四組分的影響，可以看出芳香分、瀝青質以及膠質含量隨紫外光輻照強度和環境溫度增加均有明顯變化，其中芳香分含量明顯降低，瀝青質含量增加，飽和分含量較穩定.瀝青質含量的增加提高了瀝青的稠度，使得瀝青軟化點升高、粘度增加，針入度減小，也影響著瀝青的流變性能，與前文物理性能變化規律研究相符.L0瀝青質含量與D4接近，且介于T2和T3之間，說明其老化程度接近，表明光熱老化比單純熱氧老化更嚴重，該結果表明光熱老化過程中紫外光和溫度相互促進了對瀝青的老化作用，且溫度促進效果更為明顯.

圖6 不同老化條件對瀝青四組分的影響

圖8為不同老化條件對瀝青膠體不穩定指數的影響，可以看出膠體不穩定指數隨環境溫度和紫外光輻照時間的增加而呈增長趨勢，表明其老化程度逐漸加深，膠體結構逐漸轉變為凝膠型；與物理性能研究結果一致，膠體不穩定指數隨環境溫度變化更明顯.同時，結果顯示L0，D2，D3和T2的膠體不穩定指數接近，結合模擬老化時長，說明了光熱老化條件更嚴苛.膠體結構的轉變結果進一步表明瀝青光熱老化過程中，發生了光熱耦合效應，且溫度占主導作用.

圖7 不同紫外光輻照時間與溫度對瀝青膠體結構不穩定指數的影響

2.2.2瀝青化學結構

瀝青紅外光譜中吸收峰的位置、強度，可以用于判斷瀝青老化前后官能團的變化，以了解瀝青光熱老化的機理.為了突出不同老化條件官能團變化的區別，綜合前文的分析，選取了Y0，L0，D4和T4條件下的老化瀝青進行測試分析.其中，與瀝青老化密切相關的兩個官能團是羰基和亞砜基，瀝青老化越嚴重，這兩個官能團的變化峰面積越大，強度指數越大，見式(4)～(5).

(4)

(5)

圖8 不同老化條件下瀝青的紅外光譜圖

表3為瀝青老化前后的羰基和亞砜基指數，由表3可知，羰基指數由小到大依次為Y0，D4、T4、L0，表明熱氧老化對瀝青中羰基含量影響較大，高溫和氧氣更利于瀝青中羰基的生成；亞砜基指數由小到大依次為L0，Y0，T4，D4，表明了紫外輻照是促使瀝青中硫化物氧化為亞砜基的關鍵因素.由此，這可以揭示了在光熱老化過程中光熱耦合作用的成因，隨著紫外光輻照時間以及環境溫度的增加，與瀝青老化相關的亞砜基指數和羰基指數不斷增長，從而加速了瀝青的老化.

表3 不同老化條件下瀝青羰基和亞砜基指數

3 結 論

1) 隨著紫外光輻照時間的增加以及環境溫度的上升，瀝青殘留針入度比、軟化點增加和粘度老化指數均呈現出線性增長趨勢，表明光熱老化過程中，紫外光輻照時間以及環境溫度均能很好地預測老化瀝青的性能.

2) 隨著紫外光輻照時間的增加和環境溫度的上升，瀝青復合模量逐漸增加，相位角逐漸減小，老化程度加深，瀝青變硬變脆，彈性成分增多，粘性成分減少；復合模量和相位角隨環境溫度變化較明顯.對比傳統熱氧老化可知，光熱老化過程產生了光熱耦合效應，且環境溫度在耦合效應中占主導作用.

3) 從微觀機理上講，隨著紫外光輻照時間的增加以及環境溫度的上升，瀝青中輕質組分減少，膠體不穩定指數增加，膠體結構從溶膠型轉變為凝膠型；紫外光輻照時間一定時，四組分隨環境溫度變化更為明顯；不同老化條件下，瀝青中分子結構變化不同，熱氧老化和紫外光輻照分別促進羰基和亞砜基的生成，是造成光熱耦合老化的主要因素.

[1] 張登良.瀝青與瀝青混合料[M].北京：人民交通出版社,1993.

[2] 呂偉民，嚴家伋.瀝青路面再生技術[M].北京:人民交通出版社,1989.

[3] 馬莉骍.瀝青及瀝青混合料老化過程中的粘彈性能研究[D].武漢：武漢理工大學,2012.

[4] PETERSEN J C, HARNSBERGER P M, ROBERTSON R E. Factors affecting the kinetics and mechanisms of asphalt oxidation and the relative effects of oxidation products on age hardening[J]. Preprints of Papers American Chemical Society Division of Fuel Chemistry, 1996,41(1):55-58.

[5] MIGLIORI F, CORTé J F. Comparative study of RTFOT and PAV aging simulation laboratory tests[J]. Transportation Research Record，1998(1):56-63.

[6] MOUILLET V, FARCAS F, BESSON S. Ageing by UV radiation of an elastomer modified bitumen[J]. Fuel, 2008,87(12):2408-2419.

[7] 葉奮，黃彭.瀝青紫外線老化仿真系統的建立[J].建筑材料學報，2005,8(5):567-571.

[8] 叢培良，許培俊，邢明亮，等.光熱耦合條件對SBS改性瀝青性能的影響研究[J].公路，2013(5):147-151.

[9] 交通部公路科學研究所.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程：JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社,2011.

[10] 魏榮梅，余劍英，吳少鵬，等.紫外光老化對瀝青化學族組成和物理性能的影響[J].石油瀝青，2006,20(1):6-10.

[11] WU S, PANG L, MO L, et al. UV and thermal aging of pure bitumen-comparison between laboratory simulation and natural exposure aging[J]. Road Materials & Pavement Design，2008,9(S1):103-113.