陳 龍，陳松敏，何兆益

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.中國(guó)人民解放軍95996部隊(duì)，北京 100086)

光熱耦合條件下瀝青宏觀老化特征研究

陳 龍1，陳松敏2，何兆益1

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.中國(guó)人民解放軍95996部隊(duì)，北京 100086)

通過(guò)對(duì)兩種基質(zhì)瀝青及四種改性瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)(針入度、黏度、軟化點(diǎn)、車轍因子)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比了不同光熱耦合條件下瀝青的宏觀老化特征。研究表明：對(duì)于基質(zhì)瀝青而言，光照強(qiáng)度不變時(shí)，ZH瀝青的抗熱老化性能明顯優(yōu)于SK瀝青；溫度不變時(shí)，SK瀝青的抗光老化性能則明顯優(yōu)于ZH瀝青；對(duì)于改性瀝青而言，線型改性瀝青抗光熱耦合老化能力整體上優(yōu)于星型改性瀝青；單因素和雙因素變化時(shí)，各類瀝青在以針入度比為指標(biāo)表征其抗老化性能方面有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，在以黏度比、軟化點(diǎn)比及剪切流變系數(shù)為指標(biāo)表征其抗老化性能方面關(guān)聯(lián)性不大，推薦采用針入度比作為評(píng)價(jià)瀝青的老化程度及抗老化性能；其中，雙因素方差分析結(jié)果表明瀝青光熱耦合作用時(shí)溫度比光照強(qiáng)度作用更加顯著。

道路工程；技術(shù)指標(biāo)；基質(zhì)瀝青；改性劑；老化特征

瀝青混凝土路面具有平整舒適、抗滑耐磨、施工期短、養(yǎng)護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)，鑒于此，目前國(guó)內(nèi)外高等級(jí)公路普遍采用瀝青路面。但是隨著使用年限的增長(zhǎng)，瀝青路面會(huì)產(chǎn)生各種病害，而瀝青路面中瀝青材料的老化是造成路面病害的主要原因。我國(guó)規(guī)范對(duì)瀝青路面材料老化性能的測(cè)試大多集中于短期熱氧老化，并未列出長(zhǎng)期老化的試驗(yàn)方法，也未見(jiàn)有關(guān)其它因素作用下瀝青老化的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。雖然很多學(xué)者對(duì)瀝青的長(zhǎng)期老化特征做了一些研究，但其研究成果大多也只是局限于某一種老化條件，即熱氧老化條件。而能夠?qū)帷⒐獾纫蛩鼐C合考慮的研究成果并不多見(jiàn)[1-4]。因此，筆者基于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《熱、光、水耦合條件下SBS改性瀝青老化機(jī)理研究及高性能再生劑研發(fā)》，對(duì)熱光耦合條件下瀝青宏觀指標(biāo)的老化特征進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究[5-6]。

1 原材料的選擇及性能

本研究選擇ZH-70#、SK-70#兩種基質(zhì)瀝青及S星型、L線型兩種SBS改性劑，改性劑的摻量為5%。將兩種改性劑與兩種基質(zhì)瀝青通過(guò)溶脹、剪切、發(fā)育及3 000～5 000 r/min的高速剪切，最終得到兩種基質(zhì)瀝青和4種SBS改性瀝青。上述6種瀝青的常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2 耦合老化方案及老化特征

我國(guó)許多地區(qū)的夏季最高氣溫在37～44 ℃，而瀝青具有較強(qiáng)的吸熱能力，路面溫度可以達(dá)到65～75 ℃，因此筆者選擇50，60，70 ℃3個(gè)溫度等級(jí)[7]；紫外光輻射參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)選用3個(gè)強(qiáng)度等級(jí)：20，30，40 W/m2。另外，紫外光對(duì)瀝青老化的影響只產(chǎn)生在表層，試驗(yàn)樣品不能太厚，因此將瀝青倒入φ140 mm×9.5 mm的平底圓盤中，瀝青膜厚度大約為3.2 mm。

根據(jù)初步試驗(yàn)觀察分析后，將前期試驗(yàn)方案確定為兩組：一組為70 ℃溫度下不同紫外光輻射強(qiáng)度的老化試驗(yàn)；另一組為40 W/m2光照強(qiáng)度下不同溫度的老化試驗(yàn)[8]。路面實(shí)際使用過(guò)程中，熱、光老化屬于長(zhǎng)期老化，這一階段發(fā)生在拌和攤鋪完成之后。為使耦合老化結(jié)果與自然條件更加切合，同時(shí)考慮試驗(yàn)進(jìn)展情況，選擇一組先實(shí)施短期老化。短期老化采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)。經(jīng)短期老化后的瀝青試樣再放入耦合老化儀器中進(jìn)行光熱耦合長(zhǎng)期老化[9-10]。耦合老化儀器采用自主研發(fā)的RG-80熱、光、水耦合老化試驗(yàn)箱。

2.1 光熱耦合老化對(duì)瀝青針入度的影響

針入度是瀝青稠度大小的表征，針入度越小，則瀝青越硬，稠度越大。瀝青耦合老化后的針入度變化情況見(jiàn)表2。

表2 瀝青耦合老化后針入度變化

由表2可以看出，光照強(qiáng)度不變時(shí)，基質(zhì)瀝青及改性瀝青均表現(xiàn)出隨溫度的升高及老化程度的加深，針入度逐漸減小。而且由60 ℃升高到70 ℃時(shí)針入度的變化幅度明顯比由50 ℃升高到60 ℃時(shí)大。老化時(shí)間由5 d增加到10 d時(shí)針入度的變化幅度明顯比由10 d增加到15 d時(shí)大。溫度不變時(shí)，不同光照強(qiáng)度對(duì)瀝青老化特征的影響參照上述分析過(guò)程。

由于各瀝青材料針入度基數(shù)不同，為便于比較，采用針入度比a為指標(biāo)[11-12]。針入度比a由式(1)定義：

(1)

式中：P0,Pi分別為老化前后瀝青的針入度數(shù)值。

針入度比值大說(shuō)明其老化過(guò)程中針入度的損失小，抗老化性能好。光照強(qiáng)度不變時(shí)，各個(gè)溫度條件下針入度比隨老化時(shí)間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 不同溫度耦合老化針入度比Fig.1 Penetration ratio under the coupling and aging condition with different temperature

由圖1可以看出，40 W/m2光照強(qiáng)度下，溫度越高針入度比下降越明顯。兩種基質(zhì)瀝青與4種改性瀝青在變化趨勢(shì)上基本相似，但基質(zhì)瀝青針入度比的變化幅度明顯高于改性瀝青，即改性瀝青具有更好的抗老化性能。

金昌市全市規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)有60家，其中國(guó)有及國(guó)有控股企業(yè)12家，大型企業(yè)5家，中型企業(yè)5家，小型企業(yè)50家，重工業(yè)42家。工業(yè)占國(guó)民經(jīng)濟(jì)的比重達(dá)到63.6%，全市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為 5.4∶75.8∶18.8， 以工業(yè)為主的第二產(chǎn)業(yè)支撐作用明顯，工業(yè)經(jīng)濟(jì)對(duì)全市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐作用明顯，主導(dǎo)地位愈加突顯。其中地方財(cái)政收入大部分來(lái)源于有色金屬經(jīng)濟(jì)，可以說(shuō)有色冶金經(jīng)濟(jì)是金昌市的命脈。然而，過(guò)去20多年的開(kāi)發(fā)，開(kāi)始出現(xiàn)儲(chǔ)采失衡，由于后備資源嚴(yán)重不足，已不能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持現(xiàn)有產(chǎn)量水平，儲(chǔ)量以及國(guó)際鎳價(jià)的雙項(xiàng)制約使得金昌市經(jīng)濟(jì)止步不前。急需尋求接續(xù)和替代產(chǎn)業(yè)，為城市經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)尋找新的動(dòng)力和支撐。

不同溫度條件下，ZH瀝青的抗老化性能明顯比SK瀝青好。而4種改性瀝青中，L-ZH瀝青針入度比值最大，抗老化性最好，S-SK瀝青針入度比值最小，抗老化性最差。4種改性瀝青抗老化性能排序?yàn)椋篠-SK

參照上述研究開(kāi)展另一組耦合老化試驗(yàn)，各個(gè)光照強(qiáng)度條件下針入度比隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

圖2 不同光照強(qiáng)度耦合老化針入度比Fig.2 Penetration ratio under the coupling and aging condition with different light intensity

由圖2可以看出，70 ℃溫度條件下，不同光照強(qiáng)度條件下SK瀝青的抗老化性能明顯優(yōu)于ZH瀝青。4種改性瀝青中，以SK為基質(zhì)的改性瀝青的抗老化性能也明顯強(qiáng)于以ZH為基質(zhì)的改性瀝青?；|(zhì)瀝青類型與其所組成的改性瀝青，在以針入度比為指標(biāo)表征瀝青抗老化性能方面有較好的關(guān)聯(lián)性，即基質(zhì)瀝青抗老化性能越好，對(duì)應(yīng)的改性瀝青抗老化性能也越好。改性劑類型方面，由線性改性劑制備的改性瀝青抗光熱耦合老化的能力整體上也優(yōu)于星型改性瀝青。

2.2 光熱耦合老化對(duì)瀝青黏度的影響

瀝青黏度是其平均分子量的宏觀表征，而目前普遍的結(jié)論認(rèn)為老化使得瀝青組分中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子量增加，芳香族等小分子量減少，最終使得瀝青分子量變大，因此通過(guò)研究瀝青黏度的變化可以宏觀分析瀝青的老化過(guò)程。參照針入度比a定義黏度比，見(jiàn)式(2)：

(2)

光照強(qiáng)度不變時(shí)，各溫度下黏度比隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，基質(zhì)瀝青ZH和SK的黏度比在任意老化階段均為最大值，說(shuō)明SBS改性劑的加入對(duì)瀝青抗老化性能有明顯的改善。

圖3 不同溫度耦合老化黏度比Fig.3 Viscosity ratio under the coupling and aging condition with different temperature

不同溫度條件下，ZH瀝青的抗老化性能明顯優(yōu)于SK瀝青。而4種改性瀝青中，L-SK和S-SK的黏度比相對(duì)L-ZH和S-ZH較小，4種改性瀝青抗老化性能排序?yàn)椋篠-ZH

溫度不變時(shí)，各光照強(qiáng)度下黏度比隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 不同光照強(qiáng)度耦合老化黏度比Fig.4 Viscosity ratio under the coupling and aging condition with different light intensity

不同光照強(qiáng)度條件下，SK瀝青的抗老化性能明顯優(yōu)于ZH瀝青。而4種改性瀝青中，L-ZH和S-ZH的黏度比相對(duì)L-SK和S-SK較小。4種改性瀝青抗老化性能排序?yàn)椋篠-SK

2.3 光熱耦合老化對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

軟化點(diǎn)是反映瀝青熱穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)，也是瀝青條件黏度的表征。軟化點(diǎn)越高，則瀝青的高溫黏度越大，高溫穩(wěn)定性越好。同樣定義軟化點(diǎn)比γ，見(jiàn)式(3)：

(3)

光照強(qiáng)度不變時(shí)，各溫度條件下軟化點(diǎn)比隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，基質(zhì)瀝青ZH和SK的軟化點(diǎn)比在任意老化階段均為最大值，說(shuō)明SBS改性劑的加入提高了瀝青的抗老化性能。不同溫度條件下，50和60 ℃時(shí)ZH瀝青的軟化點(diǎn)比稍大于SK瀝青，而70 ℃時(shí)ZH瀝青與SK瀝青基本相同。4種改性瀝青的軟化點(diǎn)比相差并不大，對(duì)其抗老化性能進(jìn)行排序時(shí)，以ZH為基質(zhì)的改性瀝青并未比以SK為基質(zhì)的改性瀝青抗老化性能好。另外，不同類型改性劑對(duì)同一基質(zhì)瀝青抗老化性能的影響也沒(méi)有明顯區(qū)別。

溫度不變時(shí)，各光照強(qiáng)度下軟化點(diǎn)比隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖5 不同溫度耦合老化軟化點(diǎn)比Fig.5 Softening point ratio under the coupling and aging condition with different temperature

不同光照強(qiáng)度下，20和30 W/m2時(shí)ZH瀝青和SK瀝青基本相同，40 W/m2時(shí)ZH瀝青比SK的軟化點(diǎn)比稍高一些。而4種改性瀝青的軟化點(diǎn)比相差較大，其抗老化性能排序?yàn)椋篖-ZH

2.4 光熱耦合老化對(duì)瀝青剪切流變性的影響

本研究在不同光照強(qiáng)度及溫度耦合條件下進(jìn)行瀝青剪切流變?cè)囼?yàn)，通過(guò)對(duì)不同老化時(shí)間后瀝青進(jìn)行DSR測(cè)試及擬合，發(fā)現(xiàn)logG*/sinδ與測(cè)試溫度T具有較好的線性關(guān)系，即logG*/sinδ=D-CT。C值代表了瀝青車轍因子隨溫度變化的快慢程度，即C值越大，車轍因子對(duì)溫度越敏感。分析得出各種瀝青C值相差并不大，因此D值大小在一定程度上反映了瀝青的抗車轍能力[13]。以40 W/m2,70 ℃耦合老化條件為例說(shuō)明,見(jiàn)圖7，表3。由圖7及表3可以看出，各瀝青中C值相差并不大?；|(zhì)瀝青的C值相比于改性瀝青波動(dòng)幅度較大，即基質(zhì)瀝青的流變特性對(duì)溫度更敏感。

圖7 不同瀝青耦合老化各階段的D值變化趨勢(shì)Fig.7 Change trend of coefficient D in all stages of coupling and aging condition of different asphalt

表3 瀝青耦合老化各階段剪切流變擬合方程

對(duì)D值進(jìn)行分析可以得出，同一老化條件下ZH瀝青的抗車轍能力優(yōu)于SK瀝青。同一改性劑類型下，耦合老化前S-ZH的D值大于S-SK，耦合老化后S-ZH的D值小于S-SK；L-ZH在任意老化階段的D值均大于L-SK。同時(shí)，L-ZH耦合老化15 d后的D值是老化前的1.35倍，而L-SK的D值變化為1.15倍，因此L-SK抗老化性能高于L-ZH。同一基質(zhì)瀝青類型下，耦合老化前S-ZH的D值大于L-ZH，耦合老化后S-ZH的D值小于L-ZH；以SK為基質(zhì)的改性瀝青則呈現(xiàn)出相反的結(jié)果。綜合上述分析可以得出，不同基質(zhì)瀝青和改性劑類型對(duì)所構(gòu)成的改性瀝青的影響，在以剪切流變?cè)囼?yàn)指標(biāo)為參數(shù)表征的瀝青抗老化性能方面沒(méi)有關(guān)聯(lián)性。

3 雙因素等重復(fù)試驗(yàn)方差分析

基于上述分析，進(jìn)一步分析了光照強(qiáng)度和溫度雙因素對(duì)瀝青老化特征的影響。針入度比指標(biāo)、黏度指標(biāo)的等重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)為3次，軟化點(diǎn)比指標(biāo)的等重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)為2次，老化時(shí)間取10 d。結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表4 不同基質(zhì)瀝青和改性劑類型的各指標(biāo)方差分析結(jié)果

表5 ZH瀝青針入度比指標(biāo)等重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

由上述各指標(biāo)的方差分析結(jié)果可知，當(dāng)以針入度比和黏度比為分析指標(biāo)時(shí)，溫度和光照強(qiáng)度對(duì)瀝青的老化均有顯著性影響，并且兩因素交互作用的效應(yīng)也是高度顯著的，其中溫度的作用相比于光照強(qiáng)度更加顯著；當(dāng)以軟化點(diǎn)比為分析指標(biāo)時(shí)，溫度和光照強(qiáng)度對(duì)瀝青的老化均有顯著性影響，其中溫度的作用相比于光照強(qiáng)度更加顯著，但兩因素交互作用對(duì)瀝青老化的影響很小，甚至交互作用的效應(yīng)不顯著，這是不符合實(shí)際情況的，因此在分析雙因素變化對(duì)瀝青老化特征的影響時(shí)不建議采用軟化點(diǎn)比指標(biāo)。

另外，當(dāng)采用針入度比作為瀝青老化分析指標(biāo)時(shí)，溫度對(duì)不同基質(zhì)瀝青和改性劑類型的影響排序?yàn)椋篠K>ZH，S-SK>S-ZH>L-SK>L-ZH，光照強(qiáng)度的影響排序?yàn)椋篫H>SK，S-ZH>S-SK>L-ZH>L-SK，上述兩因素交互作用的影響排序?yàn)椋篠K>ZH，S-SK>L-SK>S-ZH>L-ZH，即采用針入度比指標(biāo)分析雙因素變化對(duì)瀝青老化特征的影響時(shí)，得到與單因素變化分析時(shí)一致的結(jié)論，針入度比指標(biāo)可以反映基質(zhì)瀝青及改性劑類型對(duì)瀝青抗老化性能的影響。相反，黏度比指標(biāo)的溫度效應(yīng)、光照強(qiáng)度效應(yīng)以及交互作用效應(yīng)的排序有較好的規(guī)律性，均為：ZH>SK，S-ZH>L-SK>S-SK>L-ZH，但黏度比指標(biāo)并不能反映出基質(zhì)瀝青及改性劑類型對(duì)瀝青抗老化性能的影響。因此在分析雙因素變化對(duì)瀝青老化特征的影響時(shí)仍推薦采用針入度比指標(biāo)。而且需要說(shuō)明的是，指標(biāo)的排序越靠前，其受相應(yīng)因素作用的影響越顯著，對(duì)該因素作用的敏感性也就越大。

4 結(jié) 論

筆者通過(guò)對(duì)兩種基質(zhì)瀝青及4種改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)(針入度、黏度、軟化點(diǎn)、車轍因子)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析了瀝青在不同光熱耦合條件下的老化特征，通過(guò)研究可以得到以下結(jié)論：

1)從瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的分析可以得出，改性瀝青普遍比基質(zhì)瀝青具有更好的抗老化性能。

2)對(duì)于基質(zhì)瀝青而言，光照強(qiáng)度不變時(shí)，不同溫度條件下ZH瀝青的抗老化性能明顯優(yōu)于SK瀝青；溫度不變時(shí)，不同光照強(qiáng)度下SK瀝青的抗老化性能明顯優(yōu)于ZH瀝青。

3)對(duì)于改性瀝青而言，由線性改性劑制備的改性瀝青抗光熱耦合老化的能力整體上優(yōu)于星型改性瀝青；不同基質(zhì)瀝青類型構(gòu)成的改性瀝青在不同光熱耦合條件下則表現(xiàn)出不同的老化特性。

4)單因素條件變化時(shí)，基質(zhì)瀝青與其所組成的改性瀝青在以針入度比為指標(biāo)表征瀝青抗老化性能方面有很好的關(guān)聯(lián)性；在以黏度比、軟化點(diǎn)比及剪切流變系數(shù)為指標(biāo)表征瀝青抗老化性方面關(guān)聯(lián)性不大。因此在分析單因素變化對(duì)瀝青老化特征影響時(shí)推薦采用針入度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的老化程度及抗老化性能。

5)雙因素條件變化時(shí)，基質(zhì)瀝青及改性劑類型在以針入度比為指標(biāo)表征瀝青抗老化性能方面有很好的關(guān)聯(lián)性，在以黏度比為指標(biāo)表征瀝青抗老化性能方面有較好的規(guī)律性但關(guān)聯(lián)性不大，因此在分析雙因素變化對(duì)瀝青老化特征的影響時(shí)仍推薦采用針入度比指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的老化程度及抗老化性能。

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Macro Aging Characteristics of Asphalt under Heat and Light Coupling Condition

CHEN Long1, CHEN Songmin2, HE Zhaoyi1

(1.Shool of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. People’s Liberation Army 95996 Troop, Beijing 100086, P.R.China)

Through the indoor experiments on several technical performance indicators (including penetration, viscosity, softening point, rutting factor) of two kinds of matrix asphalt and four kinds of modified asphalt, the macro aging characteristics under different coupling condition of heat and light were compared. The results show that: for matrix asphalt, the anti-thermal aging performance of ZH asphalt is obviously superior to that of SK asphalt when the light intensity is constant; the anti-light aging performance of SK asphalt is obviously superior to that of ZH asphalt when the temperature is constant. For the modified asphalt, the ability of linear modified asphalt to resist heat and light coupling is better than that of star type modified asphalt. When the single factor and couple factors change, the matrix asphalt and the modified asphalt have a strong correlation with anti-aging properties which is reflected by penetration ratio; in addition, there is minor correlation with anti-aging properties which are reflected by viscosity ratio, softening point ratio and shear rheology coefficient. Therefore, penetration ratio is recommended for the index to evaluate the aging degree of asphalt and anti-aging properties. The variance analysis results of couple factors show that the temperature is more significant than light intensity in the light and heat coupling effect.

highway engineering; technical indicators; matrix asphalt; modifier; aging characteristics

2015-09-15；

2015-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278513)

陳 龍(1989—)，男，河南開(kāi)封人，博士研究生，主要從事路基路面材料與結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail：hellolong0701@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.09

U416.217

A

1674-0696(2016)06-038-07