譚志遠,李強
(長沙理工大學交通運輸工程學院,湖南長沙 410004)
熱氧-光耦合老化對瀝青性能影響研究
譚志遠,李強
(長沙理工大學交通運輸工程學院,湖南長沙 410004)
參考有關光氧老化文獻確定4種紫外光強度,在4種紫外光輻射強度和70℃溫度下分別對中海油70號瀝青和SK70號瀝青進行熱氧-光耦合老化,以單獨的熱氧老化(輻射強度為零)作為對比試驗,老化時間為5、10、15 d,測試和分析耦合老化前后瀝青三大指標的變化。結果表明,熱氧-光耦合老化的效果比熱氧老化明顯,表現(xiàn)為瀝青性能衰減更快,在熱氧-光耦合老化試驗中熱氧的貢獻較大;隨著紫外光輻射強度的提高,瀝青老化后性質(zhì)明顯變差;SK瀝青的抗老化性能比中海油瀝青更好。
公路;瀝青;耦合老化;老化溫度;紫外光輻射強度
瀝青在使用過程中會產(chǎn)生老化,引起瀝青路面產(chǎn)生松散、開裂和水損害等破壞。瀝青及瀝青混合料的老化與其所處環(huán)境有很大關系,對瀝青老化起作用的因素主要有降雨、高溫、紫外線輻射等,且主要發(fā)生在路面施工階段和使用階段。
一段時間以來,研究瀝青老化的焦點在于熱氧反應,對紫外線老化的研究相對較少,且大都是利用單一因素對瀝青老化進行研究,對熱氧-光耦合老化的研究較少。高溫主要引起瀝青中的芳香分等輕質(zhì)油分蒸發(fā)和瀝青加速劣化。紫外光老化對瀝青的影響機理和影響程度與熱老化不同,可能更嚴重。當瀝青中的高能鍵所吸收的能量比相應的鍵解離能大時,高分子鏈會出現(xiàn)斷裂,繼而瀝青結構與組分發(fā)生改變,宏觀表現(xiàn)為路用性能變差。在一般情況下,引起瀝青路面破壞的環(huán)境因素不是單一的,而是多種因素綜合作用或頻繁交替。該文使用瀝青老化設備對SK70號瀝青及中海油70號瀝青進行不同時長的熱氧-光耦合老化,測試老化前后的瀝青性能指標,分析不同時長和不同紫外光照射強度對瀝青性能的影響。
選用兩種基質(zhì)瀝青,分別為SK70號瀝青和中海油70號道路石油瀝青,為表述簡便,分別編號為SK和ZH。兩種瀝青的基本性質(zhì)測試結果見表1,均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》的要求。
表1 SK瀝青與ZH瀝青的基本性質(zhì)
2.1試驗參數(shù)的確定
(1)紫外光輻射強度。每個地區(qū)的紫外光輻射強度不同,如長江中下游一帶及四川盆地的紫外光輻射較弱,青藏高原的輻射較強,需設置合理的紫外光輻射強度模擬瀝青老化。通過參考以往文獻資料,國內(nèi)輻射較低的城市中重慶的輻射強度約為20 W/m2,輻射較強的城市中拉薩的輻射強度約為40 W/m2,故選擇0、20、30、40 W/m24種輻射強度,其中選擇輻射強度為零的目的是對瀝青進行同步熱氧老化(沒有紫外光參與)。人工光源采用紫外光照射試驗效果較好的高壓汞燈。
(2)溫度。溫度會引起路面瀝青老化。環(huán)境溫度、濕度、太陽輻射、降雨等因素都會對路面溫度場產(chǎn)生影響。瀝青路面因顏色較深具有較強的吸熱能力,夏季高溫時路面溫度為65~75℃,故確定試驗溫度為70℃。
2.2試驗方案
使用熱光水耦合老化試驗箱對ZH和SK瀝青進行熱氧-光耦合老化,老化溫度為70℃,紫外光輻射強度為0、20、30、40 W/m2,老化時間取5、10和15 d。試驗共分4組(見表2)。
表2 熱氧-光耦合老化試驗方案
按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對熱氧-光耦合老化后的瀝青殘留物進行針入度、軟化點和延度測試,結果見表3。
表3 熱氧-光耦合老化后兩種瀝青三大指標的變化
3.1耦合老化對瀝青針入度的影響
兩種瀝青分別在不同紫外光強度下熱氧-光耦合老化后其針入度隨老化時間的變化見圖1。
從圖1可看出:1)雖然老化時間有所不同,但針入度均隨時間延長而降低;ZH和SK兩種瀝青的針入度都在老化15 d、輻射強度為40 W/m2時最小。2)在輻射強度為零(單獨熱老化)時,兩種瀝青的針入度都有較大幅度降低,說明溫度為70℃時能使瀝青性質(zhì)產(chǎn)生明顯變異;紫外光的加入使瀝青發(fā)生了光熱耦合老化,瀝青針入度下降越發(fā)明顯;在相同老化時間內(nèi),紫外光強度越高,針入度越低。3)ZH瀝青的針入度降幅比SK瀝青大,說明SK瀝青的抗老化性能比ZH瀝青好。
圖1 兩種瀝青在耦合老化中針入度隨輻射強度和老化時間的變化
3.2耦合老化對瀝青延度的影響
兩種瀝青在不同紫外光強度下熱氧-光耦合老化后其延度隨老化時間的變化見圖2。
圖2 兩種瀝青在耦合老化中延度隨輻射強度和老化時間的變化
從圖2可以看出:1)不論是ZH瀝青還是SK瀝青,在4種紫外光輻射強度條件下老化后的延度都隨時間增長明顯降低。2)前5 d老化中延度隨著紫外光強度的增加而顯著降低,5~15 d降低速率逐步減緩。3)兩種瀝青的延度都在輻射強度為40 W/m2下老化15 d后降到最小。
3.3耦合老化對瀝青軟化點的影響
兩種瀝青在不同紫外光強度下熱氧-光耦合老化后其軟化點隨老化時間的變化見圖3。
從圖3可以看出:1)當輻射強度為零時,兩種瀝青的軟化點隨時間延長而增加,表明70℃溫度對瀝青產(chǎn)生了較大的老化效果,此時發(fā)生的是熱氧老化。2)相對于單獨的熱老化,有紫外光參與時,瀝青的軟化點明顯提高,且輻射越強,軟化點增加速率越大。3)從軟化點增加幅度來看,SK瀝青的抗老化性能比ZH瀝青好。
圖3 兩種瀝青在耦合老化中軟化點隨輻射強度和老化時間的變化
(1)SK瀝青和ZH瀝青在4種不同輻射強度耦合老化過程中,針入度和延度隨老化時間延長而降低,軟化點隨時間延長而增大;SK瀝青的抗老化性能比ZH瀝青更好,在路面溫度較高和紫外光輻射較強的地區(qū),適合采用SK瀝青或其改性瀝青。
(2)在沒有紫外光參與的情形下,瀝青的性能衰減雖沒有光熱耦合老化時明顯,但也起了較大的老化效果;當紫外光強度增加時,瀝青性能衰減隨時間延長越發(fā)明顯,說明光熱耦合老化會使瀝青性質(zhì)產(chǎn)生很大的變異。
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U416.217
A
1671-2668(2016)05-0071-02
2016-06-06