環境因素對橡膠瀝青性能的影響研究

為了探究降雨和光照等環境因素對橡膠瀝青性能的影響，文章通過不同環境條件對橡膠瀝青的影響模擬，采用延度試驗、軟化點試驗、動態剪切流變試驗、凝膠色譜試驗進行影響前后性能評價。試驗結果顯示，水/光對橡膠瀝青影響趨勢相同，軟化點、車轍因子增加，延度、相位角減少，降雨及光照會加速橡膠瀝青的老化，但長時間光照會使瀝青表面形成薄膜，減小后續光照的影響。

橡膠瀝青；降雨；光照；性能

U416.03A230724

作者簡介：

閆" 偉（1987—），工程師，主要從事道路、橋梁、隧道檢測工作。

0" 引言

作為暴露在野外的基礎設施，公路尤其是瀝青路面使用性能受環境的影響顯著，但相關研究中多著眼于瀝青的熱老化等。在我國南方地區，存在降雨頻發和光照強烈的情況，探究降雨及光照對瀝青性能影響，對提高瀝青路面使用性能具有重要意義。在綠色、低碳背景下，橡膠改性瀝青近年來得到了較為廣泛的應用，本文以此作為研究對象，以提高研究成果的針對性［1-3］。

肖鵬等［4］通過改變水分的作用階段和使用量，研究了變化的水對性能的影響方式和對環境因素影響后橡膠瀝青性能的影響，結果表明水分可加速橡膠瀝青的熱氧環境因素影響進程。念騰飛等［5］聯合傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和動態剪切流變（DSR）檢測技術，研究得出了不同凍融循環次數下，瀝青復數剪切模量隨溫度增高呈負線性增加，相位角隨溫度升高呈線性增加，抗車轍因子隨溫度升高呈指數減少，而后利用掃描電子顯微鏡（SEM）從微觀形貌上解釋了凍融前后瀝青結構的變化。Xie等［6］通過環境因素和現場試驗深入研究了紫外線，氧化和水組合環境因素影響對橡膠多空隙混合物（PEM）的負面影響。Shen等［7］采用美國佐治亞州瀝青環境因素影響設備（GAWD）模擬在紫外線、水分和溫度的組合環境條件下，經干法和濕法處理后的橡膠瀝青混合料性能。由此可知，業界廣泛關注環境條件對瀝青性能的影響，并開展了大量相關研究，但針對橡膠瀝青特征，著眼于南方濕熱地區的降雨和光照特征，相關研究仍需深化，為此，本文對此開展相關工作，以期把握降雨及光照等環境因素對橡膠瀝青性能影響特征及機理，為該地區路面建設提供技術支持。

1" 原材料及試驗方法

1.1" 原材料

本文所用橡膠瀝青為自制，選用70#A級基質瀝青、40目橡膠粉、白色增稠劑T1與黑色穩定劑T2。采用上海昂尼儀器儀表有限公司產AE300L-P型實驗室剪切乳化機，剪切速率5 000 r/min、剪切時間60 min，控制試驗溫度在150 ℃±5 ℃。

1.2" 試驗方法

1.2.1" 水對瀝青影響室內加速模擬方法

水對性能影響參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中關于瀝青混合料凍融劈裂規定，1次凍融循環時間為：-18 ℃的冰箱16 h，60 ℃水浴箱中8 h，累計24 h，分別凍融循環3次、6次。

1.2.2" 光對瀝青影響室內加速模擬方法

采用將室外紫外線輻射總有效時間轉化成環境因素紫外線輻射總有效時間的換算方法。將瀝青裝在杯蓋中，進行光照直射，本試驗采用室溫下30.5 h、61.1 h、91.6 h的光照照射時間，以研究南方地區環境因素影響3個月、6個月、9個月的實際紫外線輻射量。

1.2.3" 延度和軟化點試驗

依據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40-2004）中T0605、T0606試驗方法，對橡膠瀝青進行延度（5 ℃）及軟化點試驗。

1.2.4" DSR試驗

本研究利用英國Malvern公司BolinADSCVO-100型瀝青動態流變剪切儀（DSR）試驗儀器進行溫度掃描測試，采用直徑為25 mm的振蕩板，加載頻率為10 rad/s，選取溫度區間為46 ℃～82 ℃，間隔6 ℃。采用車轍因子（G*/sinδ）及相位角（δ）指標來研究高溫條件下不同環境因素影響條件對橡膠瀝青的高溫性能影響。

1.2.5" GPC試驗

本研究所用的凝膠滲析色譜儀型號為PL-GPC50，由英國Agilent Technologits生產，將溶液的流速控制在1.0 mL/min，控溫設備的溫度為40 ℃。采用常見的大分子含量（LMS）、分散度（D）以及吸收峰峰值分子量（Mp）三個指標進行性態表征。

2" 水對橡膠瀝青性能的影響

為探究水對橡膠瀝青的影響，對橡膠瀝青進行凍融循環，對比未處理試樣，進行后續試驗。由圖1可知，隨著凍融循環次數增多，橡膠瀝青表面孔洞數量明顯增多。根據菲克定律［8-9］，在凍融循環下，瀝青和水接觸的表面和內部化學物質的濃度梯度力促使水進入瀝青空隙中，導致瀝青內部水溶性物質即親水基團被水溶解，進而引起瀝青物料組成比例發生變化。

2.1" 延度和軟化點試驗

由圖2可知，隨著凍融循環次數增加，橡膠瀝青軟化點逐漸增大，延度逐漸減小，較前期變化幅度更明顯。原因是：隨著凍融循環次數增加羧酸、脂肪胺和脂類等親水基團和水溶性化合物逐漸溶于水［10］，剩余含量逐漸減低，從而造成瀝青質增多［11］，宏觀上表現為軟化點升高，延度下降。

環境因素對橡膠瀝青性能的影響研究/閆" 偉，李云隆，袁" 鵬

2.2" DSR試驗

（1）由圖3可知，橡膠瀝青車轍因子隨溫度升高而呈指數規律降低，且經凍融后，瀝青抗車轍因子對溫度的敏感性增強，表現為曲線斜率更為明顯，同時相同測試溫度時橡膠瀝青抗車轍因子也隨凍融次數增加而增大。

（2）由圖4可知，橡膠瀝青相位角隨溫度升高而升高，且凍融后相位角對溫度的敏感性增強，同時相同溫度橡膠瀝青相位角隨凍融次數增加而增大，即瀝青表現出更強的黏性特征。

2.3" GPC試驗

試驗結果色譜圖如圖5所示。不同凍融循環次數的橡膠瀝青GPC試驗結果如表1所示。

（1）由表1可知，橡膠瀝青Mp隨水對性能影響程度的加深而增大，3次、6次凍融循環后橡膠瀝青MP提高了6.8%和9.6%。這說明隨著水對性能影響程度加深橡膠瀝青分子量大的組分所占的比例增加，而分子量小的組分比例相對減小。這使得分子間的作用力變大，宏觀上改善了凍融循環后的橡膠瀝青的高溫穩定性［12］。

（2）橡膠瀝青D隨水對性能影響程度的加深而增大，3次、6次凍融循環后橡膠瀝青D分別增大6.1%和9.5%，則集中在某一區間的分子量將較少。假如分子量在水平上發生相態的變化的溫度區間重合與瀝青聚集態的組分發生轉變的區間［13］，依照此原理，凍融循環次數較多的瀝青吸熱會相對少一些，宏觀上看，溫度敏感性更低。

（3）由下頁圖6可知，水對性能影響橡膠瀝青LMS與其軟化點和延度均具有較強的線性關系。橡膠瀝青的軟化點以及延度與其LMS線性相關系數分別為0.973 8和0.988 3。這是因為瀝青水對性能影響后的分子尺寸分布有較大的改變，大分子量的組分含量越多，橡膠瀝青的分子間的作用越大，則宏觀上表現為軟化點升高，延度下降［14-15］。隨著水對性能影響程度的加深，橡膠瀝青高溫、低溫性能分別得到提升與降低。

3" 光對橡膠瀝青性能的影響

光輻射強度及光照時間是影響紫外光對性能影響速度的主要因素，光輻射強度越強，光照時間越長，瀝青性能衰減的速度越快。為探究光照時間對橡膠瀝青的影響，對橡膠瀝青進行不同時間的光照，對比未處理試樣，進行后續試驗。由圖7可見，橡膠瀝青表面受光照后，出現了一層油膜。原因是橡膠瀝青受紫外線照射時，瀝青質含量增加，芳香分和飽和分含量減少，這使得橡膠瀝青的軟化點不斷升高，但由于光照射間的延長，瀝青表層受光作用碳化起皮抑制了紫外線進入試樣內，從而降低了光對膜下瀝青的影響作用［16］。

3.1" 延度和軟化點試驗

（1）由圖8可知，隨著光照時間增加，橡膠瀝青軟化點增大，但前期變化幅度更大，原因是長時間光照表面形成的油膜阻擋。

（2）橡膠瀝青5 ℃延度隨著光照時間的增加而減小。隨著光照時間延長，膠質、芬香分含量減少，因此瀝青的延度一直降低。有研究從紅外光譜圖來看發現橡膠瀝青環境因素影響12個月以后不再繼續環境因素影響［17］，故延度隨著光照時間延長未出現幅度明顯減小的現象。

3.2" DSR試驗

（1）由圖9可知，橡膠瀝青抗車轍因子隨溫度升高而呈指數規律降低，隨光照時間的延長，0～30.5 h與61.1～91.6 h兩個階段抗車轍因子變化比30.5～61.1 h更明顯，說明表面瀝青膜對光照的抑制存在界限，具體還需通過試驗說明。

（2）由圖10可知，橡膠瀝青相位角隨光照射間的延長而增大。光照時間為0～30.5 h的溫度敏感性明顯變化，說明表面形成的瀝青薄膜對阻擋紫外輻射進入有作用。同時，相同溫度橡膠瀝青相位角隨凍融次數增加而增大，即瀝青表現出更強的黏性特征。

3.3" GPC試驗

試驗結果色譜圖如圖11所示。

（1）由表2可知，橡膠瀝青Mp隨光對性能影響程度的加深而增加，3次、6次凍融循環后，橡膠瀝青MP分別提高了3.37%、8.21%和12.7%。

（2）橡膠瀝青的D隨光對性能影響程度的加深而增大，3次、6次凍融循環后橡膠瀝青D分別增大11%、13%和16%。

（3）由圖12可知，光照后橡膠瀝青LMS與其軟化點和延度具有良好的相關性。橡膠瀝青的軟化點以及延度與其LMS線性相關系數分別為0.874 7和0.977 2。

4" 結語

（1）通過常規指標試驗發現，隨著凍融循環次數的增加，橡膠瀝青表面孔洞數量明顯增多且后期變化幅度更明顯。隨著光照時間增加，橡膠瀝青軟化點增大，且前期變化幅度更大，而延度隨著光照時間的增加而減小。

（2）通過DSR試驗發現，水與光對橡膠瀝青車轍因子與相位角影響趨勢相同，車轍因子隨試驗溫度升高而降低，相位角隨溫度的升高呈現上升趨勢。

（3）通過GPC試驗發現，水與光對橡膠瀝青Mp和D值隨光對性能影響程度加深而增加，同時發現水與光對性能影響橡膠瀝青LMS與其軟化點和延度具有良好的相關性。

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20240419