沥青老化临界状态与极限状态的确定

2012-01-16张海涛何佳轩

石油化工高等学校学报 2012年4期

张海涛，何佳轩

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

自20世纪60年代以来，道路沥青的老化研究受到国内外道路界的普遍关注，并针对沥青的短期老化、长期老化以及性能改善进行了相关研究，国内对沥青老化性能评价仅仅是用5h（163℃）的薄膜加热试验，只能反映沥青拌和铺筑时的沥青路面条件，对于沥青长期使用过程中性能指标随着老化的变化规律没有系统的研究，因此，通过对不同时间老化沥青性能指标的测试，研究沥青在长期使用过程中的老化规律具有重要意义。

1 研究现状及意义

美国SHRP评价沥青结合料的老化性能，主要是确定一个模拟实践状态的老化条件，采用不同老化程度的沥青结合料进行试验，例如RTFOT，PAV，DSR，BBR，DDT等，沥青结合料的老化是通过老化以后的各种路用性能（抗永久变形、疲劳开裂、低温开裂）来评价的，美国SHRP的沥青结合料老化评价方法显然比传统的老化评价方法更具合理性，它不但可以反映沥青拌和、运输和摊铺过程的短期老化，而且能够模拟沥青使用过程中的长期老化［1］。

国内沥青老化是通过薄膜加热试验（5h，163℃或75min，163℃）前后沥青结合料性质的变化程度来评价的，包括质量变化、残留针入度及延度等，这只能反映施工过程中的热老化，即短期老化，不能模拟沥青路面长期老化。

本项目研究不同时间的沥青老化，分别对沥青在相同条件下（普通烘箱165℃通风条件）进行5，12，24，48，72，120h不等的老化试验，得到不同时间的老化沥青，测试其相应技术指标，通过分析进行沥青老化等级划分及临界状态与极限状态确定，从而得到沥青长期老化性能变化规律，研究成果具有一定的理论与实践价值［2］。

2 沥青老化试验及性能变化规律

2.1 实验室沥青老化试验

2.1.1 沥青老化试验采用普通烘箱进行165℃盘锦AH－90沥青老化试验，在通风状态下分别老化5，12，24，48，72，120h以模拟不同沥青老化状态，参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ 052—2000）测定沥青在不同老化时间下的性能指标（针入度、延度、粘度、软化点），然后制作不同老化时间沥青的混合料，进行混合料路用性能的测定［3－5］（马歇尔稳定度试验、车辙试验及劈裂试验）。

不同时间沥青老化试验数据如表1所示。

表1 不同时间沥青老化试验结果Table 1 The testing results of asphalt aging in different time

2.1.2 数据分析

（1）随着老化时间的增加，沥青的宏观性能指标针入度和延度越来越小，软化点和粘度越来越大，沥青针入度随温度的变化而变化的幅度越来越小，沥青的温度敏感性越来越低，从沥青的技术性质分析沥青的粘滞性增加，抵抗剪切变形的能力增加，流动性降低、施工和易性下降，塑性降低，低温抗裂能力降低，对冲击荷载的吸收能力下降，由粘附性等级的变化看出，沥青的短期老化对其粘附性影响很小。

（2）随着沥青老化的加剧，沥青组分逐渐地转化或挥发，小分子质量组分逐渐向大分子质量组分转化，对沥青的路用性能产生了很大的影响，一方面在高温氧气的条件下，油质逐渐挥发和转化沥青的稠度、粘度、软化点越来越高，柔韧性和抗裂性降低，同时流动性的降低给施工造成了不便，树脂在热氧化后也逐渐被氧化为沥青质，从而降低沥青对石料的表面亲和作用，胶结力降低；另一方面沥青质的含量逐渐增加，粘滞度、温度稳定性及硬度增加，在高温条件下沥青分子中大分子间的作用力较大，移动阻力增加，运动速度较慢，具有一定的骨架支撑作用，因而能有效地抵抗外力的作用，表现出很好的高温稳定性能，但是由于大分子质量组分含量的增加会使其内聚力过大，材料刚性增加，延伸性能变差，低温抗裂性能变得不好。

2.2 沥青老化性能变化规律

为了研究不同时间沥青老化的规律，利用沥青老化指数C、老化沥青残留针入度比及残留延度比等指标来表征不同时间老化沥青性能变化情况［6－8］，不同时间沥青老化指数、残留针入度比及残留延度比如表2所示，不同时间沥青老化各项指标变化情况如图1所示。

表2 不同时间沥青老化指数、残留针入度比及残留延度比计算结果Table 2 The calculating results of the aging index，ratio of the remaining penetration and ductility of asphalt aging in different time

续表2

Fig.1 The curve of performance index of aging asphalt in different time图1 不同时间老化沥青各项指标变化

由图1可以看出，在沥青老化的初期，沥青针入度和延度出现了大幅的下降，沥青的粘度也出现很大的变化，说明老化已经对沥青性能产生明显影响，随着老化时间的增加，沥青老化指数、粘度、针入度指数及软化点逐渐增加，残留针入度比及残留延度比逐渐下降，但几个指标随着老化时间的增加在100h左右趋向一个稳定值，也就是说沥青老化基本不再进行。

进一步分析可以得出，针入度等指标变化明显的阶段在0～20h，可以考虑将此阶段划分为沥青老化两个等级，即0～5h为一级老化，5～20h为二级老化，在20h的残留针入度比下降近50%，此时沥青性能受到明显影响，所以可以确定20h为沥青老化的临界状态；在20～100h时间范围内，沥青性能变化较慢，但持续时间较长，将此阶段划分为沥青老化两个等级，即20～70h为三级老化，70～100h为四级老化，老化时间达到100h后，沥青性能各项指标基本不再变化，说明沥青老化不再进行，所以可以确定100h为沥青老化的极限状态。

随着老化时间的增加（0～120h），沥青的老化指数与时间有较好的回归关系，老化指数可以全面评价沥青整个老化过程，老化指数与老化时间的关系为：

计算结果如表3所示。

由表3可以看出，沥青老化5h的老化指数为0.005，说明影响沥青性能很小，时间为20h的老化指数增加到0.050，残留针入度比下降50%，说明沥青性能已经受到明显影响，因此，沥青老化临界状态确定为20h是合理的；时间为100h的老化指数增加到0.150，从70h的老化指数0.130到100h的老化指数0.150，说明老化指数基本稳定不再增加，残留针入度比小于20%，因此，沥青老化极限状态确定为100h是合理的，沥青老化分级及临界状态与极限状态结果及相关技术参数如表4及表5所示。

表3 老化指数与老化时间的计算结果Table 3 The calculating results between aging index and aging time

表4 基于路用性能的沥青老化分级Table 4 The grades of asphalt aging based on road performance

表5 基于路用性能的沥青老化临界状态与极限状态Table 5 The critical state and limit state of asphalt aging based on road performance

3 不同时间老化沥青混合料性能

3.1 老化沥青混合料配合比设计

沥青混合料采用密集配AC－16混合料，选用不同时间的老化沥青制作沥青混合料，具体有：原样沥青（盘锦AH－90）和5，12，24，48，72h老化沥青，采用当地集料及规范配合比设计沥青混合料，通过马歇尔试验确定最佳沥青质量分数为4.6%，不同时间老化沥青采用同样的最佳沥青用量。

3.2 不同时间老化沥青混合料性能分析

制作不同老化时间的马歇尔试件和车辙试件，在制作过程中发现老化沥青和易性没有原样沥青好，原因是沥青老化后135℃粘度增加，流动性降低，进行沥青混合料的马歇尔稳定度试验、车辙试验及低温劈裂试验，得到不同时间老化沥青混合料路用性能随沥青老化时间、135℃粘度、25℃针入度变化规律，各项指标变化关系如图2所示。