張碧琴,趙高揚(yáng),李堅(jiān)強(qiáng),張富強(qiáng)(.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安　70064; .西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安　70068)

基質(zhì)瀝青老化過(guò)程中基本指標(biāo)和組分變化的研究

張碧琴1,趙高揚(yáng)1,李堅(jiān)強(qiáng)2,張富強(qiáng)1
(1.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710064; 2.西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安710068)

鑒于中國(guó)的現(xiàn)行規(guī)范都是根據(jù)瀝青薄膜試驗(yàn)后瀝青三大指標(biāo)的變化來(lái)確定瀝青的老化程度,通過(guò)對(duì)不同時(shí)間、不同溫度的瀝青薄膜試驗(yàn)進(jìn)行研究,分析了瀝青在老化過(guò)程中基本指標(biāo)和組分的變化規(guī)律,提出了對(duì)瀝青薄膜試驗(yàn)(TFOT,163℃,5 h)的改進(jìn)方法,為瀝青老化的評(píng)價(jià)提供了新的判定指標(biāo).

瀝青老化;瀝青薄膜試驗(yàn);判定指標(biāo);改進(jìn)

0　引　言

在中國(guó)的公路路面、機(jī)場(chǎng)道面等各種瀝青道面的建設(shè)中,瀝青老化指標(biāo)一直是選取瀝青的重要判定條件之一[1-3].中國(guó)的?公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范?[4]與?民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面施工技術(shù)規(guī)范?[5]對(duì)于基質(zhì)瀝青老化的判定指標(biāo)基本上都是根據(jù)瀝青薄膜試驗(yàn)(TFOT,163℃,5 h)后瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)的變化來(lái)確定的.而現(xiàn)階段隨著瀝青制備工藝的復(fù)雜化,瀝青薄膜試驗(yàn)(TFOT, 163℃,5 h)是否還能作為瀝青老化的判定指標(biāo)成為新的研究課題.

一些專家學(xué)者在研究后提出了采用SHRP流變學(xué)指標(biāo),特別是BBR試驗(yàn)來(lái)作為瀝青老化的評(píng)價(jià)指標(biāo)[6-9].然而,由于在老化試驗(yàn)中老化條件苛刻,且相關(guān)設(shè)備昂貴,使得這一方法在中國(guó)的工程實(shí)踐中普及推廣起來(lái)非常困難.因此,針對(duì)中國(guó)普遍采用的基質(zhì)瀝青薄膜試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)研究就有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1　基質(zhì)瀝青老化過(guò)程中基本指標(biāo)變化

本文以4種國(guó)內(nèi)常用的70?；|(zhì)瀝青A、B、C、D設(shè)計(jì)了老化時(shí)間為5 h,老化溫度分別為120℃、163℃和180℃,以及老化溫度為163℃,老化時(shí)間分別為1、5、12、24 h的兩組不同條件下的瀝青薄膜老化試驗(yàn).以此來(lái)檢測(cè)分析瀝青老化過(guò)程中基本指標(biāo)和組分的變化[10-11].

1.1不同老化溫度下瀝青基本指標(biāo)的變化規(guī)律

研究表明,瀝青老化后基本指標(biāo)的變化主要表現(xiàn)為軟化點(diǎn)升高、針入度下降、延度大幅度減小.隨老化溫度的改變基質(zhì)瀝青基本指標(biāo)的變化趨勢(shì)如圖1～3所示.

圖1　不同老化溫度下瀝青針入度的變化

圖2　不同老化溫度下瀝青延度的變化

圖3　不同老化溫度下瀝青軟化點(diǎn)的變化

由圖1中的變化趨勢(shì)可知,隨著老化溫度升高,4種瀝青的針入度都表現(xiàn)出下降的趨勢(shì),且在163℃～ 180℃的下降趨勢(shì)都要比120℃～163℃的下降趨勢(shì)更劇烈,尤其是瀝青C在163℃下老化后針入度最大,而到180℃下老化后針入度低于瀝青A和瀝青D,已接近最小.分析圖2可以得出,對(duì)于10℃延度,除瀝青C外其他三種瀝青也都表現(xiàn)出了163℃后減小趨勢(shì)增大的規(guī)律,尤其是瀝青B,163℃下老化后延度最大,180℃下老化后延度接近最小.相比之下,軟化點(diǎn)這種類似的變化趨勢(shì)并不明顯(圖3).

1.2不同老化時(shí)間下瀝青基本指標(biāo)的變化規(guī)律

時(shí)間在很大程度上決定著瀝青老化性能的變化.瀝青A、B、C、D在老化溫度為163℃時(shí)隨著老化時(shí)間的增加其基本指標(biāo)變化趨勢(shì)如圖4～6所示.

圖4　不同老化時(shí)間下瀝青針入度變化

圖5　不同老化時(shí)間下瀝青延度變化

圖6　不同老化時(shí)間下瀝青軟化點(diǎn)變化

根據(jù)圖4～6可知,4種瀝青老化后的針入度、延度、軟化點(diǎn)基本上都在時(shí)間到12 h時(shí)產(chǎn)生了拐點(diǎn),其中瀝青B的針入度在5 h時(shí)小于瀝青A,而在12 h時(shí)明顯大于瀝青A.尤其是10℃延度的變化在12 h后明顯趨于平緩.

針對(duì)以上瀝青基本指標(biāo)的變化趨勢(shì)可知,僅僅將溫度為163℃、時(shí)間為5 h作為瀝青薄膜老化的條件來(lái)判定瀝青的老化性能是不足的;同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明,可以取溫度為163℃、時(shí)間為12 h或溫度為180℃、時(shí)間為5 h來(lái)作為瀝青薄膜試驗(yàn)的老化條件.由于老化過(guò)程中10℃延度的急劇變化,可以著重取老化后10℃延度的變化來(lái)判定瀝青的老化性能.通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn),4種瀝青的薄膜老化試驗(yàn)在溫度為163℃、時(shí)間為12 h和溫度為180℃、時(shí)間為5 h老化條件下基本指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果有著相同的趨勢(shì).

2　基質(zhì)瀝青老化過(guò)程中組分的變化

2.1不同老化溫度下瀝青組分的變化規(guī)律

(1)由圖7可知,老化過(guò)程中基質(zhì)瀝青的瀝青質(zhì)含量一直在上升,在120℃～180℃的老化溫度范圍內(nèi),隨著溫度的增加瀝青質(zhì)含量增長(zhǎng)的速率也在加快,在溫度超過(guò)163℃后,瀝青質(zhì)的增長(zhǎng)速率明顯加快.這說(shuō)明在老化過(guò)程中瀝青其他組分受熱會(huì)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì).

圖7　不同老化溫度下瀝青質(zhì)含量的變化

(2)由圖8可以看出,基質(zhì)瀝青老化過(guò)程中膠質(zhì)的變化并不統(tǒng)一,在120℃～180℃的老化溫度范圍內(nèi),隨著溫度的增加,瀝青A、B、D膠質(zhì)的含量一直在減少,且減少速率也在變大,而瀝青C膠質(zhì)的含量一直在增加但增加速率沒有明顯的變化,說(shuō)明基質(zhì)瀝青老化過(guò)程中膠質(zhì)也會(huì)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì).

圖8　不同老化溫度下膠質(zhì)含量的變化

(3)由圖9可知,基質(zhì)瀝青老化過(guò)程中隨著溫度的增加,飽和分含量的變化并不明顯;而且在120℃～180℃的老化溫度范圍內(nèi),隨著溫度的增加,瀝青A、B、D飽和分的含量有稍微減少的趨勢(shì),且減少速率隨溫度的增加卻變化不大,瀝青C在老化過(guò)程中則表現(xiàn)出飽和分稍微增加的趨勢(shì).飽和分以飽和烴為主,試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明其在老化過(guò)程中較為穩(wěn)定,高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)較少.

圖9　不同老化溫度下飽和分含量的變化

(4)由圖10可知,基質(zhì)瀝青芳香分的含量在老化過(guò)程中表現(xiàn)為減少的趨勢(shì),在120℃～180℃的老化溫度范圍內(nèi),隨著溫度的增加,瀝青A、C、D芳香分含量的變化速率在增加,而瀝青B芳香分含量的變化速率出現(xiàn)了減小的趨勢(shì).芳香分的主要成分是芳香烴,烴類都帶有長(zhǎng)鏈烷基和環(huán)烴,這類物質(zhì)很容易受熱發(fā)生自由基反應(yīng),從而被氧化成羰基,形成膠質(zhì)極性芳烴.所以在熱氧老化反應(yīng)中,芳香分被氧化轉(zhuǎn)化為膠質(zhì).

圖10　不同老化溫度下芳香分含量的變化

2.2不同老化時(shí)間下瀝青組分的變化規(guī)律

將試驗(yàn)結(jié)果繪制成趨勢(shì)圖,如圖11～14所示.

圖11　不同老化時(shí)間下瀝青質(zhì)含量的變化

圖12　不同老化時(shí)間下膠質(zhì)含量的變化

圖13　不同老化時(shí)間下飽和分含量的變化

圖14　不同老化時(shí)間下芳香分含量的變化

(1)由圖11可知,在老化溫度為163℃時(shí),隨著老化時(shí)間的增加,基質(zhì)瀝青中瀝青質(zhì)含量的增長(zhǎng)速率有減小的趨勢(shì),尤其是在老化時(shí)間超過(guò)12 h后,4種基質(zhì)瀝青的瀝青質(zhì)增加速率明顯減小.說(shuō)明在特定的老化溫度下,瀝青的老化速率有減小的趨勢(shì).

(2)由圖12可知,在老化溫度為163℃時(shí),隨著老化時(shí)間的增加,瀝青A、B、D中膠質(zhì)含量的減少速率有減小的趨勢(shì),而且在老化時(shí)間超過(guò)12 h后,3種基質(zhì)瀝青的瀝青質(zhì)減少速率明顯減小;瀝青C的膠質(zhì)含量出現(xiàn)了增加的趨勢(shì),明確顯示出在老化過(guò)程中芳香分會(huì)向膠質(zhì)轉(zhuǎn)化,膠質(zhì)會(huì)向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)化.瀝青C與其他三種瀝青不同的膠質(zhì)變化趨勢(shì)說(shuō)明了基質(zhì)瀝青老化過(guò)程中膠質(zhì)含量的變化與芳香分向膠質(zhì)轉(zhuǎn)化的速率以及膠質(zhì)向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)化速率的大小有關(guān).

(3)由圖13可知,在老化溫度為163℃時(shí),隨著老化時(shí)間的增加,基質(zhì)瀝青中飽和分的含量較為穩(wěn)定,且隨著老化時(shí)間的增加,其減少速率明顯減緩.飽和分性質(zhì)穩(wěn)定,瀝青老化初期受熱揮發(fā),造成其含量的減少;隨著老化的進(jìn)行易揮發(fā)的部分逐漸減少,其減少速率下降.

(4)由圖14可知,隨著老化時(shí)間的增加,芳香分含量減少,且減少速率隨著時(shí)間的增加也在變緩,這與瀝青質(zhì)的變化較為相符.

2.3兩種老化條件相關(guān)性的分析

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件可以代替瀝青薄膜試驗(yàn)中常用的老化條件(163℃、5 h),而且能更好地反應(yīng)基質(zhì)瀝青的老化效果.而且根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,兩種老化條件有一定的相關(guān)性.163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件下老化后基質(zhì)瀝青的基本指標(biāo)有著接近的趨勢(shì),老化后基質(zhì)瀝青組分的測(cè)定(表1)也可以佐證這一趨勢(shì)特點(diǎn).

表1　兩種老化條件下瀝青組分檢測(cè)結(jié)果

從表1可看出,在163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件下,老化后基質(zhì)瀝青組分的測(cè)定結(jié)果有著驚人的相似.這也說(shuō)明溫度和時(shí)間對(duì)瀝青老化的影響是共同作用的,且兩者之間有一定的相關(guān)性.

3　結(jié)　語(yǔ)

(1)163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件可以代替瀝青薄膜試驗(yàn)中常用的老化條件(163℃、5 h),而且能更好地反應(yīng)基質(zhì)瀝青的老化效果.

(2)163℃、12 h和180℃、5 h兩種老化條件下老化后的基質(zhì)瀝青的基本指標(biāo)和組分測(cè)定有著接近的趨勢(shì).說(shuō)明溫度和時(shí)間對(duì)老化的影響是共同作用的,且兩者之間有一定的相關(guān)性.

(3)從減少試驗(yàn)時(shí)間的角度考慮,建議采用180℃、5 h作為瀝青薄膜試驗(yàn)的老化條件,同時(shí)建議以10℃延度的變化作為基質(zhì)瀝青抗老化性能的主要判定條件.

(4)基質(zhì)瀝青老化過(guò)程中瀝青質(zhì)含量一直在增加,飽和分含量變化較小,芳香分含量一直在減少,而膠質(zhì)含量的變化與芳香分向膠質(zhì)轉(zhuǎn)化的速率以及膠質(zhì)向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)化速率的大小有關(guān).

[1]蘆軍.瀝青路面老化行為與再生技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2008.

[2]耿九光.瀝青老化機(jī)理及再生技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué), 2009.

[3]王佳妮.模擬紫外環(huán)境下瀝青流變行為及老化機(jī)理的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[4]JT F40—2004,公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[5]MH5011—1999,民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面施工技術(shù)規(guī)范[S].

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[7]陳華鑫.SBS改性瀝青路用性能與機(jī)理研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2006.

[8]高建立.瀝青指標(biāo)的分析與評(píng)價(jià)及新指標(biāo)的研究[D].南京:東南大學(xué),2005.

[9]魏榮梅.道路瀝青的老化與再生研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[10]夏明,郭小宏,朱穎峰.瀝青再生劑對(duì)廢舊瀝青性能重塑的分析與評(píng)價(jià)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2010,27(1):56-58.

[11]栗培龍,張爭(zhēng)奇,王秉綱,等.基于粘度和延度變化的瀝青抗老化性能評(píng)價(jià)方法[D].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,28 (6):11-15.

[責(zé)任編輯:王玉玲]

Research on Changing of Fundamental Indices and Constituents of Matrix Asphalt During Aging

ZHAN Biqin1,ZHAO aoyang1,LI Jianqiang2,ZHAN Fuqiang1
(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Chang?an University, Xi?an 710064,Shaanxi,China;2.Xi?an Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd., Xi?an 710068,Shaanxi,China)

Since the specification currently used in China determines the aging of asphalt by the changing of three indices of it following the TFOT,TFOT was carried out at various time and temperature,and the rules of changing of the fundamental indices and constituents were analyzed.Method for improvement of TFOT(163℃,5 h)was put forward,and new determining index of asphalt aging was set.

asphalt aging;TFOT;determining index;improvement

U414.1

B

1000-033X(2015)01-0062-04

2014-08-27