炭黑改性瀝青的老化特性及其混合料路用性能的分析

文/新疆交通規劃勘察設計研究院 珠力克

瀝青的老化性能對于其耐久性以及瀝青路面的使用壽命具有重要的意義，該研究針對基質瀝青以及摻量為10%的炭黑（包括未造粒與造粒）改性瀝青（制備溫度為150℃，制備時間為1h）分別進行了薄膜烘箱試驗（TFOT），壓力老化容器（PAV）試驗與自然氣候老化試驗。通過對比老化前后瀝青試樣的性能，研究了炭黑對瀝青短期熱氧老化、長期熱氧老化以及自然氣候老化性能的影響。該研究還將炭黑改性瀝青制備為混合料試件，通過試驗分析了炭黑對瀝青混合料性能的影響。

炭黑改性瀝青的老化性能研究

該研究炭黑采用卡博特N880造粒和未造粒兩種炭黑，瀝青采用SK70瀝青。為了進行老化性能評價，特定義以下指標：

炭黑改性SK-70瀝青的老化性能如表1所示。與基質瀝青相比，未造粒炭黑改性瀝青在TFOT老化后的質量變化率、軟化點增量和粘度老化指數均明顯減小，而殘留針入度比與殘留延度比顯著增大，這些均表明未造粒炭黑改性瀝青的耐短期熱氧老化性能有明顯改善。對于TFOT老化后的造粒炭黑改性瀝青而言，其質量變化率與基質瀝青幾乎相同，殘留針入度比與殘留延度比顯著增大，軟化點增量和粘度老化指數有所減小，這也表明造粒炭黑改性瀝青具有較好的耐短期熱氧老化性能。

PAV老化后，兩種炭黑的加入均使得瀝青的殘留針入度比與殘留延度比大大增加，而軟化點增量和粘度老化指數明顯減小，表明未造粒炭黑與造粒炭黑對瀝青的耐長期熱氧老化性能也具有較為顯著的改善作用。

從表1還可以看出，在自然氣候老化（自然暴曬約35h+雨水作用約10h）后，未造粒炭黑改性瀝青與造粒炭黑改性瀝青同樣表現出了較大的殘留針入度比與殘留延度比，以及較小的軟化點增量和粘度老化指數。此外，兩種炭黑改性瀝青相比，造粒炭黑改性瀝青的殘留針入度比與殘留延度比更大，而軟化點增量和粘度老化指數更小。這表明兩種炭黑均改善了瀝青的耐自然氣候老化性能，其中造粒炭黑的改善效果更為明顯。

表1 炭黑改性SK-70瀝青的老化性能

表2 瀝青混合料級配設計

綜上可知，兩種炭黑對瀝青的耐短期熱氧老化性能、耐長期熱氧老化性能以及耐自然氣候老化性能均具有顯著的改善作用，可以作為較好的抗老化劑應用于瀝青材料中。

炭黑改性瀝青混合料的性能評價

原材料

礦質集料選用優質石灰巖礦料，瀝青選用SK-70基質瀝青，炭黑同上。采用干法外摻試驗，即在混合料拌和過程中作為外摻劑添加至瀝青混合料中，摻量為瀝青質量的10%。為達到均勻拌和的目的，炭黑在礦質集料首次拌和時連同礦粉一同加入礦質集料中。

配合比設計

瀝青混合料類型采用密級配瀝青混凝土AC-13，初擬了三組級配設計方案后經過比選最終確定了用于試驗的礦料級配，如表2和圖1所示。

采用馬歇爾試驗分別確定對照組瀝青混合料和炭黑改性瀝青混合料最佳瀝青用量分別為4.51%和4.49%。

性能評價

水穩定性：采用浸水馬歇爾試驗評價瀝青混合料的水穩定性，分別測試60℃水浴條件下浸水馬歇爾殘留穩定度，如表3所示。結果表明，摻入炭黑后，混合料殘留穩定度下降幅度約為12.65%，炭黑的摻入會使混合料的水穩定性在一定程度上有所下降。

圖1 瀝青混合料級配曲線

表3 炭黑對瀝青混合料水穩定性的影響

高溫穩定性：采用車轍試驗評價瀝青混合料的高溫性能，測試環境溫度60℃，輪壓0.7MPa下的動穩定度，如表4所示。結果表明，摻入炭黑后，瀝青混合料的動穩定度增幅為38.75%，炭黑的加入顯著提高了瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力。

表4 炭黑對瀝青混合料高溫穩定性的影響

低溫抗裂性：采用小梁彎曲實驗，通過測定小梁試件的最大彎拉應變來評價瀝青混合料的低溫性能，如表5所示。從表5可以看出，炭黑的加入使得瀝青混合料的抗彎拉強度與彎拉應變均有所減小，表明炭黑的加入降低了瀝青混合料的低溫抗開裂性能。

表5 炭黑對瀝青混合料低溫抗裂性的影響

結語

兩種炭黑對瀝青的耐短期熱氧老化性能、耐長期熱氧老化性能以及耐自然氣候老化性能均具有顯著的改善作用，可以作為較好的抗老化劑應用于瀝青材料中。炭黑的加入顯著提高了瀝青混合料的高溫抗車轍性能，但對其水穩定性和低溫抗開裂性能卻有不利影響。