王 磊，王樹杰

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

1 概述

隨著瀝青路面在我國(guó)高等級(jí)公路中覆蓋率的逐步增加，瀝青路面舒適性、安全性、易維修等優(yōu)點(diǎn)得到了道路行業(yè)的認(rèn)可。瀝青混合料是非線性黏彈性體，瀝青隨著外界溫度的變化總體上呈現(xiàn)3種力學(xué)狀態(tài)——玻璃態(tài)、高彈態(tài)、黏流態(tài)，瀝青與集料、礦物填料通過物理化學(xué)吸附裹覆作用形成一個(gè)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的三級(jí)分散體系。瀝青路面在通車運(yùn)行中由于受到荷載和自然環(huán)境的耦合作用，瀝青混合料內(nèi)部的綜合應(yīng)力（溫度應(yīng)力、荷載應(yīng)力等）較大，自身性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致瀝青路面容易產(chǎn)生早期破壞，而其中有關(guān)瀝青老化的問題成為了道路工程行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。從貯運(yùn)、加工到最終的施工鋪筑使用，由于外界條件作用如蒸發(fā)、脫氫、縮合、氧化［1-3］等，瀝青逐漸發(fā)生老化。在路面服役過程中，由于受到交通荷載及各種自然環(huán)境的綜合作用，瀝青混合料受到反復(fù)應(yīng)力作用，直至達(dá)到材料疲勞極限應(yīng)變，瀝青結(jié)構(gòu)層發(fā)生開裂，嚴(yán)重影響了瀝青路面的使用壽命［4-6］。流變?cè)囼?yàn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)是從流變學(xué)角度分析瀝青的黏彈狀態(tài)，對(duì)于瀝青的黏彈特性表征更加準(zhǔn)確，目前瀝青的流變?cè)囼?yàn)已廣泛運(yùn)用于科研中，對(duì)瀝青的流變特性評(píng)價(jià)已較為成熟；而有關(guān)瀝青流變指標(biāo)與常規(guī)指標(biāo)之間關(guān)系的研究較少，因此，有必要針對(duì)瀝青老化流變指標(biāo)與常規(guī)指標(biāo)之間關(guān)系進(jìn)行深入的研究。

本文根據(jù)瀝青的老化機(jī)理及特性，選用不同的老化方式來模擬瀝青在實(shí)際工程使用中發(fā)生的老化形式，采用薄膜烘箱老化試驗(yàn)TFOT模擬瀝青的短期老化，采用壓力老化試驗(yàn)PAV模擬瀝青長(zhǎng)期老化，據(jù)此分析經(jīng)過老化后瀝青的常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)變化規(guī)律；基于瀝青流變學(xué)特性，利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)瀝青進(jìn)行流變曲線分析，并根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果探索瀝青常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)與流變指標(biāo)的關(guān)系，旨在為后續(xù)對(duì)于瀝青老化問題的研究提供參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用的瀝青材料為70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，具體技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所示。為了更好地模擬瀝青在瀝青路面通車使用中發(fā)生的老化情況，選擇兩種不同老化方式的試驗(yàn)：薄膜烘箱老化試驗(yàn)（TFOT）和長(zhǎng)期壓力老化試驗(yàn)(PAV)。通過這兩種不同的老化方式研究基質(zhì)瀝青和改性瀝青老化后性能差異，試驗(yàn)條件如表3所示。按照現(xiàn)有行業(yè)規(guī)范對(duì)老化瀝青進(jìn)行了針入度、軟化點(diǎn)、延度和布氏黏度常規(guī)試驗(yàn)；采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR進(jìn)行了動(dòng)態(tài)溫度掃描試驗(yàn)研究，設(shè)置條件為25 mm轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速10 rad/s，試驗(yàn)溫度范圍為在10~80 ℃。

表1 70#基質(zhì)瀝青常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3 常規(guī)指標(biāo)分析

為了解瀝青經(jīng)過不同老化條件老化后發(fā)生的性能變化，對(duì)老化前后的瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度和黏度的檢測(cè)試驗(yàn)，分析各指標(biāo)的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表2 SBS改性瀝青常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表3 瀝青老化試驗(yàn)條件

圖1 兩種瀝青不同老化狀態(tài)下的指標(biāo)變化

從圖1中可看出，對(duì)于70#基質(zhì)瀝青，隨著老化時(shí)間的增加，瀝青針入度顯著降低，軟化點(diǎn)、黏度值變大，但延度大幅減小。當(dāng)老化時(shí)間小于20 h時(shí)，PAV老化瀝青仍具有較高的針入度、延度，而軟化點(diǎn)和黏度增率不如TFOT老化瀝青。而對(duì)于SBS改性瀝青而言，老化后針入度、軟化點(diǎn)總體上是降低的，然而SBS改性瀝青的延度變化無規(guī)律可尋，在老化一段時(shí)間內(nèi)兩種老化方式作用下的瀝青延度居然比未老化瀝青還要大，可見改性瀝青老化后延度性質(zhì)變化較為復(fù)雜。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究成果，SBS改性瀝青老化后的軟化點(diǎn)變化規(guī)律并不固定［7-8］，這是因?yàn)楦男詾r青是由基質(zhì)瀝青和改性劑兩部分組成的，基質(zhì)瀝青的老化是一個(gè)“硬化”過程，而改性劑在老化過程中可能發(fā)生裂解反應(yīng)，會(huì)使瀝青“變軟”。除此以外，筆者認(rèn)為對(duì)于一些改性不良的SBS改性瀝青，可能會(huì)在試驗(yàn)過程中存在后期發(fā)育的現(xiàn)象，這對(duì)改性瀝青老化后的軟化點(diǎn)變化情況造成一定的影響，但這一觀點(diǎn)需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)。因此，在進(jìn)行舊路再生瀝青評(píng)價(jià)時(shí)，使用3大指標(biāo)進(jìn)行瀝青老化程度的評(píng)估對(duì)SBS改性瀝青存在不適用性。

4 流變指標(biāo)分析

利用兩個(gè)流變指標(biāo)：能夠表征瀝青抵抗變形能力的流變指標(biāo)復(fù)數(shù)剪切模量G*和表征瀝青黏彈成份比例的結(jié)構(gòu)信息的相位角δ，來評(píng)價(jià)瀝青的黏彈特性。本文試驗(yàn)通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR分別對(duì)老化前后的70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行流變指標(biāo)測(cè)試，進(jìn)一步了解不同老化方式、不同老化時(shí)間對(duì)不同瀝青的流變性能影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2~圖5所示。

圖2 經(jīng)TFOT老化70#基質(zhì)瀝青流變曲線

圖3 經(jīng)PAV老化70#基質(zhì)瀝青流變曲線

由圖2流變曲線試驗(yàn)結(jié)果可看出，瀝青經(jīng)過老化后其復(fù)數(shù)模量變大，瀝青發(fā)生硬化，這與前述常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果中軟化點(diǎn)、黏度劇增、針入度降低的現(xiàn)象遙相呼應(yīng)。圖3中經(jīng)過 PAV老化基質(zhì)瀝青表現(xiàn)出與TFOT老化相似的模量變化，但經(jīng)過20 h PAV老化后，瀝青的相位角減小明顯，并且在溫度達(dá)到35 ℃后相位角變化曲線出現(xiàn)顯著穩(wěn)平區(qū)，這一定程度上說明長(zhǎng)期壓力老化可以改變基質(zhì)瀝青的黏彈比例。

圖4 經(jīng)TFOT老化SBS瀝青流變曲線

圖5 經(jīng)PAV老化SBS瀝青流變曲線

根據(jù)圖4和圖5 SBS改性瀝青流變曲線分析可得出，經(jīng)過一段老化時(shí)間，兩種老化方式條件下改性瀝青的相位角變化都有一個(gè)緩平區(qū)。SBS改性瀝青相位角這種變化能夠反映出改性瀝青顯微網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，性能上表現(xiàn)出溫度敏感性小，瀝青在高溫下依然能夠保持高彈性能。然而，經(jīng)過一定時(shí)間老化后，兩種老化方式下改性瀝青的相位角變化曲線的穩(wěn)平區(qū)逐漸消失，這表明SBS改性瀝青在經(jīng)過長(zhǎng)期老化后其內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)遭到了破壞。

5 軟化點(diǎn)及復(fù)數(shù)模量關(guān)系

根據(jù)所得試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：無論是經(jīng)過TFOT還是PAV老化，在溫度掃描范圍內(nèi)基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模量值似乎對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的模量值，圖中所示該模量值為14 200 Pa（如圖6所示）。圖7和表4為TFOT、PAV樣品在各自軟化點(diǎn)溫度下對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量和相位角數(shù)據(jù)，可以看出在應(yīng)力水平100 Pa、轉(zhuǎn)速10 rad/s的動(dòng)態(tài)剪切條件下，不同老化狀態(tài)下瀝青軟化點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量值平均在14 200 Pa、標(biāo)準(zhǔn)差為543 Pa范圍內(nèi)。而相對(duì)應(yīng)的作為一個(gè)結(jié)構(gòu)信息的相位角，會(huì)隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)、軟化點(diǎn)增高而呈現(xiàn)有規(guī)律的降低，這一現(xiàn)象也表現(xiàn)出基質(zhì)瀝青溫度敏感性強(qiáng)的特性；同時(shí)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可看出PAV老化方式要比TFOT老化對(duì)瀝青的結(jié)構(gòu)影響更為明顯，前者瀝青相位角變化大于后者，黏彈性比例發(fā)生了明顯的改變，這是單純熱氧化（TFOT）與壓力熱老化（PAV）的明顯差別。

圖6 瀝青軟化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模量位置

由上述可知，石油瀝青與改性瀝青在各自軟化點(diǎn)條件下處于兩種不同的流變狀態(tài)，而各種不同老化狀態(tài)的石油瀝青則能都保持較為相同的材料狀態(tài)，同時(shí)不同老化狀態(tài)下石油瀝青的軟化點(diǎn)下的模量、相位角直觀上接近，因此有必要對(duì)軟化點(diǎn)、模量、相位角進(jìn)行一個(gè)關(guān)系驗(yàn)證，是否這些參數(shù)可以表示一個(gè)共同的等效模量或者相位角。

圖7 瀝青軟化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量與相位角

表4 軟化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瀝青復(fù)數(shù)模量、相位角

根據(jù)上述試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，提出一個(gè)等模量溫度概念，即不同老化狀態(tài)下的瀝青軟化點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量值近似相等，此時(shí)的溫度值即為等模量溫度。為了驗(yàn)證等模量溫度的存在，選取30余個(gè)瀝青樣品，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)剪切掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為各個(gè)瀝青樣品的軟化點(diǎn)溫度，探討了軟化點(diǎn)環(huán)境下的瀝青的流變特性和黏彈性狀態(tài)。圖8為石油瀝青的軟化點(diǎn)、復(fù)數(shù)模量?jī)烧哧P(guān)系的散點(diǎn)圖，由圖中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)軟化點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的模量并不呈現(xiàn)出任何相關(guān)關(guān)系，且其對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量數(shù)據(jù)點(diǎn)絕大部分分布在95%置信度內(nèi)，說明瀝青軟化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量分布相對(duì)集中，離散性小。

圖8 軟化點(diǎn)對(duì)應(yīng)復(fù)數(shù)模量范圍

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，筆者將不同老化程度瀝青的復(fù)數(shù)模量、相位角數(shù)據(jù)加入到表6的樣本里面，利用Shapiro-Wilk正態(tài)檢驗(yàn)（該法適合于3≤n≤50的樣本統(tǒng)計(jì)），結(jié)果如圖9 所示，在a=0.05置信水平下，瀝青復(fù)數(shù)模量可通過正態(tài)檢驗(yàn)。

圖9 軟化點(diǎn)溫度下模量、相位角的正態(tài)分布情況

39個(gè)樣品數(shù)據(jù)的復(fù)數(shù)模量均值約為12 678.47 Pa，標(biāo)準(zhǔn)差為2 273.15 Pa，變異系數(shù)為0.179 29；而瀝青的39個(gè)相位角數(shù)據(jù)概率值較大，則不能通過正態(tài)檢驗(yàn)（如表5所示）。結(jié)果充分說明了石油瀝青在軟化點(diǎn)溫度下，不管老化狀態(tài)如何，其可近似為一個(gè)等模量溫度，在設(shè)定的試驗(yàn)條件下（荷載100 Pa、頻率10 rad/s），該模量值約為12 678.47 Pa（標(biāo)準(zhǔn)差2 273.15 Pa）；而相位角受老化狀態(tài)影響較大，并不能作相同考慮，因此對(duì)相位角不能進(jìn)行等效處理。

表5 模量G*和相位角的描述性統(tǒng)計(jì)和正態(tài)檢驗(yàn)

6 結(jié)論

（1）隨著老化時(shí)間的增加，針入度和黏度的老化指數(shù)對(duì)于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青都有增加，而改性瀝青軟化點(diǎn)變小，SBS改性瀝青的延度的變化則是沒有規(guī)律性。因此，用常規(guī)指標(biāo)對(duì)SBS改性瀝青老化程度的評(píng)估存在不適用性

（2）老化后基質(zhì)瀝青的相位角表現(xiàn)出規(guī)律性的減小，使得瀝青彈性成分增加，彈性增強(qiáng)，但經(jīng)過PAV長(zhǎng)期老化后相位角出現(xiàn)平穩(wěn)區(qū)。

（3）經(jīng)過一段時(shí)間老化后SBS瀝青的相位角變化有一個(gè)緩和區(qū)，這種特性可以使得路面高溫下仍然保持較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性能。而經(jīng)過一段時(shí)間老化，SBS瀝青的相位角曲線沒有穩(wěn)平區(qū)，說明長(zhǎng)時(shí)間老化使得內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞。

（4）在軟化點(diǎn)溫度條件下，石油瀝青與改性瀝青在各自軟化點(diǎn)條件下處于兩種不同的流變狀態(tài)。此時(shí)，石油瀝青黏彈性組成中的黏性分量占據(jù)主要部分，而SBS改性瀝青則保持較低的模量值和相位角，彈性仍保持為一個(gè)明顯的特質(zhì)。

（5）利用Shapiro-Wilk正態(tài)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在a=0.05置信水平下，不管老化狀態(tài)如何，石油瀝青軟化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量（荷載100 Pa、頻率10 rad/s）呈正態(tài)分布，模量均值約為12 678.47 Pa，標(biāo)準(zhǔn)差為2 273.15 Pa。可以表明軟化點(diǎn)是一個(gè)等模量溫度點(diǎn)；而對(duì)應(yīng)的相位角受瀝青老化狀態(tài)影響，不能等效；但SBS改性瀝青沒有這個(gè)規(guī)律。

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