紫外光照下的沥青胶浆材料性能评价

2020-05-19谢祥兵李广慧童申家耿九光

公路交通科技 2020年4期

谢祥兵，李广慧，李晗，童申家，耿九光

(1.郑州航空工业管理学院，河南郑州 450046;2.西安建筑科技大学，陕西西安 710055;3.长安大学，陕西西安 710064)

0 引言

沥青混合料是典型的颗粒物质体系，其低温开裂性能与集料颗粒间的沥青胶浆材料微损伤等因素密切相关，而沥青胶浆是由沥青、矿粉及两者接触过程中形成的界面相组成，对沥青混合料路用性能起着关键作用[1]。研究者们主要运用细观力学方法、流变试验技术阐释沥青胶浆的力学性能、组分之间作用及评价指标和范围推荐，如Buttlar、Kim等结合细观力学模型、流变学模型研究了沥青胶浆黏弹性性能[2-3];王捷等从沥青混合料高低温性能、水稳定性和疲劳性能角度提出粉胶比取值为0.8～1.6[4]；张争奇等从沥青胶浆流变性能角度推荐粉胶比不宜超过1.2[5];谭忆秋等从填料与沥青相互作用角度确定出最佳粉胶比宜为0.9～1.4[6]；樊亮等分析了矿粉对沥青胶浆的影响机制，采用不可回复柔量差进行最大粉胶比判断[7]。其中部分学者开展了填料特性对沥青抗老化性能的研究，如张争奇[8]、王秉纲[9]等推荐热氧老化下沥青胶浆粉胶比不宜超过1.5；Cheng等探究了填料掺量(0%，5%，10%，15%)和类型(硅藻土、石灰岩矿粉)对沥青胶浆抗热氧老化能力的影响，认为硅藻土对沥青抗老化能力提高最为显著，并通过数理分析法确定出在沥青中的最佳体积掺量为12%[10]；Xie[11]等利用红外光谱和凝胶色谱试验从物理化学的角度阐释了填料对沥青抗紫外光老化机理；Qian等先运用磷酸型单烷氧基类钛酸脂(TM-P)对磷渣粉表面进行处理后研究其对沥青抗老化性能的影响，确定出改性磷渣粉可以显著提高沥青抗老化性能[12]。

沥青胶浆在沥青混合料的三级分散体系中发挥着重要作用，沥青胶浆低温性能评价指标与沥青混合料低温开裂具有显著性关系，即粉胶比越大，沥青混合料低温抗变形能力越弱，其断裂形式与沥青混合料路面开裂形式相近。高海拔地区具有典型的高原气候特征，即日照丰富、气温低、温差大等显著特点，丰富日照造成沥青混合料表层发生老化和脆化，导致沥青混合料抗拉强度及抗变形能力不断衰减，加剧低温开裂。因此，本研究以定量紫外光辐照下沥青胶浆的常规技术性质、流变性能为主要评价方法，结合数理分析方法推荐适宜高海高海拔地区的沥青胶浆粉胶比，为高海拔地区沥青混合料路面抗裂设计提供参考。

1 试验

1.1 制备沥青胶浆试样

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG_F40—2004)B6.8.1中所规定的沥青混合料粉胶比范围，本研究拟选取粉胶比值(质量比)F/A为0.6～1.8，间隔为0.2，作为研究对象。结合相关研究成果，运用精密磁力搅拌器通过分次加入填料的方法获得不同质量比的沥青，其主要原材料为：韩国90#基质沥青及其相对应的SBS I-C改性沥青、石灰岩矿粉，上述原材料均符合相应规范中有关指标的要求。

1.2 室内紫外光老化试验

以新建京新高速临哈段道路工程为依托，根据文献[13-15]中的年紫外光辐照总量420 MJ/m2进行室内模拟试验，采用公式(1)可确定出室内加速模拟紫外光老化速率为14.8，其中A取值为420 MJ/m2，I取值为200 W/m2(环境箱实测紫外光辐照强度)，环境箱工作温度为35 ℃[16]。为了重现沥青胶浆室外光老化环境，所有胶浆试样先进行薄膜老化试验，然后放置在老化环境箱中老化8 h，同时使试样旋转90°以保证试样收到均匀光照。

(1)

图1 试样紫外光老化前后形貌Fig.1 Morphology of specimen before and after UV aging

结合已有的研究结论[17-18]，采取定量紫外光辐照研究沥青胶浆材料性能变化，即室内紫外光老化时长设为194 h，室内紫外光辐照强度为200 W/m2。对比图1中沥青胶浆紫外光老化前后的表面形貌可知，老化前表面形貌平整、亮黑且有光泽，而老化后表面有些位置发生皱褶，且部分区域呈现蓝色或紫色，由此可以确定出沥青胶浆不仅在紫外光辐照下发生了老化，而且为材料性能分析奠定了基础。

2 常规性能试验分析

采取软化点增值ΔT、延度保留率(ductility retention rate,DRR)、残留针入度比(percent retained penetration,PRP)表征不同填料质量分数对沥青耐光老化常规技术性质演变规律[9-10]，其中延度测试条件为10 ℃，1 cm/min[19]。计算公式见式(2)～(4)，结果如图2所示。

化增值=老化后化值-老化前化值，

(2)

延度保留率=(老化后延度值/老化前延度值)×100，

(3)

留入度比=(老化后入度值/老化前入度值)×100。

(4)

图2 不同类型沥青胶浆常规性能指标Fig.2 Conventional performance indicators of different types of asphalt mortar

分析图2可知，固定粉胶比下的基质沥青胶浆都表现出相似的变化特征，软化点增量值ΔT降低，延度保留率DRR增高，残留针入度比PRP升高，根据常规性能评价指标的物理意义可知，基质沥青中掺加矿粉可以有效改善沥青的耐老化性能[12]；与基质沥青胶浆相比较，SBS改性沥青胶浆软化点增量值ΔT、延度保留率DRR、残留针入度比PRP的演化规律不太显著，矿粉的加入对SBS改性沥青常规性能的影响比较复杂，如当填料掺量较低时，软化点增量值ΔT由-8变到1.2，这主要是由于改性沥清老化后的软化点变化趋势取决于基质沥青和聚合物SBS的共同作用，基质沥青紫外光老化会造成改性沥青软化点增高，而聚合物SBS降解造成改性沥青软化点降低[20]。分析图2中两种沥青胶浆残留针入比PRP趋势可知，沥青胶浆残留针入度比PRP与温度成正相关关系，其中基质沥青胶浆在25 ℃下的值变化最为显著，其最大值约为55.0%，而改性沥青胶浆在15 ℃下变化最为显著，其最大值约为72.0%。

3 流变性能试验分析

SHRP试验中的沥青旋转黏度、沥青弯曲蠕变劲度、基于动态剪切流变仪的沥青流变性质试验中的相关指标都可以表征沥青胶浆性能[21]。因此，借助上述评价指标，通过构建活化能老化指数、抗疲劳(车辙)因子老化指数、蠕变劲度老化指数探究紫外光照下不同质量分数的填料对沥青耐紫外光老化性能影响的演变规律。

3.1 老化前后黏度及活化能分析

活化能主要用于表征沥青胶浆在不同温度下的黏流态流动能力[22]，因此分别测试了沥青胶浆在120，135，145 ℃温度下的老化前后黏度，见图3～图4，在此基础上，根据式(5)评价沥青胶浆老化前后温度敏感性。

(5)

图3 基质沥青胶浆表观黏度 Fig.3 Apparent viscosity of matrix asphalt mortar

图4 改性沥青胶浆表观黏度Fig.4 Apparent viscosity of modified asphalt mortar

图5 基质沥青胶浆活化能Fig.5 Activation energy of matrix asphalt mortar

图6 改性沥青胶浆活化能Fig.6 Activation energy of modified asphalt mortar

式中，η为表观黏度；T为绝对热力学温度；R为玻尔兹曼常数，取值为8.314 J/(mol·K)；A为拟合常数[22-23]，其相关计算结果见图5～图6。为了评定紫外光辐照下填料掺量对沥青黏流态流动能力的影响，定义活化能老化指数(activation energy ageing index，EAI)，计算公式见式(6)，计算结果如图9所示。

(6)

比较图3～图4测试结果可知，与老化前相比，沥青胶浆老化后黏度值呈现上升趋势，其中在120～135 ℃ 时的增黏效果比145 ℃时显著；由图5～图6可知，紫外光老化前，两种类型沥青胶浆随着矿粉掺量逐渐增加，活化能逐渐升高；与老化前相比，紫外光老化后基质沥青胶浆活化能升高，改性沥青胶浆活化能降低，改性沥青胶浆活化能值低于基质沥青胶浆，两种类型沥青胶浆都表现为先降低后上升的趋势。相关研究结果表明，黏流活化能与材料的温度稳定性密切相关，黏流活化能越高，其温度敏感性越低[10, 22-23]，由此可知紫外光辐照使基质沥青胶浆温度敏感性降低，这主要是由沥青组分之间的相互作用作用所致。与基质沥青相比，紫外光老化后改性沥青黏流活化能降低，这可能是由于在紫外光辐照下聚合物SBS发生降解，使得沥青和聚合物相互作用减弱，而且该作用大于基质沥青组分之间的相互作用。

图7 沥青胶浆EAI值Fig.7 EAI value of asphalt mortar

由图7(a)可知，基质沥青胶浆活化能指数值小于基质沥青活化能指数值，随着粉胶比F/A逐渐增大，基质沥青胶浆活化能老化指数表现为先降低后升高的趋势，这说明紫外光老化对沥青胶浆活化能的影响是由填料掺量引起的，加入适量填料可以有效降低紫外光老化对沥青温度敏感性的影响。结合图2(b)可知，伴随沥青胶浆活化能增高，其低温延展性逐渐降低。在掺加矿粉提高沥青耐紫外光老化性能的同时，应保持一定的低温性能，因此沥青胶浆活化老化指数EAI越小，填料对沥青耐紫外光老化性能越好。改性沥青胶浆与基质沥青胶浆表现相同的变化趋势，上述分析结论同样适用于改性沥青胶浆。根据上述回归公式，可确定出矿粉与基质沥青和改性沥青的最佳质量比分别为1.220和0.973。

3.2 抗疲劳因子/车辙因子分析

在SHRP计划中运用动态剪切流变仪研究沥青胶结料流变性质，结合相关成果本研究采用该方法表征沥青胶浆流变性质[21, 24-25]，其中在γ=1%，ω=10 rad/s，10 ℃[19, 25]条件下评价沥青胶浆抗疲劳性能，在测试条件为γ=10%，ω=10 rad/s，64 ℃条件下评价沥青胶浆抗车辙性能，两种测试条件下的试验结果分别见图8～图9和图11～图12。为了评定紫外光辐照下填料掺量对沥青流变性质的影响，分别定义抗疲劳因子老化指数(FAI，fatigue factor ageing index)和抗车辙因子老化指数(Rut factor ageing index，RAI)，计算公式见式(7)～(8)，计算结果分别见图10和图13。

(7)

(8)

图8 基质沥青胶浆G*sin δ结果Fig.8 G*sin δ result of matrix asphalt mortar

图9 改性沥青胶浆G*sin δ结果Fig.9 G*sin δ result of modified asphalt mortar

图10 不同类型的沥青胶浆疲劳因子老化指数Fig.10 Fatigue factor aging indicators of different types of asphalt mortar

通过分析图8～图9可知，与沥青相比，加入填料后相应的沥青胶浆抗疲劳因子G*·sinδ增大，说明沥青胶浆的抗疲劳性能小于沥青；在固定粉胶比，紫外光老化后的沥青及其胶浆抗疲劳因子G*·sinδ增大，与老化前相比，结合图10可知沥青胶浆疲劳因子增长幅度小于沥青，这说明填料有助于改善沥青的耐光老化能力。根据上述回归公式，可确定出矿粉与基质沥青和改性沥青的最佳质量比分别为1.217和1.094。

图11 基质沥青胶浆G*/sin δ结果Fig.11 G*sin δ result of matrix asphalt mortar

图12 改性沥青胶浆G*/sin δ结果Fig.12 G*sin δ result of modified asphalt mortar

通过分析图11～图12可知，与沥青相比，加入矿粉后沥青抗车辙因子G*/sinδ增大，说明沥青胶浆的高温性能优于沥青；在固定粉胶比下，紫外光老化后沥青及沥青胶浆高温抗变形能力提高，结合图13可知改性沥青及其相对应胶浆的车辙因子增幅小于基质沥青及其胶浆，且两种沥青胶浆材料抗车辙因子老化指数RAI表现为相同的趋势，即先降低后升高，这说明加入不同质量分数的填料对沥青耐紫外光老化能力有显著影响；根据上述结果回归公式可知，基质沥青最佳粉胶比为1.240，改性沥青为1.109。

图13 沥青胶浆RAI值Fig.13 RAI value of asphalt mortar

比较图10和图13可知，与沥青老化指数相比，两种沥青胶浆在不同粉胶比下的老化指数均出现降低，这说明掺入填料可以有效改善沥青耐老化性能；与车辙因子指数变化幅度相比，疲劳因子老化指数降幅最为显著，其中基质沥青胶浆由82.82%降低到7.49%，改性沥青胶浆由61.94%降低到3.25%，这说明在高海拔地区修筑沥青路面时，应特别注意其光老化对抗疲劳性能影响。结合两种沥青胶浆材料老化前后的常规技术性能测试结果，可以确定出两种类型沥青胶浆的最佳粉胶质量比为分别为0.8～1.0(改性沥青)和1.0～1.2(基质沥青)。

3.3 低温性能分析

采用BBR试验评价不同类型沥青胶浆低温性能，试验温度为-18 ℃，测试结果见图14；为了进一步研究在定量紫外光辐照下填料质量分数对沥青低温性能的影响，借鉴相关研究成果，采用蠕变劲度老化指数(Creep stiffness ageing index，SAI)表征填料对沥青耐光老化低温性能影响，根据式(9)确定出计算结果如图14所示。

(9)

图14 沥青胶浆低温性能测试结果Fig.14 Test result of low temperature properties of asphalt mortar

图15 沥青胶浆SAI值Fig.15 SAI value of asphalt mortar

通过对图14分析可知，在固定粉胶比下，两种沥青胶浆老化后的蠕变弯拉模量S升高，蠕变劲度曲线斜率m降低。图15描述了两种沥青胶浆蠕变劲度老化指数的演化规律，与沥青蠕变劲度老化指数相比，沥青胶浆蠕变劲度老化指数SAI表现为先减小后增大，这说明在沥青中掺入填料可以提高其耐老化性能，却降低低温性能；通过SAI与F/A之间的数据拟合关系可确定出，基质沥青及其相应的改性沥青的最佳粉胶比分为1.108和0.903 4。

为进一步研究紫外辐照强度和矿粉掺量对沥青老化性能的影响，结合双因素方差分析法，对上述两因素进行分析研究，其中紫外光灯功率分别为500，1 000，2 000 W，粉胶比F/A取值范围为0.8～1.4和1.2～1.6，分析结果如表1～表2所示。

表1 粉胶比0.8～1.4方差结果Tab.1 Variance result (filler-asphalt ratio in range of 0.8 -1.4)

表2 粉胶比1.2～1.6方差结果Tab.2 Variance result (filler-asphalt ratio in range of 1.2-1.6)

由F分布表确定出F1-0.001(3,6)=9.78，F1-0.001(2,6)=10.9，F1-0.05(3,6)=4.76，F1-0.001(2,4)=18.0，F1-0.05(2,4)=6.94，结合表1可知，F1-0.05(3,6)<粉胶比FAF1-0.001(2,6)，结合表2可知，粉胶比F/A>F1-0.001(2,4)=18.0。根据因素方差平方和值越大，说明该因素影响越严重，可知，在粉胶比F/A为0.8～1.4时，紫外光辐照强度对蠕变劲度指数有显著影响，而在粉胶比F/A为1.2～1.6时，粉胶比F/A中矿粉掺量对蠕变劲度老化指数影响显著。通过沥青胶浆体积质量换算可以确定出，在矿粉体积掺量小于40%时，可以重点考虑紫外光辐照强度的影响，而当矿粉掺量大于40%时，矿粉掺量的影响最为显著，研究紫外光照下沥青胶浆材料性能时，不能忽略矿粉掺量的影响。