基于流變指標的瀝青老化程度評價與機理分析

余 琦 趙 兵 易 凱 殷衛永 李碩磊

(中國建筑股份有限公司三門峽市國道310南移新建工程指揮部1) 三門峽 472000)(交通運輸行業公路建設與養護技術、材料及裝備研發中心2) 鄭州 450000)(河南省交通規劃設計研究院股份有限公司3) 鄭州 450000)

0 引 言

瀝青膠結料是道路工程中重要的基礎原材料，良好的瀝青膠結料性能對保證道路工程質量至關重要.實際生產施工過程中，瀝青經過長期高溫儲存及反復加熱后易發生不同程度的老化,導致性能衰減.目前關于瀝青老化后性能的研究主要集中在老化后針入度、延度等常規指標和車轍因子、復數模量等流變指標.徐發勝等[1]通過測試瀝青常規三大指標及動態剪切流變等指標研究了特立尼達湖瀝青改性瀝青的耐老化性能，表明TLA改性瀝青的耐老化性較基質瀝青明顯提高.柳景祥等[2]研究了不同光熱條件老化后基質瀝青殘留針入度、軟化點、復數模量和相位角變化，并結合組分分析發現瀝青光熱老化的主要原因是羰基和亞砜基的生成.曹芳[3]通過常規指標及測力延度指標研究了三種PE改性劑分別與SBS復合改性瀝青的抗老化性能，表明SBS與LDPE復合改性瀝青抗老化性能最優.孟勇軍等[4]分析了水分作用條件下瀝青復數模量與車轍因子的變化規律，表明水分作用增大了SBS改性瀝青長期老化后抗變形能力.此外，還有部分關于瀝青老化后旋轉黏度[5]、勁度模量[6]等性能指標的研究，并借助紅外光譜[7]、凝膠滲透色譜[8]、熒光顯微鏡[9-10]等方法分析老化機理及微觀相態結構.

瀝青老化后性能與老化程度密切相關，流變性能是評價瀝青性能的重要指標，且受瀝青老化程度影響較大[11-12].因此，可研究流變性能隨老化程度連續變化規律，建立兩者相關關系，通過流變性能確定瀝青老化程度，進而評價瀝青老化后綜合性能.

基于此，文中采用RTFOT試驗和PAV試驗對基質瀝青和SBS改性瀝青進行模擬短期老化和長期老化，基于DSR試驗評價瀝青老化后流變性能，并建立車轍因子、測試溫度和老化時間的相關關系，同時結合老化后瀝青混合料低溫抗裂性能和水穩定性能，建立基于高溫流變性能的瀝青老化程度評價體系，以期為工程應用中評價瀝青老化程度和老化后性能提供參考和借鑒.

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用原材料為AH-70基質瀝青和SBS改性瀝青，性能指標見表1.

表1 瀝青性能檢測結果

1.2 試驗方法

1) 短期老化 采用旋轉薄膜烘箱老化試驗(RTFOT)對瀝青進行短期老化，模擬施工過程中發生的熱氧老化.老化時間為40，85，180，240，300 min.

2) 長期老化 采用RTFOT老化85 min后的瀝青，利用壓力老化儀(PAV)，在高溫高壓下對瀝青進行室內加速老化試驗，模擬道路在實際使用過程中不同年限的老化.老化溫度110 ℃，老化時間5，10，15，20，25 h.

3) DSR試驗 采用MCR301型動態剪切流變儀，試驗角頻率10 rad/s，轉動軸直徑25 mm，分別對RTFOT老化后和PAV老化后的瀝青殘留物取樣，進行動態剪切流變試驗.試驗溫度選取52，58，64，70，76 ℃五個溫度，根據試驗得到的復數模量G*和相位角δ計算車轍因子G*/sinδ.

4) 紅外光譜試驗 采用傅里葉紅外光譜儀測試瀝青老化后波譜特征，掃描波數范圍為4 000～500 cm-1，掃描次數為32次.

5) 混合料彎曲試驗和浸水馬歇爾穩定度試驗 由于瀝青老化后變硬變脆，高溫性能提高，低溫韌性降低.老化對瀝青混合料低溫抗裂性能和水穩定性能影響較大.分別對RTFOT老化后和PAV老化后的瀝青殘留物取樣，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》方法成型混合料彎曲試驗和浸水馬歇爾穩定度試驗測試試件，研究老化后瀝青混合料性能.

2 結果與討論

2.1 瀝青老化后高溫流變性能

根據Superpave規范，原樣瀝青車轍因子G*/sinδ應不小于1.0 kPa，車轍因子為1.0 kPa時對應的溫度為失效溫度.RTFOT老化后的瀝青車轍因子G*/sinδ應不小于2.2 kPa.老化后車轍因子G*/sinδ越大，瀝青越硬，黏度越高.分析計算瀝青經不同條件老化后車轍因子及失效溫度，研究瀝青老化后流變性能變化規律.

2.1.1不同程度RTFOT老化后高溫流變性能

不同RTFOT老化后基質瀝青和SBS改性瀝青車轍因子G*/sinδ隨流變試驗溫度變化情況見圖1.不同溫度下基質瀝青和SBS改性瀝青車轍因子G*/sinδ隨老化時間變化情況見圖2.

圖1 不同RTFOT老化程度基質瀝青和SBS改性瀝青車轍因子隨溫度變化

圖2 不同溫度下基質瀝青和SBS改性瀝青車轍因子隨RTFOT老化時間變化

由圖1可知，隨著測試溫度提高，不同老化時長的瀝青車轍因子逐漸減小.原樣基質瀝青的失效溫度為66.3 ℃，高溫等級為PG64.基質瀝青經過40，85，180，240，300 min RTFOT老化后的失效溫度分別為63.4，66.1，69.4，73.0，75.5 ℃，高溫等級分別為PG58，PG64，PG64，PG70，PG70.原樣SBS改性瀝青失效溫度為77.1 ℃，高溫等級為PG76.SBS改性瀝青經過40，85，180，240，300 min RTFOT老化后的失效溫度分別為69.6，74.9，77.8，79.7，82.3 ℃，高溫等級分別為PG64，PG70，PG76，PG76，PG82.基質瀝青和SBS改性瀝青的失效溫度均隨老化時間的增加而增大，兩種瀝青在40和85 min的失效溫度均小于未老化原樣瀝青，這是由于老化40和85 min后，車轍因子增加并不非常顯著，但是失效溫度對應的車轍因子由1.1增大到2.2 kPa所致.隨著老化時間的增加，失效溫度超越了未老化原樣瀝青，老化程度增加.

由圖2可知，在相同的溫度下，隨著老化時間增加，基質瀝青和SBS改性瀝青的車轍因子都逐漸變大.通過對車轍因子與老化時間曲線進行數據擬合發現，不同測試溫度下車轍因子與RTFOT老化時間之間具有良好的指數對應關系，兩者關系為

G*/sinδ=AeBt

(1)

式中：G*/sinδ為車轍因子；t為老化時間；A和B為回歸系數.

系數A和B受到車轍因子測試溫度影響，根據圖2回歸方程，不同測試溫度下系數A和B值見表2.

表2 RTFOT老化后擬合曲線系數A和B與溫度的關系

由表2可知，系數A和B與溫度之間具有較好的對應關系，可將系數A和B用測試溫度表示.因此，RTFOT老化后車轍因子可用老化時間和車轍因子測試溫度表示.基質瀝青和SBS改性瀝青老化后車轍因子與老化時間和溫度的函數方程為

G*/sinδ=6×1015θ-8.237e(-2×10-6θ2+0.000 2θ-0.000 6)t

(2)

G*/sinδ=4×1011θ-6.096e(-2×10-7θ2+3×10-5θ+0.004 6)t

(3)

式中：θ為車轍因子測試溫度，℃.

2.1.2不同程度PAV老化后高溫流變性能

經不同PAV老化時間后瀝青車轍因子G*/sinδ隨測試溫度變化情況見圖3.不同溫度下瀝青車轍因子G*/sinδ隨老化時間變化情況見圖4.

圖3 不同PAV老化程度基質瀝青和SBS改性瀝青車轍因子隨溫度變化

圖4 不同溫度下基質瀝青和SBS改性瀝青車轍因子隨PAV老化時間變化

由圖3可知，老化后SBS改性瀝青的車轍因子明顯高于基質瀝青車轍因子.隨著溫度升高，基質瀝青和SBS改性瀝青的車轍因子均逐漸減小.在相同的溫度下，兩種瀝青的車轍因子均隨著老化時間的增加而逐漸增大.PAV老化后車轍因子比RTFOT老化后車轍因子增加更明顯，表明瀝青經PAV老化后，輕質組分減少更明顯，老化程度更高.

由圖4可知，在相同的溫度下，隨著老化時間的增加，基質瀝青和SBS改性瀝青的車轍因子均逐漸變大.通過對車轍因子與老化時間曲線數據擬合發現，不同測試溫度下車轍因子與PAV老化時間之間具有良好的線性關系，兩者關系為

G*/sinδ=A+Bt

(4)

系數A和B受到車轍因子測試溫度影響，根據圖4回歸方程，不同測試溫度下系數A和B值見表3.

由表3可知，系數A和B與溫度之間具有較好的對應關系，可將系數A和B用測試溫度表示.因此，PAV老化后車轍因子可用老化時間和車轍因子測試溫度表示.基質瀝青和SBS改性瀝青PAV老化后車轍因子與老化時間和溫度的函數方程分別為

表3 PAV老化后擬合曲線系數A和B與溫度的關系

G*/sinδ=4×1015θ-8.975+4 483e-0.116θt

(5)

G*/sinδ=2×1011θ-6.428+4 849.6e-0.102θt

(6)

2.2 瀝青老化后混合料路用性能

瀝青老化后低溫彎曲應變和殘留穩定度試驗結果分別見圖5～6.

圖5 RTFOT老化后瀝青混合料性能

圖6 PAV老化后瀝青混合料性能

由圖5～6可知：基質瀝青和SBS改性瀝青經過RTFOT老化和PAV老化后，低溫彎曲應變和殘留穩定度均明顯降低，PAV老化后降低幅度更明顯，表明老化后低溫抗裂性能和水穩定性能降低，PAV老化后瀝青老化程度更高.RTFOT老化時間小于85 min時，老化后混合料低溫彎曲應變和殘留穩定度基本仍能滿足規范要求.當老化時間在85～180 min時，老化后混合料低溫彎曲應變和殘留穩定度已降至約老化前的80%.隨著老化時間增加，混合料性能進一步降低.PAV老化時間小于5 h時，老化后混合料低溫彎曲應變和殘留穩定度已降至約老化前的80%.當老化時間在5到15 h時，基質瀝青和SBS改性瀝青混合料低溫彎曲應變和殘留穩定度已降至約老化前的60%.隨著老化時間增加，混合料性能持續下降.

2.3 FTIR分析

SBS改性瀝青RTFOT老化和PAV老化后FTIR分析結果見圖7.

圖7 SBS改性瀝青老化后FTIR分析結果

由圖7可知，經RTFOT不同老化時間的SBS改性瀝青峰位和形狀與原樣瀝青基本相同，經PAV不同老化時間的SBS改性瀝青峰位和形狀與初始RTFOT老化85 min的SBS改性瀝青基本相同.兩種老化模式下，老化時間越長，吸收峰強度越強.在1 698 cm-1處均出現了新的羰基吸收峰，該羰基吸收峰和1 032 cm-1處的亞砜基的吸收峰隨著老化程度的增加峰值明顯增強.966 cm-1處的丁二烯吸收峰老化后呈現不同程度的衰減.羰基和亞砜基可以反應瀝青老化的進程，通過羰基和亞砜基含量的變化分析瀝青的老化進程.FTIR分析表明隨著老化時間增加，瀝青中羰基和亞砜基逐漸增多，丁二烯逐漸減少，瀝青老化程度加深.

2.4 基于老化后高溫流變性能的瀝青老化程度評價

上文研究了RTFOT老化和PAV老化后，瀝青車轍因子與老化時間之間的對應關系，以及老化后瀝青混合料低溫彎曲應變和殘留穩定度隨老化時間的變化規律，可根據老化后高溫流變車轍因子判斷瀝青老化時間，再根據老化時間評估混合料性能和瀝青老化程度.因此可建立基于高溫流變性能的瀝青老化程度評價體系，見表4.

表4 基于高溫流變性能的瀝青老化程度評價體系

由表4可知，瀝青老化分為短期老化和長期老化兩種類型.根據老化時間不同，每種老化類型分為初級老化、中等老化和嚴重老化三個等級.短期老化類型初級老化等級，瀝青性能通常變化并不十分顯著，各性能指標仍滿足要求，不影響正常使用；短期老化類型中等老化等級，混合料性能降低至老化前約80%水平，老化后瀝青是否繼續使用可根據瀝青性能、工程要求等具體情況確定；短期老化類型嚴重老化等級，混合料性能低于老化前的80%水平，老化后瀝青不建議繼續使用.長期老化初級老化等級混合料性能降低至老化前的約80%水平，類似于短期老化類型的中等老化等級，視具體情況確定老化后瀝青能否使用；長期老化中等和嚴重老化等級，混合料性能降低至老化前約60%水平或更低，老化后瀝青不能使用.

工程應用中可根據瀝青老化過程和環境選擇老化類型，測試老化后瀝青的流變性能.根據流變指標、測試溫度和老化時間的函數關系，推算出等價老化時間，根據等價老化時間判定老化等級，進一步分析確定老化后瀝青性能及能否繼續使用.

3 結 論

1) 基質瀝青和SBS改性瀝青經過RTFOT老化和PAV老化后，車轍因子增加.在測試范圍內，老化時間越長，車轍因子增加越明顯.

2) 基質瀝青和SBS改性瀝青經過RTFOT老化和PAV老化后，不同測試溫度下老化后車轍因子與老化時間之間具有良好的相關關系.同時，不同溫度下車轍因子和老化時間回歸方程的系數與溫度之間亦具有較好的相關關系，從而建立了車轍因子、測試溫度和老化時間之間的函數關系.

3) 基質瀝青和SBS改性瀝青經過RTFOT老化和PAV老化后，瀝青混合料低溫抗裂性能和水穩定性能降低.在測試范圍內，老化時間越長，性能降低越明顯，從而建立了老化時間與混合料性能之間的關系.

4) 通過測試瀝青老化后車轍因子，根據車轍因子、測試溫度和老化時間之間的函數關系，可得到瀝青等價老化時間.再根據等價老化時間與性能的關系，可評價老化后瀝青及混合料性能和老化程度，從而建立了基于高溫流變性能的瀝青老化程度評價體系，達到基于流變指標評價瀝青老化程度和性能的目的.

5) 基于流變指標評價瀝青老化程度和性能是根據室內試驗數據，結合統計學原理得到的統計分析規律，后期可通過更多工程實踐對該規律進行進一步驗證和完善.