瀝青加速老化流變特性及化學特性研究

作者簡介：彭吉瑞（1992—），工程師，主要從事道路工程研究工作。

為研究瀝青結合料在不同RTFOT老化時間下的流變特性和化學特性，文章選用70#瀝青和SBS改性瀝青為研究對象，采用動態剪切流變試驗和傅里葉紅外光譜試驗開展研究，得出結論如下：70#瀝青和SBS改性瀝青兩種瀝青結合料的135 ℃布式旋轉黏度、64 ℃車轍因子、19 ℃疲勞因子及羰基指數均隨著RTFOT老化時間呈指數規律增加；瀝青老化是一個加速過程，隨著老化程度加深，瀝青各項指標快速增加或衰減；通過指數模型擬合試驗指標與RTFOT老化時間之間的關系，發現除疲勞因子外，其余指標的RTFOT老化方式與PAV老化方式相當的等效時間均為240 min左右，在實踐中可考慮采用240 min RTFOT老化代替PAV老化。

道路工程；瀝青結合料；瀝青老化；流變特性；化學特性

U414.1A180644

0?引言

瀝青路面在長期服役過程中，受到自然環境的影響，瀝青將會發生熱氧老化作用。瀝青結合料的熱氧老化作用還伴隨著聚合、觸變、脫水和分離，是一個復雜的化學變化過程［1］。在瀝青老化過程中，來自環境的氧氣擴散并與瀝青發生化學反應，使瀝青變得更硬、更脆，從而改變其性質，可能會導致疲勞和裂縫等損傷，并導致路面性能下降。在實驗室中模擬這些老化條件，并預測瀝青結合料長期老化，對瀝青路面的設計、施工有一定的參考作用。美國標準ASTM D2872［2］和我國規程JTG E20-2011［3］采用旋轉薄膜烘箱老化（RTFOT）模擬瀝青的短期老化，ASTM D6521［4］和JTG E20-2011［3］采用壓力老化（PAV）模擬瀝青的長期老化。然而，PAV較長的時間消耗以及昂貴的設備使用費用，局限了長期老化試驗的推廣和應用。因此，研究人員一直在嘗試簡化長期老化試驗以利于長期老化試驗的推廣應用。Migliori F等［5］對低標號瀝青在PAV中老化1至40 h的性能變化開展研究，結果表明：RTFOT老化相當于PAV老化5 h。Wu等［6］通過在60 ℃下不同時間的PAV試驗，探討了基質瀝青和SBS改性瀝青性能變化。經過流變學分析，研究得出結論：老化時間對SBS改性瀝青的影響與其基質瀝青密切相關。Behera等［7］使用普通實驗室烘箱模擬短期和長期老化，采用了六種瀝青結合料，包括聚合物和膠粉改性瀝青。根據車轍和疲勞性能試驗結果，普通瀝青在85 ℃下的烘箱老化3～4 d，改性瀝青在烘箱老化4～5 d，相當于PAV老化20 h。目前，對PAV試驗替代方案的研究較少，且所采用的老化瀝青評價方法比較有限。因此，本文通過增加RTFOT老化時間，并基于流變性能試驗和傅里葉紅外光譜試驗，探索RTFOT代替PAV進行瀝青長期老化試驗的可能性。

1?原材料及試驗方法

1.1?原材料

目前，我國應用較為廣泛的瀝青結合料分別為70#瀝青（主要在南方地區應用較多）和SBS改性瀝青。兩種瀝青的基本技術指標見表1。

1.2?老化方案

為探討RTFOT代替PAV進行長期老化所需的老化時間，設置5個RTFOT老化時間，分別為80 min、160 min、240 min、320 min、400 min。同時設置PAV老化參考組，PAV老化流程為先進行RTFOT老化80 min，然后進行100 ℃下20 h的標準PAV試驗。

1.3?試驗方案

1.3.1?布式旋轉黏度

對不同老化時間的RTFOT老化瀝青樣品以及PAV老化瀝青樣品開展布式旋轉黏度試驗，以測試不同老化狀態的瀝青結合料的黏度變化情況。試驗溫度為135 ℃，試驗過程參考我國規范JTG E20-2011的要求進行。

1.3.2?動態剪切流變試驗

主要測試瀝青試樣的高溫流變性能和中溫流變性能，獲得的參數為復數模量G*和相位角δ。高溫流變性能樣品直徑為25 mm、間隙為1 mm，加載頻率為10 rad/s，采用應變控制，應變控制在10%，試驗溫度為64 ℃；中溫流變性能試驗樣品直徑為8 mm，間隙為2 mm，加載頻率為10 rad/s，采用應變控制，應變控制在1%，試驗溫度為19 ℃。試驗過程參考我國規程JTG E20-2011的要求進行。

1.3.3?紅外光譜試驗

使用美國公司生產的Nicolet iS5紅外光譜儀，每次試驗（包括樣品放置和測量）進行測試所需的時間小于5分鐘。測量范圍在400～4 000 cm-1的波數范圍內，用于研究熱氧老化對化學成分變化的影響。對于烴類物質來說，羰基是最常見的氧化官能團，羰基（C=O）指數是被廣泛認可的反映瀝青氧化的評價指標［8］，因此本文采用羰基（C=O）評價瀝青氧化水平。選取1 660～1 720 cm-1的羰基吸收峰作為老化瀝青特征峰，使用OMNIC軟件測定峰面積，采用公式（1）進行瀝青老化定量分析。

2?試驗結果及分析

2.1?布式旋轉黏度

布式旋轉黏度試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，老化瀝青的布式旋轉黏度隨著RTFOT持續時間的增加而增加，這是因為瀝青老化是時間和溫度的函數。此外，無論是70#瀝青還是SBS改性瀝青，240 min RTFOT老化等效于PAV老化。為量化RTFOT老化與PAV老化的等效時間，采用指數模型對不同RTFOT老化時間的布式旋轉黏度進行擬合，以老化時間為x值，布式旋轉黏度為y值，得到擬合公式如表2所示。

由表2可知，兩種瀝青結合料的布式旋轉黏度用指數模型擬合效果較好，R2均大于0.95，展現良好的相關性，表明瀝青結合料布式旋轉黏度參數隨老化程度增加而指數上升。用所擬合的函數計算70#瀝青和SBS改性瀝青PAV后的布式旋轉黏度所對應的等效時間參數分別為：246 min和219 min。由計算結果可知，擬合函數反算所得RTFOT與PAV老化等效時間與前文所得240 min結果差距較小，可認為240 min的RTFOT老化相當于PAV老化。

2.2?車轍因子

高溫流變性能試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著瀝青老化程度的加深，70#瀝青與SBS改性瀝青的車轍因子G*/sinδ均不斷增加。瀝青熱氧老化使得其內部微觀結構分離，從而使瀝青結合料變得更硬、更脆，導致抗車轍性能的提升。與前文類似，采用指數模型對不同RTFOT老化時間的車轍因子進行擬合，以老化時間為x值，車轍因子為y值，得到擬合公式如表3所示。

由表3可知，兩種瀝青結合料的車轍因子與RTFOT老化時間的關系用指數模型擬合效果較好，R2均大于0.990，展現良好的相關性，表明瀝青結合料車轍因子隨老化程度增加而指數上升。注意到，車轍因子與RTFOT老化時間的指數模型相較布式旋轉黏度具有更高的R2。因此，瀝青的車轍因子對老化時間的變化更為敏感，更符合指數模型趨勢。用所擬合的函數計算70#瀝青和SBS改性瀝青PAV后的車轍因子所對應的等效時間參數分別為：244 min和256 min。

2.3?疲勞因子

中溫流變性能試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著老化程度加深，70#瀝青與SBS改性瀝青的疲勞因子G*·sinδ均不斷增加。瀝青熱氧老化伴隨著瀝青質增多，而芳香芬、飽和芬等輕質組分減少，必然導致瀝青變硬，柔韌性不足，因此導致疲勞性能的下降。從圖中可知SBS改性瀝青的疲勞因子隨老化程度增加的幅度低于70#基質瀝青，說明70#瀝青疲勞性能對老化程度更為敏感。與前文類似，采用指數模型對不同RTFOT老化時間的疲勞因子進行擬合，以老化時間為x值，疲勞因子為y值，得到擬合公式如表4所示。

由表4可知，兩種瀝青結合料的疲勞因子與RTFOT老化時間的關系用指數模型擬合效果較好，R2均大于0.950，展現良好的相關性，表明瀝青結合料疲勞因子隨老化程度增加而指數上升。用所擬合的函數計算70#瀝青和SBS改性瀝青PAV后的疲勞因子所對應的等效時間參數分別為：300 min和332 min。疲勞因子反算所得RTFOT與PAV老化程度相當的等效時間與前文布式旋轉黏度、車轍因子有很大差異。產生該現象的原因主要是布式旋轉黏度與車轍因子均反映瀝青的高溫性能，屬于同一種類型的檢測指標，這兩個指標本身具有很強的相關性。而疲勞因子反映瀝青抗疲勞性能，且檢測溫度為常溫狀態，與車轍因子、布式旋轉黏度在原理上有很大不同。疲勞因子與車轍因子和布式旋轉黏度所確定的等效溫度差異較大，表明瀝青結合料流變特性的復雜性，需要進行深入研究。因此本文采用紅外光譜對其不同老化狀態瀝青結合料化學參數進行比較，進一步分析其作用機理。

2.4?紅外光譜分析結果

不同老化狀態的瀝青結合料紅外光譜試驗結果如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知：

隨著老化程度加深，瀝青試樣的透光率逐漸增加，特別是1 700 cm-1處的峰面積不斷增大，主要原因為加熱導致揮發性損失，而氧化導致瀝青重量增加。瀝青老化伴隨著一系列的化學反應，C=C鍵斷裂并與氧氣反應生成羰基（C=O），隨著老化程度增加，將會產生更多C=O。觀察到SBS改性瀝青在699 cm-1和966 cm-1附近有較強的吸收峰，這是其主要特征峰。

采用軟件對羰基指數進行計算，計算結果如圖6所示。由圖6可知：

隨著瀝青結合料老化程度加深，70#瀝青與SBS改性瀝青的羰基指數均呈指數趨勢增加，與前文的流變性能試驗結果相同。觀察到SBS改性瀝青的羰基指數均高于70#瀝青，這主要是因為本文所采用的SBS改性瀝青中的SBS改性劑摻量較小，因此保持了一定的化學活性。無論是70#瀝青還是SBS改性瀝青，RTFOT老化240 min的羰基指數與PAV老化相同。為量化RTFOT老化時間與羰基指數的關系，采用指數模型對不同RTFOT老化時間的羰基指數進行擬合，以老化時間為x值，羰基指數為y值，得到擬合公式如表5所示。

由表5可知，兩種瀝青結合料的羰基指數與RTFOT老化時間的關系用指數模型擬合效果較好，R2均大于0.940，展現良好的相關性，表明瀝青結合料羰基指數隨老化程度增加而指數上升。注意到70#瀝青的羰基指數與老化時間的擬合參數R2大于SBS改性瀝青，這主要是因為SBS改性瀝青的老化過程化學反應較為復雜。用所擬合的函數計算70#瀝青和SBS改性瀝青PAV后的疲勞因子所對應的等效時間參數分別為：235 min和233 min。結合前文布式旋轉黏度、車轍因子、疲勞因子所確定的RTFOT老化與PAV相同的等效溫度結果，可以最終確定RFOT老化240 min與PAV相同是合理的，在實踐中可采用240 min RTFOT老化代替PAV長期老化。

3?結語

對70#瀝青和SBS改性瀝青開展室內老化研究，探討不同RTFOT老化時間對其的流變特性和化學性質的影響，嘗試以RTFOT試驗代替PAV試驗，簡化瀝青長期老化試驗，得出結論如下：

（1）本文所采用的評價指標包括布式旋轉黏度、車轍因子、疲勞因子以及羰基指數，無論70#瀝青還是SBS改性瀝青的評價指標均與RTFOT的老化時間呈指數關系。因此，瀝青老化是一個加速過程，隨著老化時間增加，瀝青的各項評價指標快速增加或衰減。

（2）采用指數模型對瀝青結合料和RTFOT老化時間進行擬合，所獲得的擬合方程具有較高的R2值，通過所擬合的指數模型方程反算PAV所對應的RTFOT老化等效時間。除了疲勞因子外，各項指標所獲得的等效時間均在240 min左右。在實踐中，可采用240 min的RTFOT老化代替PAV老化。

參考文獻

［1］Roberts F.Hot mix asphalt materials，mixture design，and construction［M］.NAPA Eduction Foundation，1991.

［2］ASTM D2872，Standard Test Method for Effect of Heat and Air on a Moving Film of Asphalt（Rolling ThinFilm Oven Test）［S］.

［3］JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程［S］.

［4］AASHTO D6521，Standard Practice for Accelerated Aging of Asphalt Binder Using a Pressurized Aging Vessel（PAV）［S］.

［5］Migliori F，Corté，Jean-Francois.Comparative Study of RTFOT and PAV Aging Simulation Laboratory Tests［J］.Transportation Research Record，1998（1 638）：56-63.

［6］Wu S P，Pang L，Mo L T，et al.Influence of aging on the evolution of structure，morphology and rheology of base and SBS modified bitumen［J］.Construction & Building Materials，2009，23（2）：1 005-1 010.

［7］Behera P K，Singh A K，Reddy M A .An alternative method for short- and long-term ageing for bitumen binders［J］.Road Materials & Pavement Design，2013，14（2）：445-457.

［8］Yan C，Huang W，Tang N.Evaluation of the temperature effect on Rolling Thin Film Oven aging for polymer modified asphalt［J］.Construction & Building Materials，2017，137（4）：485-493.

［9］Lamontagne J，Dumas P，Mouillet V.Comparison by Fourier transform infrared（FTIR）spectroscopy of different ageing techniques：application to road bitumens［J］.Fuel，2001，80（4）：483-488.