基于流变学的沥青老化评价指标关系研究

王 磊，王树杰

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

1 概述

随着沥青路面在我国高等级公路中覆盖率的逐步增加，沥青路面舒适性、安全性、易维修等优点得到了道路行业的认可。沥青混合料是非线性黏弹性体，沥青随着外界温度的变化总体上呈现3种力学状态——玻璃态、高弹态、黏流态，沥青与集料、矿物填料通过物理化学吸附裹覆作用形成一个空间网状结构的三级分散体系。沥青路面在通车运行中由于受到荷载和自然环境的耦合作用，沥青混合料内部的综合应力（温度应力、荷载应力等）较大，自身性质发生变化，导致沥青路面容易产生早期破坏，而其中有关沥青老化的问题成为了道路工程行业关注的热点。从贮运、加工到最终的施工铺筑使用，由于外界条件作用如蒸发、脱氢、缩合、氧化［1-3］等，沥青逐渐发生老化。在路面服役过程中，由于受到交通荷载及各种自然环境的综合作用，沥青混合料受到反复应力作用，直至达到材料疲劳极限应变，沥青结构层发生开裂，严重影响了沥青路面的使用寿命［4-6］。流变试验及评价指标是从流变学角度分析沥青的黏弹状态，对于沥青的黏弹特性表征更加准确，目前沥青的流变试验已广泛运用于科研中，对沥青的流变特性评价已较为成熟；而有关沥青流变指标与常规指标之间关系的研究较少，因此，有必要针对沥青老化流变指标与常规指标之间关系进行深入的研究。

本文根据沥青的老化机理及特性，选用不同的老化方式来模拟沥青在实际工程使用中发生的老化形式，采用薄膜烘箱老化试验TFOT模拟沥青的短期老化，采用压力老化试验PAV模拟沥青长期老化，据此分析经过老化后沥青的常规试验指标变化规律；基于沥青流变学特性，利用动态剪切流变仪对沥青进行流变曲线分析，并根据试验所测结果探索沥青常规试验指标与流变指标的关系，旨在为后续对于沥青老化问题的研究提供参考。

2 试验设计

试验选用的沥青材料为70#基质沥青和SBS改性沥青，具体技术指标如表1和表2所示。为了更好地模拟沥青在沥青路面通车使用中发生的老化情况，选择两种不同老化方式的试验：薄膜烘箱老化试验（TFOT）和长期压力老化试验(PAV)。通过这两种不同的老化方式研究基质沥青和改性沥青老化后性能差异，试验条件如表3所示。按照现有行业规范对老化沥青进行了针入度、软化点、延度和布氏黏度常规试验；采用动态剪切流变仪DSR进行了动态温度扫描试验研究，设置条件为25 mm转子，转速10 rad/s，试验温度范围为在10~80 ℃。

表1 70#基质沥青常规指标检测结果

3 常规指标分析

为了解沥青经过不同老化条件老化后发生的性能变化，对老化前后的沥青进行针入度、软化点、延度和黏度的检测试验，分析各指标的变化规律，试验结果如图1所示。

表2 SBS改性沥青常规指标检测结果

表3 沥青老化试验条件

图1 两种沥青不同老化状态下的指标变化

从图1中可看出，对于70#基质沥青，随着老化时间的增加，沥青针入度显著降低，软化点、黏度值变大，但延度大幅减小。当老化时间小于20 h时，PAV老化沥青仍具有较高的针入度、延度，而软化点和黏度增率不如TFOT老化沥青。而对于SBS改性沥青而言，老化后针入度、软化点总体上是降低的，然而SBS改性沥青的延度变化无规律可寻，在老化一段时间内两种老化方式作用下的沥青延度居然比未老化沥青还要大，可见改性沥青老化后延度性质变化较为复杂。

根据现有文献研究成果，SBS改性沥青老化后的软化点变化规律并不固定［7-8］，这是因为改性沥青是由基质沥青和改性剂两部分组成的，基质沥青的老化是一个“硬化”过程，而改性剂在老化过程中可能发生裂解反应，会使沥青“变软”。除此以外，笔者认为对于一些改性不良的SBS改性沥青，可能会在试验过程中存在后期发育的现象，这对改性沥青老化后的软化点变化情况造成一定的影响，但这一观点需要通过试验进一步证实。因此，在进行旧路再生沥青评价时，使用3大指标进行沥青老化程度的评估对SBS改性沥青存在不适用性。

4 流变指标分析

利用两个流变指标：能够表征沥青抵抗变形能力的流变指标复数剪切模量G*和表征沥青黏弹成份比例的结构信息的相位角δ，来评价沥青的黏弹特性。本文试验通过动态剪切流变仪DSR分别对老化前后的70#基质沥青和SBS改性沥青进行流变指标测试，进一步了解不同老化方式、不同老化时间对不同沥青的流变性能影响，试验结果如图2~图5所示。

图2 经TFOT老化70#基质沥青流变曲线

图3 经PAV老化70#基质沥青流变曲线

由图2流变曲线试验结果可看出，沥青经过老化后其复数模量变大，沥青发生硬化，这与前述常规试验结果中软化点、黏度剧增、针入度降低的现象遥相呼应。图3中经过 PAV老化基质沥青表现出与TFOT老化相似的模量变化，但经过20 h PAV老化后，沥青的相位角减小明显，并且在温度达到35 ℃后相位角变化曲线出现显著稳平区，这一定程度上说明长期压力老化可以改变基质沥青的黏弹比例。

图4 经TFOT老化SBS沥青流变曲线

图5 经PAV老化SBS沥青流变曲线

根据图4和图5 SBS改性沥青流变曲线分析可得出，经过一段老化时间，两种老化方式条件下改性沥青的相位角变化都有一个缓平区。SBS改性沥青相位角这种变化能够反映出改性沥青显微网状结构，性能上表现出温度敏感性小，沥青在高温下依然能够保持高弹性能。然而，经过一定时间老化后，两种老化方式下改性沥青的相位角变化曲线的稳平区逐渐消失，这表明SBS改性沥青在经过长期老化后其内部网状结构会遭到了破坏。

5 软化点及复数模量关系

根据所得试验结果发现一个有趣的现象：无论是经过TFOT还是PAV老化，在温度扫描范围内基质沥青软化点对应的模量值似乎对应于一个固定的模量值，图中所示该模量值为14 200 Pa（如图6所示）。图7和表4为TFOT、PAV样品在各自软化点温度下对应的复数模量和相位角数据，可以看出在应力水平100 Pa、转速10 rad/s的动态剪切条件下，不同老化状态下沥青软化点温度对应的复数模量值平均在14 200 Pa、标准差为543 Pa范围内。而相对应的作为一个结构信息的相位角，会随着老化时间延长、软化点增高而呈现有规律的降低，这一现象也表现出基质沥青温度敏感性强的特性；同时，从试验数据中可看出PAV老化方式要比TFOT老化对沥青的结构影响更为明显，前者沥青相位角变化大于后者，黏弹性比例发生了明显的改变，这是单纯热氧化（TFOT）与压力热老化（PAV）的明显差别。

图6 沥青软化点对应的模量位置

由上述可知，石油沥青与改性沥青在各自软化点条件下处于两种不同的流变状态，而各种不同老化状态的石油沥青则能都保持较为相同的材料状态，同时不同老化状态下石油沥青的软化点下的模量、相位角直观上接近，因此有必要对软化点、模量、相位角进行一个关系验证，是否这些参数可以表示一个共同的等效模量或者相位角。

图7 沥青软化点对应的复数模量与相位角

表4 软化点对应的沥青复数模量、相位角

根据上述试验中发现的现象，提出一个等模量温度概念，即不同老化状态下的沥青软化点所对应的复数模量值近似相等，此时的温度值即为等模量温度。为了验证等模量温度的存在，选取30余个沥青样品，对其进行了动态剪切扫描试验，试验温度为各个沥青样品的软化点温度，探讨了软化点环境下的沥青的流变特性和黏弹性状态。图8为石油沥青的软化点、复数模量两者关系的散点图，由图中数据可以发现软化点与对应的模量并不呈现出任何相关关系，且其对应的复数模量数据点绝大部分分布在95%置信度内，说明沥青软化点对应的复数模量分布相对集中，离散性小。

图8 软化点对应复数模量范围

根据上述试验结果，笔者将不同老化程度沥青的复数模量、相位角数据加入到表6的样本里面，利用Shapiro-Wilk正态检验（该法适合于3≤n≤50的样本统计），结果如图9 所示，在a=0.05置信水平下，沥青复数模量可通过正态检验。

图9 软化点温度下模量、相位角的正态分布情况

39个样品数据的复数模量均值约为12 678.47 Pa，标准差为2 273.15 Pa，变异系数为0.179 29；而沥青的39个相位角数据概率值较大，则不能通过正态检验（如表5所示）。结果充分说明了石油沥青在软化点温度下，不管老化状态如何，其可近似为一个等模量温度，在设定的试验条件下（荷载100 Pa、频率10 rad/s），该模量值约为12 678.47 Pa（标准差2 273.15 Pa）；而相位角受老化状态影响较大，并不能作相同考虑，因此对相位角不能进行等效处理。

表5 模量G*和相位角的描述性统计和正态检验

6 结论

（1）随着老化时间的增加，针入度和黏度的老化指数对于基质沥青和SBS改性沥青都有增加，而改性沥青软化点变小，SBS改性沥青的延度的变化则是没有规律性。因此，用常规指标对SBS改性沥青老化程度的评估存在不适用性

（2）老化后基质沥青的相位角表现出规律性的减小，使得沥青弹性成分增加，弹性增强，但经过PAV长期老化后相位角出现平稳区。

（3）经过一段时间老化后SBS沥青的相位角变化有一个缓和区，这种特性可以使得路面高温下仍然保持较强的高温稳定性能。而经过一段时间老化，SBS沥青的相位角曲线没有稳平区，说明长时间老化使得内部网状结构遭到破坏。

（4）在软化点温度条件下，石油沥青与改性沥青在各自软化点条件下处于两种不同的流变状态。此时，石油沥青黏弹性组成中的黏性分量占据主要部分，而SBS改性沥青则保持较低的模量值和相位角，弹性仍保持为一个明显的特质。

（5）利用Shapiro-Wilk正态检验发现，在a=0.05置信水平下，不管老化状态如何，石油沥青软化点对应的复数模量（荷载100 Pa、频率10 rad/s）呈正态分布，模量均值约为12 678.47 Pa，标准差为2 273.15 Pa。可以表明软化点是一个等模量温度点；而对应的相位角受沥青老化状态影响，不能等效；但SBS改性沥青没有这个规律。

［1］马育，何兆益，何亮，等.温拌橡胶沥青的老化特征与红外光谱分析［J］.公路交通科技，2015，32（1）：13-18.

［2］李晶,刘宇,张肖宁. 沥青老化微观机理分析［J］.硅酸盐通报，2014，33（6）：1275-1281.

［3］李璐,郝增恒,盛兴跃. 基于红外光谱的浇注式沥青超热低氧老化机理［J］.公路交通科技，2016，33（11）：20-25.

［4］侯明昊. 水—温耦合作用对沥青混合料性能影响及防治措施研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

［5］周岚.高速公路沥青路面使用性能评价及预测研究［D］.南京：东南大学，2015.

［6］郑健龙.基于状态设计法的沥青路面弯沉设计标准［J］.中国公路学报，2012，25（4）：1-9.

［7］陈晓龙.矿粉复合木质纤维的制备及其改性沥青与混合料研究［D］.沈阳：东北大学，2014.

［8］刘红瑛，张铭铭，黄凌辉，等.多聚磷酸复合SBS改性沥青流变性能及抗老化特性［J］.东南大学学报(自然科学版)，2016，46（6）：1290-1295.