基于不同老化方式的沥青流变性能研究

胡坤铭，王树杰

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210017）

基于不同老化方式的沥青流变性能研究

胡坤铭，王树杰

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210017）

通过薄膜烘箱及压力老化仪分别对沥青进行老化，研究基质沥青与改性沥青老化性质的差异；通过对原样沥青及不同老化程度沥青进行动态剪切流变（DSR）试验，采集复数剪切模量、相位角和车辙因子，分析两种沥青的老化性质。结果显示，老化后基质沥青的复数模量增加，压力老化（PAV）后沥青的复数模量大于薄膜烘箱老化（TFOT）后沥青；相位角表现为老化后有规律地减小，表明沥青弹性成分增加、弹性增强；基质沥青的车辙因子比大于改性沥青，表明改性沥青的抗老化性能优于基质沥青。

公路；复数剪切模量；相位角；粘弹组成；老化沥青

沥青混合料的抗老化性能是影响沥青路面耐久性和使用寿命的一个重要因素，其中沥青胶结料作为骨料的粘结剂又是影响沥青混合料抗老化性能的主要因素之一。沥青老化是指沥青性质随时间而变化的现象，是一个渐变的过程，分为短期老化和长期老化。该文通过薄膜烘箱老化试验（TFOT）、压力老化试验（PAV）分别模拟沥青短期老化和长期老化，通过对沥青进行动态剪切流变（DSR）试验，得到原样沥青及不同老化程度沥青的流变性能数据，分析基质沥青、改性沥青的老化性能差异和沥青的流变性能。

1 试验设计

试验采用中海70#基质沥青和SBS改性沥青，两种沥青的常规技术指标见表1和表2。

表1　70#基质沥青的常规指标

表2　SBS改性沥青的常规指标

试验模拟TFOT、PAV在不同时间下的老化状态，研究基质沥青与改性沥青的老化性质，老化试验条件见表3。采用动态剪切流变仪（AR2000EX）对沥青进行温度扫描模式试验，试验条件为转子25mm、转速10 rad/s、采集数据的温度T为10～60℃，通过试验数据绘制综合流变曲线图。

表3　老化试验条件

2 老化后沥青流变测试与分析

通过DSR对基质沥青、SBS沥青分别进行流变性能测试，根据试验结果分析不同老化方式、不同老化时间下沥青的模量、相位角及车辙因子比等流变指标。车辙因子比是沥青老化后与老化前抗车辙因子的比值，其大小能反映沥青因老化而变硬的程度，其值越大，沥青的抗短期老化性能越差。

2.1老化后基质沥青流变测试结果及分析

不同老化方式下基质沥青的综合流变曲线见图1和图2，车辙因子比见图3和图4。

图1　TFOT老化基质沥青的综合流变曲线

图2　PAV老化基质沥青的综合流变曲线

图3　TFOT老化基质沥青的抗车辙因子比

图4　PAV老化基质沥青的抗车辙因子比

从图1可看出：基质沥青的复数剪切模量G*随着老化时间的增加而变大，随着温度的降低而增大，老化时间和温度与沥青剪切模量之间呈现单调变化规律，表现出沥青材料感温性的特点。经过TFOT老化30 h后，在同温度下老化沥青的模量比原始沥青的模量大一个数量级，这与老化沥青软化点、粘度剧增，针入度降低的现象相一致。试验温度为10～20℃时，相位角δ曲线出现明显的转折，此时的沥青呈现玻璃态。

从图2可看出：经PAV老化后，基质沥青的模量表现出与TFOT老化结果基本相同的变化规律，不同的是经过压力老化20 h后，沥青的相位角整体上降低较明显，并且在35℃后相位角曲线出现平稳区，说明长时间的压力老化使基质沥青的粘弹组成比例发生了改变，已不是单一的热氧化过程。

总而言之，在试验温度范围内，老化后基质沥青表现为复数模量增加，且PAV老化后沥青的复数模量大于TFOT老化后沥青的复数模量；相位角则表现为老化后有规律地减小，表明沥青弹性成分增加、弹性增强。

从图3和图4可看出：TFOT老化、PAV老化时间为5 h时，基质沥青的老化程度都较小；随着老化时间的增大，沥青经TFOT老化15 h的老化程度开始大于PAV老化20 h的老化程度，而TFOT老化30 h的曲线变化幅度明显大于PAV老化20 h的曲线变化幅度，说明随着TFOT、PAV老化时间的增长，沥青老化程度增大，且TFOT老化程度大于PAV老化程度。这与老化条件有着较大的关系，PAV老化的试验温度较低（90～110℃），而TFOT老化的试验温度为163℃，后者试验中的沥青与空气接触面积大。

2.2老化后SBS沥青流变测试结果及分析

不同老化方式下SBS沥青的综合流变曲线见图5和图6，车辙因子比见图7和图8。

图5　TFOT老化SBS沥青的综合流变曲线

图6　PAV老化SBS沥青的综合流变曲线

图7　TFOT老化SBS沥青的车辙因子比

图8　PAV老化SBS沥青的车辙因子比

由图5和图6可看出：在TFOT老化30 h和PAV老化20 h内，SBS沥青的相位角δ随着温度的变化过程中都存在一个缓和区，35～60℃时相位角为70°左右，而基质沥青的相位角接近90°，且变化较快，表现出较强的温度敏感性。与基质沥青较强的敏感性相比，经过SBS改性剂改性的沥青的温度敏感性表现出相对惰性，其流变曲线存在相位角缓冲区，这种特性可以使路面在容易发生车辙的条件下仍然具有较好的弹性恢复性能，保持较强的高温稳定性能。而在TFOT老化30 h、PAV老化20 h时，改性沥青的相位角曲线没有缓冲区，说明长时间老化使SBS改性沥青内部网状结构遭到破坏，这是因为SBS改性沥青在老化过程中改性剂会发生降解，丁二烯C=C键的断键产生羰基和少量亚砜基，分子结构失去弹性，沥青中的网状结构被破坏，使改性效果逐渐消失。

从图7和图8可看出：SBS沥青经TFOT老化5、10、15 h的老化程度与PAV老化5、10 h的老化程度相近。随着老化时间的增加，TFOT老化30 h的车辙因子比曲线斜率明显大于经PAV老化20 h的车辙因子比曲线斜率，SBS改性沥青经TFOT老化30 h及PAV老化20 h的车辙因子比变化曲线都呈凸形，在40℃左右出现峰值，这种现象产生的原因可能与改性沥青中改性剂的裂解有关。

综合两种沥青老化前后车辙因子比结果，可看出：基质沥青的车辙因子比大于改性沥青，且曲线变化幅度大于后者，说明改性沥青的抗老化性能优于基质沥青，改性沥青的性能更稳定。

3 结论

（1）老化后基质沥青的复数剪切模量G*增加，PAV老化后沥青的复数剪切模量大于TFOT老化后沥青的复数剪切模量；老化后沥青的相位角成规律性地减小，使沥青弹性成分增加、弹性增强，但经过PAV长期老化后相位角出现平稳区，表明后期的老化不是单一的氧化老化。

（2）在TFOT老化30 h和PAV老化20 h内，SBS沥青的相位角变化存在一个缓和区，这是由SBS改性剂带来的弹性效果，这种特性可使路面在容易发生车辙的条件下仍然具有较好的弹性恢复性能，保持较强的高温稳定性能。在TFOT老化30 h、PAV老化20 h时，SBS改性沥青的相位角曲线没有缓冲区，说明长时间老化使SBS改性沥青内部网状结构遭到破坏，这是由于SBS改性剂在长时间受热或压力条件下降低了增效性能。

（3）基质沥青的车辙因子比大于改性沥青，其车辙因子比曲线变化幅度大于后者，说明改性沥青的抗老化性能优于基质沥青，其性能更稳定。

［1］ 马庆伟，高荣，张娟，等.沥青老化对沥青及沥青混合料性能的影响分析［J］.公路交通科技：应用技术版，2012（3）.

［2］ 张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 刘凤岐，汤心颐.高分子物理［M］.北京：高等教育出版社，1995.

［4］ Codrin Daranga.Characterization of aged polymer modified cements for recycling purposes［D］.Louisiana State University，2005.

［5］ 植豪文.基于微观分析的SBS改性沥青老化力学性能研究［J］.公路与汽运，2016（2）.

［6］ 吴少鹏，朱国军，陈筝，等.基于实验室内沥青紫外老化流变学行为和特性的研究［A］.中国化学会、中国力学学会第九届全国流变学学术会议论文摘要集［C］. 2008.

［7］ 朱辉，樊亮，裴金荣，等.两种沥青老化后的流变性能分析［J］.石油沥青，2014，28（4）.

［8］ 陈华鑫，陈拴发，王秉纲.基质沥青老化行为与老化机理［J］.山东大学学报：工学版，2009，39（2）.

［9］ 陈华鑫，周燕，王秉纲.SBS改性沥青老化后的动态力学性能［J］.长安大学学报：自然科学版，2009，29（1）.

U416.217

A

1671-2668（2016）05-0073-03

2016-04-07