基质沥青老化过程中基本指标和组分变化的研究

张碧琴,赵高扬,李坚强,张富强(.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西西安　70064; .西安市政设计研究院有限公司,陕西西安　70068)

基质沥青老化过程中基本指标和组分变化的研究

张碧琴1,赵高扬1,李坚强2,张富强1
(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西西安710064; 2.西安市政设计研究院有限公司,陕西西安710068)

鉴于中国的现行规范都是根据沥青薄膜试验后沥青三大指标的变化来确定沥青的老化程度,通过对不同时间、不同温度的沥青薄膜试验进行研究,分析了沥青在老化过程中基本指标和组分的变化规律,提出了对沥青薄膜试验(TFOT,163℃,5 h)的改进方法,为沥青老化的评价提供了新的判定指标.

沥青老化;沥青薄膜试验;判定指标;改进

0　引　言

在中国的公路路面、机场道面等各种沥青道面的建设中,沥青老化指标一直是选取沥青的重要判定条件之一[1-3].中国的«公路沥青路面施工技术规范»[4]与«民用机场沥青混凝土道面施工技术规范»[5]对于基质沥青老化的判定指标基本上都是根据沥青薄膜试验(TFOT,163℃,5 h)后沥青针入度、延度、软化点的变化来确定的.而现阶段随着沥青制备工艺的复杂化,沥青薄膜试验(TFOT, 163℃,5 h)是否还能作为沥青老化的判定指标成为新的研究课题.

一些专家学者在研究后提出了采用SHRP流变学指标,特别是BBR试验来作为沥青老化的评价指标[6-9].然而,由于在老化试验中老化条件苛刻,且相关设备昂贵,使得这一方法在中国的工程实践中普及推广起来非常困难.因此,针对中国普遍采用的基质沥青薄膜试验进行改进研究就有着非常重要的现实意义.

1　基质沥青老化过程中基本指标变化

本文以4种国内常用的70＃基质沥青A、B、C、D设计了老化时间为5 h,老化温度分别为120℃、163℃和180℃,以及老化温度为163℃,老化时间分别为1、5、12、24 h的两组不同条件下的沥青薄膜老化试验.以此来检测分析沥青老化过程中基本指标和组分的变化[10-11].

1.1不同老化温度下沥青基本指标的变化规律

研究表明,沥青老化后基本指标的变化主要表现为软化点升高、针入度下降、延度大幅度减小.随老化温度的改变基质沥青基本指标的变化趋势如图1～3所示.

图1　不同老化温度下沥青针入度的变化

图2　不同老化温度下沥青延度的变化

图3　不同老化温度下沥青软化点的变化

由图1中的变化趋势可知,随着老化温度升高,4种沥青的针入度都表现出下降的趋势,且在163℃～ 180℃的下降趋势都要比120℃～163℃的下降趋势更剧烈,尤其是沥青C在163℃下老化后针入度最大,而到180℃下老化后针入度低于沥青A和沥青D,已接近最小.分析图2可以得出,对于10℃延度,除沥青C外其他三种沥青也都表现出了163℃后减小趋势增大的规律,尤其是沥青B,163℃下老化后延度最大,180℃下老化后延度接近最小.相比之下,软化点这种类似的变化趋势并不明显(图3).

1.2不同老化时间下沥青基本指标的变化规律

时间在很大程度上决定着沥青老化性能的变化.沥青A、B、C、D在老化温度为163℃时随着老化时间的增加其基本指标变化趋势如图4～6所示.

图4　不同老化时间下沥青针入度变化

图5　不同老化时间下沥青延度变化

图6　不同老化时间下沥青软化点变化

根据图4～6可知,4种沥青老化后的针入度、延度、软化点基本上都在时间到12 h时产生了拐点,其中沥青B的针入度在5 h时小于沥青A,而在12 h时明显大于沥青A.尤其是10℃延度的变化在12 h后明显趋于平缓.

针对以上沥青基本指标的变化趋势可知,仅仅将温度为163℃、时间为5 h作为沥青薄膜老化的条件来判定沥青的老化性能是不足的;同时试验结果表明,可以取温度为163℃、时间为12 h或温度为180℃、时间为5 h来作为沥青薄膜试验的老化条件.由于老化过程中10℃延度的急剧变化,可以着重取老化后10℃延度的变化来判定沥青的老化性能.通过试验结果还发现,4种沥青的薄膜老化试验在温度为163℃、时间为12 h和温度为180℃、时间为5 h老化条件下基本指标的测定结果有着相同的趋势.

2　基质沥青老化过程中组分的变化

2.1不同老化温度下沥青组分的变化规律

(1)由图7可知,老化过程中基质沥青的沥青质含量一直在上升,在120℃～180℃的老化温度范围内,随着温度的增加沥青质含量增长的速率也在加快,在温度超过163℃后,沥青质的增长速率明显加快.这说明在老化过程中沥青其他组分受热会转化为沥青质.

图7　不同老化温度下沥青质含量的变化

(2)由图8可以看出,基质沥青老化过程中胶质的变化并不统一,在120℃～180℃的老化温度范围内,随着温度的增加,沥青A、B、D胶质的含量一直在减少,且减少速率也在变大,而沥青C胶质的含量一直在增加但增加速率没有明显的变化,说明基质沥青老化过程中胶质也会转化为沥青质.

图8　不同老化温度下胶质含量的变化

(3)由图9可知,基质沥青老化过程中随着温度的增加,饱和分含量的变化并不明显;而且在120℃～180℃的老化温度范围内,随着温度的增加,沥青A、B、D饱和分的含量有稍微减少的趋势,且减少速率随温度的增加却变化不大,沥青C在老化过程中则表现出饱和分稍微增加的趋势.饱和分以饱和烃为主,试验结果说明其在老化过程中较为稳定,高温下发生氧化反应较少.

图9　不同老化温度下饱和分含量的变化

(4)由图10可知,基质沥青芳香分的含量在老化过程中表现为减少的趋势,在120℃～180℃的老化温度范围内,随着温度的增加,沥青A、C、D芳香分含量的变化速率在增加,而沥青B芳香分含量的变化速率出现了减小的趋势.芳香分的主要成分是芳香烃,烃类都带有长链烷基和环烃,这类物质很容易受热发生自由基反应,从而被氧化成羰基,形成胶质极性芳烃.所以在热氧老化反应中,芳香分被氧化转化为胶质.

图10　不同老化温度下芳香分含量的变化

2.2不同老化时间下沥青组分的变化规律

将试验结果绘制成趋势图,如图11～14所示.

图11　不同老化时间下沥青质含量的变化

图12　不同老化时间下胶质含量的变化

图13　不同老化时间下饱和分含量的变化

图14　不同老化时间下芳香分含量的变化

(1)由图11可知,在老化温度为163℃时,随着老化时间的增加,基质沥青中沥青质含量的增长速率有减小的趋势,尤其是在老化时间超过12 h后,4种基质沥青的沥青质增加速率明显减小.说明在特定的老化温度下,沥青的老化速率有减小的趋势.

(2)由图12可知,在老化温度为163℃时,随着老化时间的增加,沥青A、B、D中胶质含量的减少速率有减小的趋势,而且在老化时间超过12 h后,3种基质沥青的沥青质减少速率明显减小;沥青C的胶质含量出现了增加的趋势,明确显示出在老化过程中芳香分会向胶质转化,胶质会向沥青质转化.沥青C与其他三种沥青不同的胶质变化趋势说明了基质沥青老化过程中胶质含量的变化与芳香分向胶质转化的速率以及胶质向沥青质转化速率的大小有关.

(3)由图13可知,在老化温度为163℃时,随着老化时间的增加,基质沥青中饱和分的含量较为稳定,且随着老化时间的增加,其减少速率明显减缓.饱和分性质稳定,沥青老化初期受热挥发,造成其含量的减少;随着老化的进行易挥发的部分逐渐减少,其减少速率下降.

(4)由图14可知,随着老化时间的增加,芳香分含量减少,且减少速率随着时间的增加也在变缓,这与沥青质的变化较为相符.

2.3两种老化条件相关性的分析

根据对试验结果的分析,发现163℃、12 h和180℃、5 h两种老化条件可以代替沥青薄膜试验中常用的老化条件(163℃、5 h),而且能更好地反应基质沥青的老化效果.而且根据试验数据可知,两种老化条件有一定的相关性.163℃、12 h和180℃、5 h两种老化条件下老化后基质沥青的基本指标有着接近的趋势,老化后基质沥青组分的测定(表1)也可以佐证这一趋势特点.

表1　两种老化条件下沥青组分检测结果

从表1可看出,在163℃、12 h和180℃、5 h两种老化条件下,老化后基质沥青组分的测定结果有着惊人的相似.这也说明温度和时间对沥青老化的影响是共同作用的,且两者之间有一定的相关性.

3　结　语

(1)163℃、12 h和180℃、5 h两种老化条件可以代替沥青薄膜试验中常用的老化条件(163℃、5 h),而且能更好地反应基质沥青的老化效果.

(2)163℃、12 h和180℃、5 h两种老化条件下老化后的基质沥青的基本指标和组分测定有着接近的趋势.说明温度和时间对老化的影响是共同作用的,且两者之间有一定的相关性.

(3)从减少试验时间的角度考虑,建议采用180℃、5 h作为沥青薄膜试验的老化条件,同时建议以10℃延度的变化作为基质沥青抗老化性能的主要判定条件.

(4)基质沥青老化过程中沥青质含量一直在增加,饱和分含量变化较小,芳香分含量一直在减少,而胶质含量的变化与芳香分向胶质转化的速率以及胶质向沥青质转化速率的大小有关.

[1]芦军.沥青路面老化行为与再生技术研究[D].西安:长安大学,2008.

[2]耿九光.沥青老化机理及再生技术研究[D].西安:长安大学, 2009.

[3]王佳妮.模拟紫外环境下沥青流变行为及老化机理的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

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[责任编辑:王玉玲]

Research on Changing of Fundamental Indices and Constituents of Matrix Asphalt During Aging

ZHAN Biqin1,ZHAO aoyang1,LI Jianqiang2,ZHAN Fuqiang1
(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Changƴan University, Xiƴan 710064,Shaanxi,China;2.Xiƴan Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd., Xiƴan 710068,Shaanxi,China)

Since the specification currently used in China determines the aging of asphalt by the changing of three indices of it following the TFOT,TFOT was carried out at various time and temperature,and the rules of changing of the fundamental indices and constituents were analyzed.Method for improvement of TFOT(163℃,5 h)was put forward,and new determining index of asphalt aging was set.

asphalt aging;TFOT;determining index;improvement

U414.1

B

1000-033X(2015)01-0062-04

2014-08-27