光热耦合条件下沥青宏观老化特征研究

陈 龙，陈松敏，何兆益

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.中国人民解放军95996部队，北京 100086)

光热耦合条件下沥青宏观老化特征研究

陈 龙1，陈松敏2，何兆益1

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.中国人民解放军95996部队，北京 100086)

通过对两种基质沥青及四种改性沥青的技术性能指标(针入度、黏度、软化点、车辙因子)进行室内试验，对比了不同光热耦合条件下沥青的宏观老化特征。研究表明：对于基质沥青而言，光照强度不变时，ZH沥青的抗热老化性能明显优于SK沥青；温度不变时，SK沥青的抗光老化性能则明显优于ZH沥青；对于改性沥青而言，线型改性沥青抗光热耦合老化能力整体上优于星型改性沥青；单因素和双因素变化时，各类沥青在以针入度比为指标表征其抗老化性能方面有较强的关联性，在以黏度比、软化点比及剪切流变系数为指标表征其抗老化性能方面关联性不大，推荐采用针入度比作为评价沥青的老化程度及抗老化性能；其中，双因素方差分析结果表明沥青光热耦合作用时温度比光照强度作用更加显著。

道路工程；技术指标；基质沥青；改性剂；老化特征

沥青混凝土路面具有平整舒适、抗滑耐磨、施工期短、养护维修方便等优点，鉴于此，目前国内外高等级公路普遍采用沥青路面。但是随着使用年限的增长，沥青路面会产生各种病害，而沥青路面中沥青材料的老化是造成路面病害的主要原因。我国规范对沥青路面材料老化性能的测试大多集中于短期热氧老化，并未列出长期老化的试验方法，也未见有关其它因素作用下沥青老化的相关测试标准。虽然很多学者对沥青的长期老化特征做了一些研究，但其研究成果大多也只是局限于某一种老化条件，即热氧老化条件。而能够将热、光等因素综合考虑的研究成果并不多见[1-4]。因此，笔者基于国家自然科学基金项目《热、光、水耦合条件下SBS改性沥青老化机理研究及高性能再生剂研发》，对热光耦合条件下沥青宏观指标的老化特征进行系统深入的研究[5-6]。

1 原材料的选择及性能

本研究选择ZH-70#、SK-70#两种基质沥青及S星型、L线型两种SBS改性剂，改性剂的掺量为5%。将两种改性剂与两种基质沥青通过溶胀、剪切、发育及3 000～5 000 r/min的高速剪切，最终得到两种基质沥青和4种SBS改性沥青。上述6种沥青的常规性能试验结果见表1。

表1 沥青常规指标试验结果

2 耦合老化方案及老化特征

我国许多地区的夏季最高气温在37～44 ℃，而沥青具有较强的吸热能力，路面温度可以达到65～75 ℃，因此笔者选择50，60，70 ℃3个温度等级[7]；紫外光辐射参照国内外相关文献选用3个强度等级：20，30，40 W/m2。另外，紫外光对沥青老化的影响只产生在表层，试验样品不能太厚，因此将沥青倒入φ140 mm×9.5 mm的平底圆盘中，沥青膜厚度大约为3.2 mm。

根据初步试验观察分析后，将前期试验方案确定为两组：一组为70 ℃温度下不同紫外光辐射强度的老化试验；另一组为40 W/m2光照强度下不同温度的老化试验[8]。路面实际使用过程中，热、光老化属于长期老化，这一阶段发生在拌和摊铺完成之后。为使耦合老化结果与自然条件更加切合，同时考虑试验进展情况，选择一组先实施短期老化。短期老化采用旋转薄膜加热试验(RTFOT)。经短期老化后的沥青试样再放入耦合老化仪器中进行光热耦合长期老化[9-10]。耦合老化仪器采用自主研发的RG-80热、光、水耦合老化试验箱。

2.1 光热耦合老化对沥青针入度的影响

针入度是沥青稠度大小的表征，针入度越小，则沥青越硬，稠度越大。沥青耦合老化后的针入度变化情况见表2。

表2 沥青耦合老化后针入度变化

由表2可以看出，光照强度不变时，基质沥青及改性沥青均表现出随温度的升高及老化程度的加深，针入度逐渐减小。而且由60 ℃升高到70 ℃时针入度的变化幅度明显比由50 ℃升高到60 ℃时大。老化时间由5 d增加到10 d时针入度的变化幅度明显比由10 d增加到15 d时大。温度不变时，不同光照强度对沥青老化特征的影响参照上述分析过程。

由于各沥青材料针入度基数不同，为便于比较，采用针入度比a为指标[11-12]。针入度比a由式(1)定义：

(1)

式中：P0,Pi分别为老化前后沥青的针入度数值。

针入度比值大说明其老化过程中针入度的损失小，抗老化性能好。光照强度不变时，各个温度条件下针入度比随老化时间变化趋势见图1。

图1 不同温度耦合老化针入度比Fig.1 Penetration ratio under the coupling and aging condition with different temperature

由图1可以看出，40 W/m2光照强度下，温度越高针入度比下降越明显。两种基质沥青与4种改性沥青在变化趋势上基本相似，但基质沥青针入度比的变化幅度明显高于改性沥青，即改性沥青具有更好的抗老化性能。

金昌市全市规模以上工业企业有60家，其中国有及国有控股企业12家，大型企业5家，中型企业5家，小型企业50家，重工业42家。工业占国民经济的比重达到63.6%，全市产业结构比例为 5.4∶75.8∶18.8， 以工业为主的第二产业支撑作用明显，工业经济对全市社会经济的支撑作用明显，主导地位愈加突显。其中地方财政收入大部分来源于有色金属经济，可以说有色冶金经济是金昌市的命脉。然而，过去20多年的开发，开始出现储采失衡，由于后备资源严重不足，已不能在长时间内维持现有产量水平，储量以及国际镍价的双项制约使得金昌市经济止步不前。急需寻求接续和替代产业，为城市经济持续增长寻找新的动力和支撑。

不同温度条件下，ZH沥青的抗老化性能明显比SK沥青好。而4种改性沥青中，L-ZH沥青针入度比值最大，抗老化性最好，S-SK沥青针入度比值最小，抗老化性最差。4种改性沥青抗老化性能排序为：S-SK

参照上述研究开展另一组耦合老化试验，各个光照强度条件下针入度比随老化时间的变化趋势见图2。

图2 不同光照强度耦合老化针入度比Fig.2 Penetration ratio under the coupling and aging condition with different light intensity

由图2可以看出，70 ℃温度条件下，不同光照强度条件下SK沥青的抗老化性能明显优于ZH沥青。4种改性沥青中，以SK为基质的改性沥青的抗老化性能也明显强于以ZH为基质的改性沥青。基质沥青类型与其所组成的改性沥青，在以针入度比为指标表征沥青抗老化性能方面有较好的关联性，即基质沥青抗老化性能越好，对应的改性沥青抗老化性能也越好。改性剂类型方面，由线性改性剂制备的改性沥青抗光热耦合老化的能力整体上也优于星型改性沥青。

2.2 光热耦合老化对沥青黏度的影响

沥青黏度是其平均分子量的宏观表征，而目前普遍的结论认为老化使得沥青组分中胶质、沥青质等大分子量增加，芳香族等小分子量减少，最终使得沥青分子量变大，因此通过研究沥青黏度的变化可以宏观分析沥青的老化过程。参照针入度比a定义黏度比，见式(2)：

(2)

光照强度不变时，各温度下黏度比随老化时间的变化趋势见图3。由图3可以看出，基质沥青ZH和SK的黏度比在任意老化阶段均为最大值，说明SBS改性剂的加入对沥青抗老化性能有明显的改善。

图3 不同温度耦合老化黏度比Fig.3 Viscosity ratio under the coupling and aging condition with different temperature

不同温度条件下，ZH沥青的抗老化性能明显优于SK沥青。而4种改性沥青中，L-SK和S-SK的黏度比相对L-ZH和S-ZH较小，4种改性沥青抗老化性能排序为：S-ZH

温度不变时，各光照强度下黏度比随老化时间的变化趋势见图4。

图4 不同光照强度耦合老化黏度比Fig.4 Viscosity ratio under the coupling and aging condition with different light intensity

不同光照强度条件下，SK沥青的抗老化性能明显优于ZH沥青。而4种改性沥青中，L-ZH和S-ZH的黏度比相对L-SK和S-SK较小。4种改性沥青抗老化性能排序为：S-SK

2.3 光热耦合老化对沥青软化点的影响

软化点是反映沥青热稳定性的一个指标，也是沥青条件黏度的表征。软化点越高，则沥青的高温黏度越大，高温稳定性越好。同样定义软化点比γ，见式(3)：

(3)

光照强度不变时，各温度条件下软化点比随老化时间的变化趋势见图5。由图5可以看出，基质沥青ZH和SK的软化点比在任意老化阶段均为最大值，说明SBS改性剂的加入提高了沥青的抗老化性能。不同温度条件下，50和60 ℃时ZH沥青的软化点比稍大于SK沥青，而70 ℃时ZH沥青与SK沥青基本相同。4种改性沥青的软化点比相差并不大，对其抗老化性能进行排序时，以ZH为基质的改性沥青并未比以SK为基质的改性沥青抗老化性能好。另外，不同类型改性剂对同一基质沥青抗老化性能的影响也没有明显区别。

温度不变时，各光照强度下软化点比随老化时间的变化趋势见图6。

图5 不同温度耦合老化软化点比Fig.5 Softening point ratio under the coupling and aging condition with different temperature

不同光照强度下，20和30 W/m2时ZH沥青和SK沥青基本相同，40 W/m2时ZH沥青比SK的软化点比稍高一些。而4种改性沥青的软化点比相差较大，其抗老化性能排序为：L-ZH

2.4 光热耦合老化对沥青剪切流变性的影响

本研究在不同光照强度及温度耦合条件下进行沥青剪切流变试验，通过对不同老化时间后沥青进行DSR测试及拟合，发现logG*/sinδ与测试温度T具有较好的线性关系，即logG*/sinδ=D-CT。C值代表了沥青车辙因子随温度变化的快慢程度，即C值越大，车辙因子对温度越敏感。分析得出各种沥青C值相差并不大，因此D值大小在一定程度上反映了沥青的抗车辙能力[13]。以40 W/m2,70 ℃耦合老化条件为例说明,见图7，表3。由图7及表3可以看出，各沥青中C值相差并不大。基质沥青的C值相比于改性沥青波动幅度较大，即基质沥青的流变特性对温度更敏感。

图7 不同沥青耦合老化各阶段的D值变化趋势Fig.7 Change trend of coefficient D in all stages of coupling and aging condition of different asphalt

表3 沥青耦合老化各阶段剪切流变拟合方程

对D值进行分析可以得出，同一老化条件下ZH沥青的抗车辙能力优于SK沥青。同一改性剂类型下，耦合老化前S-ZH的D值大于S-SK，耦合老化后S-ZH的D值小于S-SK；L-ZH在任意老化阶段的D值均大于L-SK。同时，L-ZH耦合老化15 d后的D值是老化前的1.35倍，而L-SK的D值变化为1.15倍，因此L-SK抗老化性能高于L-ZH。同一基质沥青类型下，耦合老化前S-ZH的D值大于L-ZH，耦合老化后S-ZH的D值小于L-ZH；以SK为基质的改性沥青则呈现出相反的结果。综合上述分析可以得出，不同基质沥青和改性剂类型对所构成的改性沥青的影响，在以剪切流变试验指标为参数表征的沥青抗老化性能方面没有关联性。

3 双因素等重复试验方差分析

基于上述分析，进一步分析了光照强度和温度双因素对沥青老化特征的影响。针入度比指标、黏度指标的等重复试验次数为3次，软化点比指标的等重复试验次数为2次，老化时间取10 d。结果见表4、表5。

表4 不同基质沥青和改性剂类型的各指标方差分析结果

表5 ZH沥青针入度比指标等重复试验结果

由上述各指标的方差分析结果可知，当以针入度比和黏度比为分析指标时，温度和光照强度对沥青的老化均有显著性影响，并且两因素交互作用的效应也是高度显著的，其中温度的作用相比于光照强度更加显著；当以软化点比为分析指标时，温度和光照强度对沥青的老化均有显著性影响，其中温度的作用相比于光照强度更加显著，但两因素交互作用对沥青老化的影响很小，甚至交互作用的效应不显著，这是不符合实际情况的，因此在分析双因素变化对沥青老化特征的影响时不建议采用软化点比指标。

另外，当采用针入度比作为沥青老化分析指标时，温度对不同基质沥青和改性剂类型的影响排序为：SK>ZH，S-SK>S-ZH>L-SK>L-ZH，光照强度的影响排序为：ZH>SK，S-ZH>S-SK>L-ZH>L-SK，上述两因素交互作用的影响排序为：SK>ZH，S-SK>L-SK>S-ZH>L-ZH，即采用针入度比指标分析双因素变化对沥青老化特征的影响时，得到与单因素变化分析时一致的结论，针入度比指标可以反映基质沥青及改性剂类型对沥青抗老化性能的影响。相反，黏度比指标的温度效应、光照强度效应以及交互作用效应的排序有较好的规律性，均为：ZH>SK，S-ZH>L-SK>S-SK>L-ZH，但黏度比指标并不能反映出基质沥青及改性剂类型对沥青抗老化性能的影响。因此在分析双因素变化对沥青老化特征的影响时仍推荐采用针入度比指标。而且需要说明的是，指标的排序越靠前，其受相应因素作用的影响越显著，对该因素作用的敏感性也就越大。

4 结 论

笔者通过对两种基质沥青及4种改性沥青的技术指标(针入度、黏度、软化点、车辙因子)进行室内试验，分析了沥青在不同光热耦合条件下的老化特征，通过研究可以得到以下结论：

1)从沥青各项技术指标的分析可以得出，改性沥青普遍比基质沥青具有更好的抗老化性能。

2)对于基质沥青而言，光照强度不变时，不同温度条件下ZH沥青的抗老化性能明显优于SK沥青；温度不变时，不同光照强度下SK沥青的抗老化性能明显优于ZH沥青。

3)对于改性沥青而言，由线性改性剂制备的改性沥青抗光热耦合老化的能力整体上优于星型改性沥青；不同基质沥青类型构成的改性沥青在不同光热耦合条件下则表现出不同的老化特性。

4)单因素条件变化时，基质沥青与其所组成的改性沥青在以针入度比为指标表征沥青抗老化性能方面有很好的关联性；在以黏度比、软化点比及剪切流变系数为指标表征沥青抗老化性方面关联性不大。因此在分析单因素变化对沥青老化特征影响时推荐采用针入度指标来评价沥青的老化程度及抗老化性能。

5)双因素条件变化时，基质沥青及改性剂类型在以针入度比为指标表征沥青抗老化性能方面有很好的关联性，在以黏度比为指标表征沥青抗老化性能方面有较好的规律性但关联性不大，因此在分析双因素变化对沥青老化特征的影响时仍推荐采用针入度比指标来评价沥青的老化程度及抗老化性能。

[1] 应荣华，郑建龙, 陈骁.沥青老化效应的试验研究[J].公路交通科技，2007,24(6)：21-23. YING Ronghua, ZHENG Jianlong, CHEN Xiao. Tests of the asphalt aging effect[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,2007,24(6):21-23.

[2] LU X, ISACSSON U. Chemical and rheological evaluation of ageing properties of SBS polymer modified bitumens[J].Fuel, 1998,77(9):961-972.

[3] CORTIZO M S, LARSEN D O, BIANCHETTO H, et al. Effect of the thermal degradation of SBS copolymers during the ageing of modified asphalts[J].PolymerDegradation&Stability,2004,86(2):275-282.

[4] 欧阳君，孙大权，章毅. 基于流变性能的SBS 改性沥青老化动力性能研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版),2011,30(3):411-414. OUYANG Jun, SUN Daquan, ZHANG Yi. Investigation of aging kinetics of SBS modified asphalt based on rheological properties[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(3):411-414.

[5] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社，2001. SHEN Jin’an.RoadPerformanceofAsphaltandAsphaltMixture[M]. Beijing: China Communications Press,2001.

[6] 张杰文.基于耦合条件下SBS改性沥青老化特性研究[D].重庆：重庆交通大学，2014. ZHANG Jiewen.ResearchofAgedCharacteristicsofSBSModifiedAsphaltunderCouplingCondition[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2014.

[7] SUGANO M, IWABUCHI Y, WATANABE T, et al. Relations between thermal degradations of SBS copolymer and asphalt substrate in polymer modified asphalt[J].CleanTechnologies&EnvironmentalPolicy,2010,12(6):653-659.

[8] CORTIZO M S, LARSEN D O, BIANCHETTO H, et al. Effect of the thermal degradation of SBS copolymers during the ageing of modified asphalts[J].PolymerDegradation&Stability,2004,86(2):275-282.

[9] 交通运输部公路科学研究院. JTG E 20—2011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京：人民交通出版社,2011. Research Institute of Highway Ministry of Transport.JTGE20—2011StandardTestMethodsofBitumenandBituminousMixturesforHighwayEngineering[S]. Beijing: China Communications Press,2011.

[10] 刘丽. 基于热、光耦合条件下SBS改性沥青老化机理研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2015. LIU Li.StudyontheAgingMechanismofSBSModifiedAsphaltintheCouplingCondition[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2015.

[11] WOO W, HILBRICH J, GLOVER C. Loss of polymer-modified binder durability with oxidative aging: base binder stiffening versus polymer degradation[J].JournaloftheTransportationResearchBoard, 2007, 1998: 38-46.

[12] HERRINGTON P R. Thermal decomposition of asphalt sulfoxides[J].Fuel,1995,74(8):1232-1235.

[13] 王佳妮.模拟紫外环境下沥青流变行为及老化机理研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008. WANG Jia′ni.SimulatingAsphaltRheologicalBehaveandAgingMechanismunderUVEnvironment[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2008.

Macro Aging Characteristics of Asphalt under Heat and Light Coupling Condition

CHEN Long1, CHEN Songmin2, HE Zhaoyi1

(1.Shool of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. People’s Liberation Army 95996 Troop, Beijing 100086, P.R.China)

Through the indoor experiments on several technical performance indicators (including penetration, viscosity, softening point, rutting factor) of two kinds of matrix asphalt and four kinds of modified asphalt, the macro aging characteristics under different coupling condition of heat and light were compared. The results show that: for matrix asphalt, the anti-thermal aging performance of ZH asphalt is obviously superior to that of SK asphalt when the light intensity is constant; the anti-light aging performance of SK asphalt is obviously superior to that of ZH asphalt when the temperature is constant. For the modified asphalt, the ability of linear modified asphalt to resist heat and light coupling is better than that of star type modified asphalt. When the single factor and couple factors change, the matrix asphalt and the modified asphalt have a strong correlation with anti-aging properties which is reflected by penetration ratio; in addition, there is minor correlation with anti-aging properties which are reflected by viscosity ratio, softening point ratio and shear rheology coefficient. Therefore, penetration ratio is recommended for the index to evaluate the aging degree of asphalt and anti-aging properties. The variance analysis results of couple factors show that the temperature is more significant than light intensity in the light and heat coupling effect.

highway engineering; technical indicators; matrix asphalt; modifier; aging characteristics

2015-09-15；

2015-12-10

国家自然科学基金项目(51278513)

陈 龙(1989—)，男，河南开封人，博士研究生，主要从事路基路面材料与结构方面的研究。E-mail：hellolong0701@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.09

U416.217

A

1674-0696(2016)06-038-07