短期老化对桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料的影响

短期老化对桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料的影响

孙兆鹏1，王利华2，刘爽3，王凯3，磨炼同3

(1.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，呼和浩特 010010；2.孝感市公路

管理局，孝感 432000；3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

摘要：通过薄膜烘箱老化试验(TFOT)模拟无缝伸缩缝沥青胶结料的高温短期老化过程，分析老化后沥青胶结料的质量损失、弹性回复率以及流变性能。试验结果表明高温老化导致沥青胶结料中轻组分挥发，低温弹性回复下降，高低温复合模量增加，但相位角变化较小，车辙因子和疲劳因子大体呈增趋势。短期老化后沥青胶结料仍表现出很好的粘弹性，有利于保持其使用性能。

关键词：沥青胶结料；老化；弹性回复；流变性

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.014

Abstract:This paper investigates the effects of short-term aging on asphalt binders of asphalt plug joints by using thin film oven test (TFOT). Tests on mass loss, elastic recovery and rheological properties were carried out. Test results indicated that light ingredients were volatilized during aging process. Aging resulted in decreased elasticity, increased complex modulus and a small change of phase angle. Rutting and fatigue parameters tended to increase after aging. Asphalt binders still showed good viscoelastic properties, which is helpful for the service performance.

收稿日期：2015-04-09.

作者简介：孙兆鹏(1975-), 高级工程师.E-mail:sh_2004_123@126.com

Effect of Short-term Aging on Asphalt Binders of

Asphalt Plug Joints

SUNZhao-peng1,WANGLi-hua2,LIUShuang3,WANGKai3,MOLian-tong3

(1.Inner Mongolia Transit Design and Research Institute Co Ltd, Hohhot 010010, China;

2.Xiaogan Highway Administration, Xiaogan 43000, China; 3.State Key Lab of Silicate

Materials for Architectures,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Key words:asphalt binder;aging;elastic recovery;rheological properties

桥梁伸缩缝是整体桥梁构造中的一个重要组成部分，主要设置在桥梁的梁端之间以适应由于温度变化、干缩、沉降、交通荷载等引起的桥梁变形。桥梁伸缩缝在竖直方向会直接承受行车载荷的作用，而水平方向必须适应桥梁的伸缩变形，其使用条件相当恶劣，容易产生各种破坏。沥青填充无缝式伸缩缝由于其施工方便、养护时间短以及良好的降噪能力和行车舒适性而得到了越来越多的关注[1-4]。沥青填充无缝式伸缩缝的伸缩量一般小于50 mm，主要应用于跨度较小的中小型桥梁。

无缝伸缩缝结构简单，主要由钢板和沥青填充混合料组成，其中填充的沥青混合料作为无缝伸缩缝的伸缩体，主要由沥青胶结料和集料混合而成，其中沥青胶结料是决定伸缩缝装置使用性能的关键部分，不仅起到适应桥梁伸缩变形和承受车轮反复冲击的作用，同时能够在不同的温度条件下保持良好的力学性能，同时在使用过程中具有良好的抗老化性能和耐久性[5]。

沥青填充无缝式伸缩缝所采用的沥青胶结料是由高掺量的聚合物加入到基质沥青高度改性而得。大量研究表明聚合物复合改性沥青可显著提高沥青的使用性能，如改善高温抗流淌性、低温抗开裂能力、耐老化和耐久性等[6,7]。此外，高掺量聚合物改性沥青具有很高的弹性且弹性恢复性能良好，同时石料的粘附能力较强，特别适用于桥梁伸缩缝抗永久变形、抗低温开裂及抗老化等要求[4]。

沥青胶结料因高度改性后粘度大，需要长时间高温(一般施工温度不低于180 ℃)加热后才能达到很好的流动性以便于拌和和浇注。研究表明高温施工时聚合物改性沥青会发生严重的聚合物降解和沥青老化，直接影响到沥青混合料使用性能和寿命[8，9]。该文采用薄膜烘箱老化试验(TFOT)模拟施工过程中的高温老化，利用老化前后质量损失、弹性回复率以及动态流变性能分析沥青胶结料的耐老化性能。

1原材料与试验方法

无缝伸缩缝沥青胶结料的制备主要采用70#基质沥青与SBS、废旧橡胶粉、抗车辙剂和芳烃油改性而得，其配比为质沥青∶SBS∶废旧橡胶粉∶抗车辙剂∶芳烃油=100∶8∶25∶6∶13。通过改变不同改性剂的添加顺序来分析不同室内制备工艺对改性效果的影响，并由此指导工厂生产线小试生产。实验室对比3种制备工艺其中工艺1如下：将70#基质沥青加热到180～190 ℃，按比例称好所需要的改性剂，首先加入废旧橡胶粉和芳烃油的混合物搅拌1.5～2 h，再加入其他改性剂搅拌并剪切1 h；工艺2是在沥青达到180 ℃后先加入SBS和芳烃油的混合物剪切0.5 h再加入其他改性剂搅拌2 h；工艺3是在沥青达到180 ℃后加入芳烃油搅拌再加入SBS剪切0.5 h，再加入其他改性剂搅拌2 h。工艺4是工厂按照工艺3进行生产线小试生产。

不同工艺制备所得的无缝伸缩缝沥青胶结料参照国外规范要求开展，锥入度试验、软化点试验、流动值试验，弹性回复试验和低温柔性试验，同时采用薄膜烘箱老化试验(TFOT)模拟施工过程中的180 ℃高温老化，开展老化后的弹性恢复和流变性试验，分析其耐老化性能。

2结果分析与讨论

2.1　常规指标结果分析

表1给出了四种不同工艺制备的沥青胶结料的常规指标检测结果。25 ℃锥入度反映的是沥青的软硬程度，按照英国规范，锥入度的要求是25～90 dmm，实测锥入度在36～51 dmm，满足规范要求。软化点反映的是沥青胶结料的高温性能，美国规范ASTMD 6297对软化点的要求是大于83 ℃，英国规范要求软化点大于80 ℃，四种材料的软化点在88～99 ℃之间，表明胶结料具有很好的高温性能。流动值检测结果表明四种不同工艺制备的沥青胶结料60 ℃时的流动值都小于0.5 mm，远小于美国规范ASTMD 6297和瑞士规范要求的小于3 mm，说明具有很好的抗高温流淌性。美国规范ASTMD 6297中25 ℃的弹性恢复率要求在40%～70%，表1结果表明四种材料的弹性恢复率在40%～50%范围内，工艺2的弹性回复率最大，工艺1的最小。整体而言，4种工艺制备的沥青胶结料3种材料的弹性恢复率差别相对较小。-18 ℃拉伸试验检测证实室内制备和工厂生产的沥青胶结料低温拉伸率达到50%时不会产生开裂，界面粘结性能良好，具有很好的低温柔性。

表1　沥青胶结料常规指标检测结果

2.2　老化对弹性回复的影响

老化是沥青在高温、空气等因素作用下发生的很复杂的过程，而老化使沥青变硬变脆。此外，聚合物改性沥青的老化通常伴随着聚合物的降解以及沥青微观结构的变化[9,10]。沥青胶结料在老化后性能也会发生变化，其中低温回弹性变化较为明显。表2给出了老化前后的沥青胶结料的质量损失和低温弹性回复试验结果。试验参照的是瑞士规范，在0 ℃采用延度试验仪检测其低温弹性，试件拉伸到150 mm后立即剪断，测定30 min后试件的长度并计算其回复率。

表2　老化前后的弹性恢复率

沥青胶结料老化后质量呈减小趋势，其工艺3的质量损失最大，可能是轻组分的挥发，而工厂生产线小试生产的胶结料老化后质量略有增加，可能是沥青中某些组分被氧化，质量增大。瑞士规范对0 ℃弹性回复率的要求是大于75%，老化后的变化率小于15%，数据表明所用制备的沥青胶结料的弹性回复率都达到规范要求。沥青胶结料在剪断后的回弹是一个随时间变化的过程，因此通过测定剪断后2 min、4 min、8 min、16 min、30 min、45 min和60 min时试件的长度，可分析其回复率与时间变化规律，如图1所示。老化后的沥青胶结料的弹性回复率减小，回复率在试件剪断后5 min内迅速回弹，10 min之内弹性较大，在10～30 min试件继续回弹，30 min之后试件基本不再回弹，回复率趋于稳定。老化后的试件回复率下降，说明老化使沥青弹性减小。老化前后共计8个沥青胶结料样品的弹性回复的整体趋势基本一致，可用下列对数函数进行按拟合：y=a×ln(x)+b，其中a是函数的斜率，b是截距。

表3　对数函数参数表

abR2工艺1:未老化0.08240.5590.991工艺1:老化0.07260.55460.996工艺2:未老化0.06780.55860.994工艺2:老化0.06890.51150.994工艺3:未老化0.07370.52910.984工艺3:老化0.07280.50120.994工艺4:未老化0.07680.55360.983工艺4:老化0.06560.5270.991

采用最小二乘法拟合所得结果见表3，其相关系数用R2来表示，其值都大于0.99，说明函数的相关性很高，函数拟合的可信度高。老化后参数a整体变小，只有工艺2的参数a在老化后略微增大，参数b在老化后都是减小的，从整体上看老化后胶结料的弹性下降，使得低温性能有所减弱。

2.3　老化对流变性的影响

通过动态剪切流变仪(DSR)测得胶结料的复合模量和相位角，可以作为分析材料流变性能评价的重要依据，其中，复合模量是最大剪切应力和最大剪切应变的比值，表征材料的抗变形能力；相位角是材料在测试过程中从施加剪切应力应变到响应时的相位差，表征材料中粘性成分和弹性成分的大小，纯粘性材料和纯弹性材料的相位角分别为90°和0°，介于两者之间的材料具有不同程度的粘弹性性质[9]。对于无缝伸缩缝胶结料的高温稳定性和低温柔性，要求高温时应具有高复合模量G*和低相位角δ，而低温时恰好相反，要求具有低复合模量和高相位角[4]。表4给出了动态剪切流变仪(DSR)在频率为10 rad/s下4种沥青胶结料的低温-5 ℃和高温60 ℃下的复合模量G*和相位角δ以及车辙因子G*/sinδ和疲劳因子G*sinδ。在老化后，除了工艺1，低温-5 ℃的复合模量G*整体呈增加的趋势，表明老化后沥青胶结料变硬。老化前后相位角δ变化相对小，仍保持30°～40°之间，表现出很好的粘弹性质。老化后疲劳因子G*sinδ呈增加趋势，其主要原因是沥青老化后G*增加，沥青变硬导致导致抗疲劳性能下降。在高温60 ℃下，老化导致了复合模量G*整体呈增加的趋势，而相位角δ略显增加，但增加幅度小，因此导致了车辙因子G*/sinδ略有增加。与普通沥青在60 ℃其相位角接近90°相比，无缝伸缩缝胶结料表现出很好的粘弹性，不易发生高温流淌，这与高的软化点互为佐证[5]。

表4　老化前后沥青胶结料流变性能分析

3结语

通过薄膜烘箱老化试验(TFOT)模拟无缝伸缩缝沥青胶结料的施工时的高温短期老化过程，老化后沥青胶结料的质量损失为负值，表明了高温老化导致轻组分挥发。老化后弹性回复率有所下降，但仍保持在75%以上，弹性回复率与时间变化关系可用对数函数进行拟合。DSR流变检测结果表明老化后复合模量增加，沥青变硬，但相位角变化较小，车辙因子和疲劳因子呈增趋势。短期老化后沥青胶结料在很宽的温度范围内仍保持很高的相位角，表现出很好的粘弹性，有利于保持其使用性能。

参考文献

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