橡胶改性沥青抗水老化性能研究

刘东 周锋光 黄康

摘要：文章模拟广西实际多雨气候特点，采用室内冻融循环方法，通过常规指标试验、动态剪切流变试验及低温弯曲流变试验测试橡胶沥青水老化的高低温性能，并借助红外光谱（FTIR）分析冻融循环作用下橡胶沥青特征官能团及相对分子质量变化情况，以探究橡胶沥青水老化的微观特性。研究结果表明：冻融循环使得橡胶沥青的针入度和延度指标下降，软化点上升，沥青发生老化;橡胶沥青经冻融循环作用后车辙因子升高，相位角下降;冻融循环作用使得橡胶沥青蠕变劲度S增大，蠕变速率m减小。其中FTIR试验表明，冻融循环作用将加剧橡胶沥青材料的老化;橡胶改性沥青的抗水老化性能优于基质沥青。

关键词：橡胶改性沥青;水老化;冻融循环作用;微观特性

0 引言

沥青路面在施工和服役期间存在的老化现象表现为松散、坑槽、开裂等主要病害类型，而沥青混合料抗水损坏能力是影响沥青路面使用寿命的重要因素，这需要同时探究水分对沥青及沥青混合料性能的影响。

对于沥青材料水稳定性的研究，目前已有学者就此展开了一系列的研究并发现，水分的存在影响沥青长期老化后流变性能、宏观性能以及微观组分的变化，同时加速沥青热氧老化速率[1-5]。孟勇军[6]基于广西降雨时间约占全年1/3的实际，指出水分作用时间应不大于PAV试验时间1/3，基于对沥青进行脱水处理再继续剩余时间的无水PAV试验发现，水分作用增大了沥青老化后抵抗变形的能力，但弹性恢复性能下降。

对于沥青混合料的水稳定性研究，多着眼于以浸水马歇尔和冻融劈裂为代表的评价体系[7-10]，而水会造成沥青材料以及沥青-集料界面作用的改变[11]，造成混合料各项性能的衰变，因而水影响着沥青混合料性能的变化。现有试验方法中多采用高温水长期浸泡或冻融循环的方式来模拟实际路面状况[12-14]，且不少学者研究温度、盐分和冻融循环对沥青路面的影响，研究发现在盐-温-冻融的作用下，沥青混合料的间接拉伸强度、抗压强度、疲劳寿命均显著降低[15-17]。此外，研究发现沥青混合料在水-温-荷载作用下其疲劳寿命明显降低[18-19]。冯俊领[20]等通过室内外模拟试验，研究了夏季高温多雨条件下沥青路面的水稳定性，提出了以劈裂抗拉强度指标评价夏季室外水浴高温循环变化对沥青混合料水损害影响的方法。这些方法作用机理与实际动水冲蚀并不相同，汉堡车辙、浸水APA等试验中静水浸泡作用也难以反映实际状况[21]。动水的实际作用包括动水下沥青材料性质改变、水在沥青膜中的扩散规律、动水对沥青-机理界面影响程度等，均应基于室内动水冲刷模拟方法开展针对性的研究。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）沥青

选用70#A级基质沥青，其主要技术指标见表1。

（2）橡胶粉

选用深圳路海威40目脱硫橡胶粉，其主要技术指标见表2。

（3）SBS

本文选取常用的YH-791H线性SBS，其主要技术指标见表3。

（4）稳定剂

选用市面常用典型的白色促进剂T1（见图1）与黑色稳定剂T2（见图2）。

（5）橡胶沥青制备

参考熊剑平[22-23]等人对于橡胶沥青制备工艺的研究，结合实际制备经验，本文选用橡胶沥青基础配方与制备工艺见表4。

1.2 试验方法

中国大部分地区的主要降雨量大都发生在夏季，平均降雨历时的空间分布规律显示为“短-长-短”。西北至华北地区平均降雨历时都在3.3 h以下，东北、华南与西南地区大都在3.3～3.9 h，西北、华东与华南地区平均降雨历时都较长，很大比例都在4.2 h以上，西北地区降雨历时最长，平均降雨历时在5.4 h以上[24]。

将制备的沥青试件置于25 ℃恒温水箱中30 min，注入薄膜烘箱试验的盛样皿中，质量控制在50 g±0.5 g，沥青薄膜厚度为3.2 mm，放入干燥器中冷却至室温制备。将制备的沥青试件置于25 ℃恒温水箱30 min后放入塑料袋中，往袋中注水10 mL，用细绳将袋子扎紧。为缩短冻融循环试验时间，根据郑健龙试验方法[25]对冻融试验进行设计，将试件放入试验室温度为-20 ℃的冰箱中16 h后移至60 ℃水浴箱中8 h，因此1次冻融循环时间为24 h。重复以上步骤，将试件分别冻融循环1次、3次、5次。

参考半刚性基层和水泥混凝土冻融循环试验方法，本文以-20 ℃～60 ℃为冻融循环作用温度，将成型好的30 cm×30 cm×5 cm车辙试件在室温条件下进行饱水24 h，放入塑料袋中，注水没过试件10 mm并密封，放置在-20 ℃冰箱冻16 h后移至60 ℃的恒温水槽融化8 h，即完成1次冻融循环作用。沥青混合料冻融循环次数选为1次、3次。

2 结果与分析

2.1 常规指标试验结果与分析

对不同冻融循环次数的橡胶改性沥青进行三大指标测试，试验结果见表5。

（1）针入度和延度总体上随冻融循环次数增加呈下降趋势，而软化点呈上升趋势。这主要是因为沥青质在经过冻融循环后含量逐渐增加，同时在表面形成一定强度的沥青膜，这致使沥青变硬。此外，随着冻融循环次数逐渐增加，表面的沥青膜越厚，针入度测试结果就越小[26]。由于橡胶改性沥青内部发生了水-温老化反应，且水在冻融循环作用后产生了结晶膨胀，破坏了沥青内部结构，导致延度下降，软化点提升[27]。

（2）根据图3分析，针入度和延度前期下降速率较快，后期逐渐减缓。对不同冻融循環次数下的橡胶改性沥青针入度、延度和软化点趋势进行拟合，发现均符合幂函数型变化趋势。经过5次冻融循环作用后，针入度下降约14.6%，延度下降约28%，软化点提高约5.4%，表明冻融循环作用对橡胶改性沥青性能影响程度为：延度>针入度>软化点。

2.2 动态剪切流变试验结果与分析

本次试验利用英国malvern公司BolinADSCVO-100型沥青动态流变剪切仪（DSR），对冻融循环前后的橡胶沥青进行温度扫描测试。试验时采用直径为25 mm的振荡板，设定频率为10 rad/s，选取温度区间为58 ℃～76 ℃，研究高温条件下，冻融循环对橡胶沥青高温性能的影响。

试验对不同冻融循环次数下的橡胶改性沥青试件进行DSR测试，试验结果如表6所示。

（1）随着扫描温度的升高，橡胶沥青车辙因子下降，相位角升高，即沥青材料的抗车辙能力下降。温度的升高使得沥青的自由体积增大，增加沥青材料的流动性使沥青从常温状态下的高弹态慢慢转化为高温时的粘流态[28]。

（2）冻融循环后，橡胶沥青的车辙因子升高，相位角下降，这是由于在冻融循环过程中橡胶沥青发生了小分子物质聚合，生成了大分子物质[29]，沥青质等大分子物质的增加致使沥青变硬、弹性增加。

2.3 低温弯曲流变试验结果与分析

弯曲梁流变试验通过对沥青胶结料进行低温弯曲蠕变劲度S测试，以此评价沥青胶结材料的低温抗裂特性。该设备主要由计算机控制、数据采集系统、简支梁弯曲蠕变设备、保温槽、施加荷载等结构构成。试验时，通过电脑控制施加35 mN±5 mN的预应力，使荷载压头和试件接触，之后施加980 mN±50 mN的荷载进行试验。试验温度一般为-12 ℃或-18 ℃。试验结束后，根据电脑记录的荷载和沥青试样的形变值，绘出挠度和时间的关系曲线，计算试验时间为60 s时的蠕变劲度S和变化率m的值。

测得不同冻融循环次数下橡胶沥青蠕变劲度S与蠕变速率m，试验结果如表7所示。

（1）随着冻融循环次数的增加，蠕变劲度S值不断增加，橡胶沥青逐渐老化，其低温性能不断衰减。沥青在冻融循环作用下，沥青中的羧酸、脂肪胺和脂类等亲水基团和水溶性物质被水溶解、吸收，沥青中各化学组分的含量及比例发生改变，大分子物质增加[30]，沥青变硬、变脆，导致S值增大。

（2）随着冻融循环次数的增加，蠕变速率m不断减小。因沥青在进行冻融循环时，沥青中的亲水基团与水的相互作用，发生了水-温老化[31]，使得沥青温度应力松弛速率逐渐减小[32]，蠕变速率减小。

2.4 FTIR试验结果与分析

一般将红外光谱图整个范围分为4 000～1 300 cm-1和1 300～400 cm-1两个区域。4 000～1 300 cm-1的峰是由伸缩振动产生的，其特征吸收峰一般位于高频范围，且该区域内吸收峰比较稀疏，因此这个区域是鉴定官能团存在最有价值的区域，称为官能区;1 300～400 cm-1区域中，光谱较为复杂，当分子结构稍有不同，吸收峰就会有细微的差异，因而称为指纹区。对于红外光谱的解析，一般先在官能团区找到官能团的特征伸缩振动，再根据指纹区吸收情况确认该基团的存在以及其他基团的结合方式。不同官能团的吸收峰的变化范围如表8所示。

本文采用德国BRUKER ALPHA Ⅱ红外光谱仪，分辨率为8 cm-1，扫描次数为64次，测试范围在4 000～525 cm-1。

对冻融循环前后的橡胶沥青进行红外光谱分析，试验结果如下页图6所示。由此可以看出：

（1）原样橡胶沥青在2 917 cm-1和2 852 cm-1处，光谱图出现强吸收峰，这是环烷烃和烷烃C-H伸缩振动的结果，由此判断其含有饱和烃;在1 600 cm-1处出现苯环振动特征吸收峰，表明沥青中含有芳香族化合物;在1 454～1 300 cm-1左右出现脂肪族亚甲基和甲基吸收峰，表明沥青中脂肪族分子的存在[33];在1 031 cm-1附近出现强度不明显的亚砜基伸缩振动峰[34];在900～700 cm-1左右吸收峰是一类芳烃化合物特征基团的弯曲振动等引起的[35]。由此判定橡胶沥青存在饱和烃、芳香族化合物、脂肪族分子以及少量硫元素。

（2）冻融循环没有带来新的特征峰，吸收峰形状基本没有大的变化，冻融循环改变橡胶沥青的内部结构和官能团程度不大。

（3）冻融循环后，在2 917 cm-1和2 852 cm-1处代表C-H伸缩振动的吸收峰强度明显降低，表明橡胶沥青中饱和分的含量减少;在1 031 cm-1处亚砜基（S=O）吸收峰强度先升高再降低且幅度不明显，这可能是因为最初沥青中硫元素被氧化生成亚砜基，但随着冻融循环次数的增加，部分亚砜基溶于水致使吸收峰强度降低[36-37];而在1 700 cm-1附近基本上观察不到羰基（C=O）特征峰的出现，可能是由于在凍融循环试验中，试验温度为-20 ℃～60 ℃，羰基的生成速率较慢且生成数量较少致使观测不到[37];1 600 cm-1处代表芳香烃苯环骨架振动的吸收峰变化较小，说明沥青中含芳香结构的组分变化不大。

（4）冻融循环前后沥青光谱图差异较小，由此可以认为较少次数冻融循环条件下，橡胶沥青老化程度较低。

3 结语

（1）橡胶改性沥青水老化使沥青的软化点增加，针入度和延度减小。这主要是由于沥青在经过冻融循环后，沥青质含量逐渐增加，并在表面形成一定强度的沥青膜，致使沥青变硬，并且随着冻融循环次数逐渐增加，表面的沥青膜越厚。此外，由于橡胶改性沥青内部发生了水-温老化反应，且水在冻融循环作用后产生了结晶膨胀，破坏了沥青内部结构，导致延度下降，软化点提升。冻融作用对橡胶改性沥青老化性能的影响程度最大为延度，其次为针入度，最后为软化点。

（2）基于DSR对橡胶改性沥青高温性能的分析，橡胶改性沥青经冻融循环作用后车辙因子升高，相位角下降。这是由于沥青在冻融循环过程中，橡胶沥青发生的小分子物质聚合成沥青质等大分子物质，致使沥青变硬、弹性增加。

（3）基于BBR对橡胶改性沥青低温性能的分析，冻融循环作用使得橡胶沥青蠕变劲度S增大，蠕变速率m减小。在冻融循环作用下，沥青中的羧酸、脂肪胺和脂类等亲水基团和水溶性物质被水溶解、吸收，沥青中各化学组分的含量及比例发生改变，大分子物质增加，沥青变硬、变脆，导致S值增大。