張海濤， 張廣闊， 武　濤

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱　150040)

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基于等針入度的不同瀝青抗老化性能研究

張海濤， 張廣闊， 武濤

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱150040)

[摘要]為了進行不同類型改性瀝青的抗老化性能對比，在以代表高溫性能的針入度指標(biāo)基礎(chǔ)上，研究了相同等級針入度下的不同類型改性瀝青在老化過程中針入度及其他指標(biāo)的變化情況，分析了不同類型改性瀝青抗老化性能的微觀機理。研究認(rèn)為不同類型改性瀝青的抗老化性能均好于基質(zhì)瀝青。

[關(guān)鍵詞]道路瀝青； 等針入度； 抗老化性能； 瀝青組分； 微觀機理

0前言

道路瀝青的高低溫性能是影響瀝青路面行車質(zhì)量及使用年限的主要因素之一。多方面的數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，我國大部分地區(qū)，特別是炎熱地區(qū)，瀝青路面的高溫穩(wěn)定性較差，高溫車轍等問題普遍存在，嚴(yán)重影響了瀝青路面平整度及行車質(zhì)量。為此，國內(nèi)普遍采用改性瀝青來改善瀝青路面的高溫性能，但瀝青路面的車轍等高溫性能仍然沒有得到很好地解決，一些關(guān)鍵技術(shù)問題尚需要做進一步的深入研究[1，2]。

目前國內(nèi)外使用的道路改性瀝青種類繁多，而許多改性瀝青的研究往往只是片面地關(guān)注對瀝青高低溫性能的改善，卻忽略了改善后瀝青抗老化性能的優(yōu)劣，不同類型改性瀝青抗老化性能等耐久性尚沒有進行過系統(tǒng)研究。基于此，本項目擬對相同等級針入度下的不同類型改性瀝青進行抗老化性能對比試驗研究，采用改性瀝青的改性性能指標(biāo)與抗老化性能指標(biāo)來綜合評價改性瀝青的路用性能，研究成果具有一定的理論與實用價值，可以取得較好的經(jīng)濟效益與社會效益。

現(xiàn)階段國內(nèi)普遍采用SBS改性瀝青(其中SBS改性AH-90瀝青的25 ℃針入度在60～70/0.1 mm之間)，為了評價不同類型改性瀝青的抗老化性能，研究結(jié)合四種不同類型改性瀝青進行對比試驗。首先采取不同的手段使各種瀝青的25 ℃針入度達(dá)到60～70，即達(dá)到同一等級，在此試驗基礎(chǔ)上，通過TFOT加熱試驗對4種瀝青進行不同程度的老化試驗，主要分析不同類型改性瀝青老化前后的針入度及其他指標(biāo)的變化情況，探討不同類型改性瀝青的抗老化性能隨老化時間的變化規(guī)律，進而對不同類型改性瀝青的抗老化性能的微觀機理加以分析，論證老化試驗結(jié)果與微觀機理的一致性。

1試驗方案與內(nèi)容

1.1試驗原材料

試驗用瀝青有山東金石AH-70、盤錦AH-90瀝青和SBS改性瀝青，基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示；試驗用外摻劑有機蠟Sasobit。

1.2對比瀝青試樣制備

采取不同的改性手段制備具有相同等級針入度的四種對比瀝青試樣，試驗研究結(jié)果如表2所示。

表1 瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)Table1 Theindexesofasphalt瀝青試樣針入度(25℃)/(0.1mm)針入度指數(shù)PI70#瀝青66-1.390#瀝青93-0.77SBS瀝青68-0.29延度/cm5℃15℃粘度/135℃軟化點/℃8.71320.40346.591650.32844.535861.89572.8

表2 原樣瀝青25℃針入度Table2 The25℃penetrationofasphalt原樣瀝青基質(zhì)類老化類橡膠類有機蠟類70#瀝青90#瀝青老化5hSBS瀝青2%Sasobit瀝青(90#)針入度(25℃)/(0.1mm)66616866

1.3試驗內(nèi)容

試驗主要分為3個階段，原材料技術(shù)指標(biāo)的測定、針入度的調(diào)試和不同老化時間下各指標(biāo)對比，技術(shù)路線如圖1所示。試驗內(nèi)容主要包括薄膜烘箱老化試驗及針入度、延度、軟化點、135 ℃粘度的測定。

圖1　試驗技術(shù)路線Figure 1　The route of tests

2不同瀝青老化試驗結(jié)果及分析

本研究結(jié)合相關(guān)試驗規(guī)程及項目前期研究成果，確定老化采用5 h、163 ℃薄膜烘箱加熱試驗?zāi)M瀝青的短期老化，加熱20 h作為瀝青老化的臨界狀態(tài)[3，4]，主要利用瀝青加熱后的針入度及其他指標(biāo)的變化情況來評價不同瀝青的抗老化性能。

2.1基于同等級針入度的試驗結(jié)果及分析

瀝青老化后針入度下降，隨老化時間的延長，殘留針入度比越大，瀝青的抗老化性能越好[5]，不同老化時間的不同類型改性瀝青針入度的變化規(guī)律如表3所示。

根據(jù)老化后殘留針入度隨老化時間的變化特點，將瀝青老化分為2個階段，加熱0～5 h為短期老化階段，5～20 h為臨界狀態(tài)老化階段。從表3可以看出：老化對瀝青針入度有很大影響，特別是加熱5 h的短期老化階段對5 ℃、15 ℃、25 ℃的瀝青針入度的作用效果尤其明顯，5 h之后加熱老化所產(chǎn)生的影響相對較小，即短期老化階段對針入度的影響大于臨界狀態(tài)老化階段。整體上老化后瀝青的殘留針入度呈現(xiàn)下降趨勢，5 ℃時由于溫度較低，受環(huán)境因素影響較大，個別瀝青的變化規(guī)律與整體變化趨勢略有差異。瀝青的老化是一個長期緩慢的氧化過程，結(jié)合殘留針入度比與老化時間的關(guān)系曲線，認(rèn)為采用臨界狀態(tài)老化階段的針入度變化預(yù)示瀝青的長期老化更具有說服力。

表3 不同老化時間的瀝青殘留針入度Table3 Theremainingpenetrationofasphaltatdifferentagingtime(0.1mm)瀝青種類25℃15℃5℃052005200520基質(zhì)類70#瀝青664431211615766老化基質(zhì)類90#瀝青老化5h6144322216131074熱塑橡膠改性類SBS瀝青(90#)684039262022101111有機蠟改性類2%Sasobit瀝青(90#)66443123212191014 注:欄目中數(shù)字0,5,20為老化時間,單位為h。

此外，四種瀝青的25 ℃針入度隨老化時間的變化規(guī)律十分相似，但短期老化對已老化5 h的90#瀝青影響相對較小，對SBS改性瀝青影響相對較大；從長期抗老化性能來說，SBS瀝青相對較好，2%Sasobit瀝青較差。而在5 ℃、15 ℃試驗溫度下，2%Sasobit瀝青、SBS改性瀝青的抗老化能力明顯優(yōu)于另外兩種瀝青。總體上來說，SBS的綜合抗老化能力較強，2%Sasobit瀝青低溫抗老化能力較強，高溫抗老化能力相對較弱，盡管老化5 h的90#瀝青在25 ℃針入度下抗老化能力比70#瀝青強，但在5 ℃、15 ℃下較差。因此，4種瀝青抗老化能力由強到弱依次為：SBS瀝青>2%Sasobit瀝青>70#瀝青>90#瀝青老化5 h。

2.2其他指標(biāo)試驗結(jié)果及分析

不同老化時間下4種瀝青的延度、軟化點及135 ℃粘度如表4所示。通過試驗數(shù)據(jù)可以看出：隨老化時間的延長，瀝青的5 ℃、15 ℃延度均下降，軟化點升高，粘度值變大；SBS瀝青各指標(biāo)變化都表明了其具有較好的抗老化能力，其他3種瀝青的5 ℃延度變化相差很小，15 ℃延度、軟化點變化均顯示剩余3種瀝青的抗老化能力由強到弱為2%Sasobit瀝青>70#瀝青> 90#瀝青老化5 h，驗證了通過針入度評價四種瀝青抗老化能力的可行性。

表4 不同老化時間的瀝青殘留延度,軟化點及135℃粘度Table4 Theremainingductility,softenpointand135℃viscosityofasphaltatdifferentagingtime瀝青種類延度(5cm·min-1)/cm5℃15℃軟化點/℃135℃粘度052005200520052070#瀝青8.70.50.3132.150.11.346.553.460.20.4030.5281.08490#瀝青老化5h6.00.60.5111.026.68.251.853.958.20.3850.4880.870SBS瀝青35.024.413.286.082.331.972.376.476.91.8952.1123.5002%Sasobit瀝青(90#)3.53.10.5136.544.17.058.959.766.50.2880.3180.612 注:欄目中數(shù)字0,5,20為老化時間,單位為h。

3不同瀝青抗老化性能的微觀分析

3.1瀝青4組分分析

對4種瀝青試樣4組分進行了測定。研究認(rèn)為[6-8]膠體不穩(wěn)定指數(shù)IC可以用來評價瀝青的膠溶能力及瀝青在老化過程中膠體性能的變化，IC值越大，軟瀝青的膠溶能力越差，瀝青越趨于凝膠型膠體，結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，抗老化能力越差。其定義式如下：

Ic=(S+As)/(R+Ar)

式中：S、As、R、Ar分別代表飽和分、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和芳香分的百分含量。

不同老化時間各瀝青的膠體不穩(wěn)定指數(shù)IC如圖2所示。可以很直觀地看出，在同一老化時間內(nèi)，4種瀝青試樣的IC值大小均表現(xiàn)為：SBS瀝青<2%Sasobit瀝青<90#瀝青老化5 h<70#瀝青，由此得出4種瀝青的抗老化性能由高到低依次為：SBS瀝青>2%Sasobit瀝青>90#瀝青老化5 h>70#瀝青。這與宏觀試驗結(jié)論略有差異，不同之處在于90#瀝青老化5 h與70#瀝青的排序，出現(xiàn)此情況的原因有： ①同一老化時間下2種瀝青的IC值十分接近，可見這兩種瀝青的抗老化性能比較相似； ②宏觀試驗過程中，特別是以針入度為主要指標(biāo)評價瀝青高溫耐久性的體系中，5 ℃、15 ℃試驗溫度下對針入度值影響較大，試驗誤差也較大； ③等針入度的兩種瀝青，老化5 h的90#瀝青與原樣70#瀝青，前者含有的大分子量組分相對增多，小分子量組分相對減少，隨后進行相同時間老化時，各組分的變化速率會相對較小，即前者抗老化性能略大于后者。因此，應(yīng)對宏觀試驗結(jié)論進行相應(yīng)修正。

圖2　不同老化時間各瀝青的膠體不穩(wěn)定指數(shù)ICFigure 2　The gastel index(Ic)of different asphalt at 　　　different aging time

隨老化時間的增加，導(dǎo)致了瀝青膠溶能力下降，瀝青膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，膠體不穩(wěn)定指數(shù)Ic變大，瀝青的抗老化性能降低，因此，從微觀組分角度進一步論證了4種瀝青抗老化性能的優(yōu)劣。

3.2SEM圖像分析

在掃描電子顯微鏡(SEM)下對4種瀝青試樣的微觀形貌進行觀察，得到放大1 000倍的微觀圖像如圖3所示。

從圖3中可以看出：

① 基質(zhì)類70#瀝青的表面比較光滑，幾乎沒有任何褶皺，而老化基質(zhì)類90#瀝青老化5 h試樣表面呈現(xiàn)細(xì)微褶皺，呈現(xiàn)出輕微的“波浪”形態(tài)，由此可以預(yù)測，老化時間越長，“波浪”越明顯。

70#瀝青90#瀝青老化5 h

SBS瀝青(90#)2%Sasobit瀝青(90#)

Figure 3The SEM images magnified 1 000 times of different asphalt

② 熱塑橡膠改性類SBS瀝青整體連續(xù)性非常好，SBS改性劑被高速剪切成微米級的細(xì)小顆粒，并均勻地分散在瀝青溶液中，細(xì)小的SBS顆粒被瀝青完全包裹，二者之間高度粘結(jié)，緊密結(jié)合，從而形成以瀝青為連續(xù)相，改性劑顆粒為分散相的整體結(jié)構(gòu)，微觀形貌上呈現(xiàn)所謂的“海島狀”結(jié)構(gòu)[9-16]，并沒有出現(xiàn)“波浪形態(tài)”，反而與基質(zhì)類瀝青的微觀表面比較相似，說明老化作用首先破壞的是二者之間的粘結(jié)效果，對瀝青溶液及改性劑本身的作用并不明顯，因此該類瀝青的抗老化性能比基質(zhì)類、老化基質(zhì)類瀝青好。

③ 有機蠟類Sasobit瀝青表面整體上伴隨細(xì)微的蠟質(zhì)“魚鱗狀”的紋理結(jié)構(gòu)，連續(xù)性比較好，但可以推斷經(jīng)老化后，此類紋理結(jié)構(gòu)會逐漸變成細(xì)密的褶皺并相互堆疊形成類似老化類瀝青的“波浪”形態(tài)，由此可以判斷Sasobit瀝青抗老化性能好于老化5 h的90#瀝青。

根據(jù)上述SEM微觀圖像得出的結(jié)論也可大致判斷出4種瀝青試樣的抗老化能力，且與宏觀試驗結(jié)論基本一致。

4結(jié)論

① 在單一的改性性能指標(biāo)基礎(chǔ)上，提出了用改性性能指標(biāo)與抗老化性能指標(biāo)綜合評價改性瀝青路用性能的新方法，具有一定的理論與實用價值。

② 隨著老化時間的增加，同等級針入度的瀝青性能發(fā)生不同程度的變化，針入度、延度降低，軟化點、135 ℃粘度增加，變化具有一定的規(guī)律性。研究認(rèn)為可以采用老化瀝青針入度及其他指標(biāo)的變化規(guī)律綜合評定不同類型改性瀝青的抗老化性能。

③ 在相同的老化試驗溫度下，4種不同類型改性瀝青體現(xiàn)出的抗老化性能不同，但無論在任何一種溫度下，SBS瀝青都具有明顯的優(yōu)勢，抗老化能力依次為：SBS瀝青>2%Sasobit瀝青>90#瀝青老化5 h>70#瀝青，摻加改性劑或加熱老化改善后的瀝青抗老化性能均好于基質(zhì)瀝青的抗老化性能。

④ 基質(zhì)類瀝青主要發(fā)生氧化老化，改性類瀝青除此之外還包括改性劑的降解老化，老化過程中，改性類瀝青小分子含量低于基質(zhì)瀝青，大分子物質(zhì)增加的較少，即聚合反應(yīng)的速度低于基質(zhì)類瀝青，其抗老化性能較好，微觀結(jié)論與宏觀結(jié)論基本一致。

⑤ 研究結(jié)論對不同類型改性瀝青的抗老化性能等耐久性的進一步研究具有一定的理論指導(dǎo)意義；同時對如何合理選擇不同類型改性瀝青進行不同地區(qū)瀝青路面的應(yīng)用，研究成果將能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

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Study on Anti-aging Performance of Different Asphalts Based on the Same Penetration Grade

ZHANG Haitao， ZHANG Guangkuo， WU Tao

(College of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040， China)

[Abstract]In order to compare the anti-aging performance of different modified asphalts，based on the same penetration grade，the penetration，ductility，softening point and 135 ℃ viscosity of four different modified asphalts in the aging process have been researched，and the test results have also been discussed by the micro-mechanism.The research has demonstrated that the anti-aging performance of the modified asphalt is better than that of the original asphalt.

[Key words]road asphalt； same penetration grade； anti-aging performance； asphalt components； micro-mechanism

[中圖分類號]U 416.217

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0033—04

[作者簡介]張海濤(1963—)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，研究方向為路面結(jié)構(gòu)與材料。

[收稿日期]2014—12—18