基于流变指标的沥青老化程度评价与机理分析

余 琦 赵 兵 易 凯 殷卫永 李硕磊

(中国建筑股份有限公司三门峡市国道310南移新建工程指挥部1) 三门峡 472000)(交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心2) 郑州 450000)(河南省交通规划设计研究院股份有限公司3) 郑州 450000)

0 引 言

沥青胶结料是道路工程中重要的基础原材料，良好的沥青胶结料性能对保证道路工程质量至关重要.实际生产施工过程中，沥青经过长期高温储存及反复加热后易发生不同程度的老化,导致性能衰减.目前关于沥青老化后性能的研究主要集中在老化后针入度、延度等常规指标和车辙因子、复数模量等流变指标.徐发胜等[1]通过测试沥青常规三大指标及动态剪切流变等指标研究了特立尼达湖沥青改性沥青的耐老化性能，表明TLA改性沥青的耐老化性较基质沥青明显提高.柳景祥等[2]研究了不同光热条件老化后基质沥青残留针入度、软化点、复数模量和相位角变化，并结合组分分析发现沥青光热老化的主要原因是羰基和亚砜基的生成.曹芳[3]通过常规指标及测力延度指标研究了三种PE改性剂分别与SBS复合改性沥青的抗老化性能，表明SBS与LDPE复合改性沥青抗老化性能最优.孟勇军等[4]分析了水分作用条件下沥青复数模量与车辙因子的变化规律，表明水分作用增大了SBS改性沥青长期老化后抗变形能力.此外，还有部分关于沥青老化后旋转黏度[5]、劲度模量[6]等性能指标的研究，并借助红外光谱[7]、凝胶渗透色谱[8]、荧光显微镜[9-10]等方法分析老化机理及微观相态结构.

沥青老化后性能与老化程度密切相关，流变性能是评价沥青性能的重要指标，且受沥青老化程度影响较大[11-12].因此，可研究流变性能随老化程度连续变化规律，建立两者相关关系，通过流变性能确定沥青老化程度，进而评价沥青老化后综合性能.

基于此，文中采用RTFOT试验和PAV试验对基质沥青和SBS改性沥青进行模拟短期老化和长期老化，基于DSR试验评价沥青老化后流变性能，并建立车辙因子、测试温度和老化时间的相关关系，同时结合老化后沥青混合料低温抗裂性能和水稳定性能，建立基于高温流变性能的沥青老化程度评价体系，以期为工程应用中评价沥青老化程度和老化后性能提供参考和借鉴.

1 实 验

1.1 原材料

试验所用原材料为AH-70基质沥青和SBS改性沥青，性能指标见表1.

表1 沥青性能检测结果

1.2 试验方法

1) 短期老化 采用旋转薄膜烘箱老化试验(RTFOT)对沥青进行短期老化，模拟施工过程中发生的热氧老化.老化时间为40，85，180，240，300 min.

2) 长期老化 采用RTFOT老化85 min后的沥青，利用压力老化仪(PAV)，在高温高压下对沥青进行室内加速老化试验，模拟道路在实际使用过程中不同年限的老化.老化温度110 ℃，老化时间5，10，15，20，25 h.

3) DSR试验 采用MCR301型动态剪切流变仪，试验角频率10 rad/s，转动轴直径25 mm，分别对RTFOT老化后和PAV老化后的沥青残留物取样，进行动态剪切流变试验.试验温度选取52，58，64，70，76 ℃五个温度，根据试验得到的复数模量G*和相位角δ计算车辙因子G*/sinδ.

4) 红外光谱试验 采用傅里叶红外光谱仪测试沥青老化后波谱特征，扫描波数范围为4 000～500 cm-1，扫描次数为32次.

5) 混合料弯曲试验和浸水马歇尔稳定度试验 由于沥青老化后变硬变脆，高温性能提高，低温韧性降低.老化对沥青混合料低温抗裂性能和水稳定性能影响较大.分别对RTFOT老化后和PAV老化后的沥青残留物取样，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》方法成型混合料弯曲试验和浸水马歇尔稳定度试验测试试件，研究老化后沥青混合料性能.

2 结果与讨论

2.1 沥青老化后高温流变性能

根据Superpave规范，原样沥青车辙因子G*/sinδ应不小于1.0 kPa，车辙因子为1.0 kPa时对应的温度为失效温度.RTFOT老化后的沥青车辙因子G*/sinδ应不小于2.2 kPa.老化后车辙因子G*/sinδ越大，沥青越硬，黏度越高.分析计算沥青经不同条件老化后车辙因子及失效温度，研究沥青老化后流变性能变化规律.

2.1.1不同程度RTFOT老化后高温流变性能

不同RTFOT老化后基质沥青和SBS改性沥青车辙因子G*/sinδ随流变试验温度变化情况见图1.不同温度下基质沥青和SBS改性沥青车辙因子G*/sinδ随老化时间变化情况见图2.

图1 不同RTFOT老化程度基质沥青和SBS改性沥青车辙因子随温度变化

图2 不同温度下基质沥青和SBS改性沥青车辙因子随RTFOT老化时间变化

由图1可知，随着测试温度提高，不同老化时长的沥青车辙因子逐渐减小.原样基质沥青的失效温度为66.3 ℃，高温等级为PG64.基质沥青经过40，85，180，240，300 min RTFOT老化后的失效温度分别为63.4，66.1，69.4，73.0，75.5 ℃，高温等级分别为PG58，PG64，PG64，PG70，PG70.原样SBS改性沥青失效温度为77.1 ℃，高温等级为PG76.SBS改性沥青经过40，85，180，240，300 min RTFOT老化后的失效温度分别为69.6，74.9，77.8，79.7，82.3 ℃，高温等级分别为PG64，PG70，PG76，PG76，PG82.基质沥青和SBS改性沥青的失效温度均随老化时间的增加而增大，两种沥青在40和85 min的失效温度均小于未老化原样沥青，这是由于老化40和85 min后，车辙因子增加并不非常显著，但是失效温度对应的车辙因子由1.1增大到2.2 kPa所致.随着老化时间的增加，失效温度超越了未老化原样沥青，老化程度增加.

由图2可知，在相同的温度下，随着老化时间增加，基质沥青和SBS改性沥青的车辙因子都逐渐变大.通过对车辙因子与老化时间曲线进行数据拟合发现，不同测试温度下车辙因子与RTFOT老化时间之间具有良好的指数对应关系，两者关系为

G*/sinδ=AeBt

(1)

式中：G*/sinδ为车辙因子；t为老化时间；A和B为回归系数.

系数A和B受到车辙因子测试温度影响，根据图2回归方程，不同测试温度下系数A和B值见表2.

表2 RTFOT老化后拟合曲线系数A和B与温度的关系

由表2可知，系数A和B与温度之间具有较好的对应关系，可将系数A和B用测试温度表示.因此，RTFOT老化后车辙因子可用老化时间和车辙因子测试温度表示.基质沥青和SBS改性沥青老化后车辙因子与老化时间和温度的函数方程为

G*/sinδ=6×1015θ-8.237e(-2×10-6θ2+0.000 2θ-0.000 6)t

(2)

G*/sinδ=4×1011θ-6.096e(-2×10-7θ2+3×10-5θ+0.004 6)t

(3)

式中：θ为车辙因子测试温度，℃.

2.1.2不同程度PAV老化后高温流变性能

经不同PAV老化时间后沥青车辙因子G*/sinδ随测试温度变化情况见图3.不同温度下沥青车辙因子G*/sinδ随老化时间变化情况见图4.

图3 不同PAV老化程度基质沥青和SBS改性沥青车辙因子随温度变化

图4 不同温度下基质沥青和SBS改性沥青车辙因子随PAV老化时间变化

由图3可知，老化后SBS改性沥青的车辙因子明显高于基质沥青车辙因子.随着温度升高，基质沥青和SBS改性沥青的车辙因子均逐渐减小.在相同的温度下，两种沥青的车辙因子均随着老化时间的增加而逐渐增大.PAV老化后车辙因子比RTFOT老化后车辙因子增加更明显，表明沥青经PAV老化后，轻质组分减少更明显，老化程度更高.

由图4可知，在相同的温度下，随着老化时间的增加，基质沥青和SBS改性沥青的车辙因子均逐渐变大.通过对车辙因子与老化时间曲线数据拟合发现，不同测试温度下车辙因子与PAV老化时间之间具有良好的线性关系，两者关系为

G*/sinδ=A+Bt

(4)

系数A和B受到车辙因子测试温度影响，根据图4回归方程，不同测试温度下系数A和B值见表3.

由表3可知，系数A和B与温度之间具有较好的对应关系，可将系数A和B用测试温度表示.因此，PAV老化后车辙因子可用老化时间和车辙因子测试温度表示.基质沥青和SBS改性沥青PAV老化后车辙因子与老化时间和温度的函数方程分别为

表3 PAV老化后拟合曲线系数A和B与温度的关系

G*/sinδ=4×1015θ-8.975+4 483e-0.116θt

(5)

G*/sinδ=2×1011θ-6.428+4 849.6e-0.102θt

(6)

2.2 沥青老化后混合料路用性能

沥青老化后低温弯曲应变和残留稳定度试验结果分别见图5～6.

图5 RTFOT老化后沥青混合料性能

图6 PAV老化后沥青混合料性能

由图5～6可知：基质沥青和SBS改性沥青经过RTFOT老化和PAV老化后，低温弯曲应变和残留稳定度均明显降低，PAV老化后降低幅度更明显，表明老化后低温抗裂性能和水稳定性能降低，PAV老化后沥青老化程度更高.RTFOT老化时间小于85 min时，老化后混合料低温弯曲应变和残留稳定度基本仍能满足规范要求.当老化时间在85～180 min时，老化后混合料低温弯曲应变和残留稳定度已降至约老化前的80%.随着老化时间增加，混合料性能进一步降低.PAV老化时间小于5 h时，老化后混合料低温弯曲应变和残留稳定度已降至约老化前的80%.当老化时间在5到15 h时，基质沥青和SBS改性沥青混合料低温弯曲应变和残留稳定度已降至约老化前的60%.随着老化时间增加，混合料性能持续下降.

2.3 FTIR分析

SBS改性沥青RTFOT老化和PAV老化后FTIR分析结果见图7.

图7 SBS改性沥青老化后FTIR分析结果

由图7可知，经RTFOT不同老化时间的SBS改性沥青峰位和形状与原样沥青基本相同，经PAV不同老化时间的SBS改性沥青峰位和形状与初始RTFOT老化85 min的SBS改性沥青基本相同.两种老化模式下，老化时间越长，吸收峰强度越强.在1 698 cm-1处均出现了新的羰基吸收峰，该羰基吸收峰和1 032 cm-1处的亚砜基的吸收峰随着老化程度的增加峰值明显增强.966 cm-1处的丁二烯吸收峰老化后呈现不同程度的衰减.羰基和亚砜基可以反应沥青老化的进程，通过羰基和亚砜基含量的变化分析沥青的老化进程.FTIR分析表明随着老化时间增加，沥青中羰基和亚砜基逐渐增多，丁二烯逐渐减少，沥青老化程度加深.

2.4 基于老化后高温流变性能的沥青老化程度评价

上文研究了RTFOT老化和PAV老化后，沥青车辙因子与老化时间之间的对应关系，以及老化后沥青混合料低温弯曲应变和残留稳定度随老化时间的变化规律，可根据老化后高温流变车辙因子判断沥青老化时间，再根据老化时间评估混合料性能和沥青老化程度.因此可建立基于高温流变性能的沥青老化程度评价体系，见表4.

表4 基于高温流变性能的沥青老化程度评价体系

由表4可知，沥青老化分为短期老化和长期老化两种类型.根据老化时间不同，每种老化类型分为初级老化、中等老化和严重老化三个等级.短期老化类型初级老化等级，沥青性能通常变化并不十分显著，各性能指标仍满足要求，不影响正常使用；短期老化类型中等老化等级，混合料性能降低至老化前约80%水平，老化后沥青是否继续使用可根据沥青性能、工程要求等具体情况确定；短期老化类型严重老化等级，混合料性能低于老化前的80%水平，老化后沥青不建议继续使用.长期老化初级老化等级混合料性能降低至老化前的约80%水平，类似于短期老化类型的中等老化等级，视具体情况确定老化后沥青能否使用；长期老化中等和严重老化等级，混合料性能降低至老化前约60%水平或更低，老化后沥青不能使用.

工程应用中可根据沥青老化过程和环境选择老化类型，测试老化后沥青的流变性能.根据流变指标、测试温度和老化时间的函数关系，推算出等价老化时间，根据等价老化时间判定老化等级，进一步分析确定老化后沥青性能及能否继续使用.

3 结 论

1) 基质沥青和SBS改性沥青经过RTFOT老化和PAV老化后，车辙因子增加.在测试范围内，老化时间越长，车辙因子增加越明显.

2) 基质沥青和SBS改性沥青经过RTFOT老化和PAV老化后，不同测试温度下老化后车辙因子与老化时间之间具有良好的相关关系.同时，不同温度下车辙因子和老化时间回归方程的系数与温度之间亦具有较好的相关关系，从而建立了车辙因子、测试温度和老化时间之间的函数关系.

3) 基质沥青和SBS改性沥青经过RTFOT老化和PAV老化后，沥青混合料低温抗裂性能和水稳定性能降低.在测试范围内，老化时间越长，性能降低越明显，从而建立了老化时间与混合料性能之间的关系.

4) 通过测试沥青老化后车辙因子，根据车辙因子、测试温度和老化时间之间的函数关系，可得到沥青等价老化时间.再根据等价老化时间与性能的关系，可评价老化后沥青及混合料性能和老化程度，从而建立了基于高温流变性能的沥青老化程度评价体系，达到基于流变指标评价沥青老化程度和性能的目的.

5) 基于流变指标评价沥青老化程度和性能是根据室内试验数据，结合统计学原理得到的统计分析规律，后期可通过更多工程实践对该规律进行进一步验证和完善.