劉香香，賈曉東

(1.重慶工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，重慶 400020；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

道路用瀝青大部分都是改性瀝青，主要有SBS改性瀝青以及膠粉改性瀝青等[1-3]，然而瀝青在使用中最主要的問題在于老化，尤其在高海拔地區(qū)鋪筑1年左右即發(fā)生以龜裂和縱向裂縫為主的損傷，嚴(yán)重地段發(fā)生結(jié)構(gòu)層的破壞[4]，主要由于受到強(qiáng)烈的紫外線照射以及溫度光照等影響使得改性瀝青結(jié)構(gòu)發(fā)生老化，影響工作特性[5]。因此，研究瀝青在多重因素作用下的老化性能變化具有重要的實(shí)際意義。

楊震等[6]研究表明,老化會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)瀝青內(nèi)部氧元素含量大幅增加，同時(shí)老化會(huì)促進(jìn)基質(zhì)瀝青相對(duì)分子質(zhì)量分布整體往大分子方向移動(dòng)，重均相對(duì)分子質(zhì)量得到顯著提高。臧芝樹等[7]揭示熱氧化老化、紫外線老化對(duì)瀝青延度變化影響最大，這也是導(dǎo)致路面開裂的主要原因。

本實(shí)驗(yàn)基于光照水分等多重因素，模擬實(shí)際環(huán)境情況,研究瀝青老化的機(jī)理以及老化后的低溫和高溫性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

70#瀝青，其性質(zhì)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青性質(zhì)Table 1 Properties of asphalt

KDM-408多功能電熱套；AZ-450老化箱；SYD-0620瀝青動(dòng)力粘度計(jì)；DHR-2動(dòng)態(tài)剪切流變儀；TAI-8420型溫度測(cè)量?jī)x；SYD-2801E針入度儀；SYD-2806E全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)儀；SY-2B恒溫雙速瀝青延伸儀；HBDV布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；DSC214-28差示掃描量熱儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用加熱套控溫130 ℃，將盛放瀝青的燒杯加熱使其呈流動(dòng)狀態(tài)，倒置在耐高溫陶瓷碟中，成型厚度(2±0.2)mm，利用體積法計(jì)算(所用瀝青量=π×r2×d，其中r為圓盤半徑，d為最終成型的厚度)；實(shí)驗(yàn)設(shè)置老化箱體溫度為80 ℃，相對(duì)濕度控制65%，老化箱體內(nèi)部上方有噴水淋頭，通過泵送水進(jìn)入老化箱體，在紫外線的照射下，同時(shí)箱體溫度較高，會(huì)激發(fā)水蒸氣，水體蒸發(fā)以及輕微分解氧氣，同時(shí)氧氣在高強(qiáng)紫外作用下形成臭氧，增加瀝青老化的多重因素；同時(shí)每隔3 h在樣品表面噴撒上少許水，等待水分蒸發(fā)后，用玻璃棒攪拌瀝青試樣，使其均勻老化。分別老化0，40，80 h，用來模擬實(shí)際瀝青路面中瀝青在復(fù)雜環(huán)境的老化。老化后的瀝青進(jìn)行儀器檢測(cè)和測(cè)試分析。

1.3 檢測(cè)方法

1.3.1 傅里葉紅外光譜儀測(cè)定 KBr壓片(樣品與溴化鉀比例1∶1 000)，儀器分辨率0.2 cm-1，掃描次數(shù)16次/s，掃描范圍400～4 000 cm-1，分別測(cè)試瀝青老化前后的微觀變化，同時(shí)測(cè)試?yán)匣?0 h后瀝青的四組分變化。

1.3.2 DSR測(cè)定 多重應(yīng)力蠕變掃描，樣品φ25 mm×1 mm，溫度設(shè)定60 ℃，應(yīng)力設(shè)定0.1 kPa，加載1 s，卸載9 s，保溫停留時(shí)間300 s，循環(huán)周20個(gè)，角頻率設(shè)定10%。

1.3.3 DSC測(cè)定 樣品(5.0±0.1)mg，溫度變化-50～50 ℃，升溫速率10 ℃/min，流動(dòng)態(tài)氣體氛圍保護(hù)為氮?dú)狻?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 傅里葉紅外光譜分析

老化瀝青的紅外光譜見圖1。

圖1 瀝青老化前后的紅外譜圖Fig.1 Asphalt before and after aging

2.2 低溫脆段分析

利用DSC分析瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，分析瀝青老化前后低溫性能，結(jié)果見圖2。

對(duì)于基質(zhì)瀝青，在(a)圖中選取0 ℃以上某點(diǎn)做切線，同時(shí)選小于-20 ℃某點(diǎn)做切線，其中兩個(gè)切線對(duì)應(yīng)的溫差應(yīng)小于30 ℃，這樣出來的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度交點(diǎn)有且僅有一個(gè)，否則做出的圖形有多個(gè)交點(diǎn)，不能準(zhǔn)確定位玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；依據(jù)圖(a)中的數(shù)學(xué)方法，在圖(b)直接標(biāo)出瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。從圖2(a)和(b)可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸增加，當(dāng)老化至80 h時(shí)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高39.77%。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，在瀝青的PG分級(jí)中，低溫工作狀態(tài)越低，其低溫性能越好，溫感性較低；低溫工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度越高，其低溫性能較差，瀝青容易在較高溫度發(fā)生脆段；而一般瀝青在-15 ℃以下時(shí)，就滿足相應(yīng)的低溫性能要求。從圖中可以看出，老化反映了瀝青中組分的改變，加劇瀝青變硬變脆，低溫性能明顯降低。K值時(shí)反映出瀝青在從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變成粘彈態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的熱量，其值非常小，可忽略，即瀝青的“相態(tài)”發(fā)生變化時(shí)，瀝青吸熱和放熱較少，最終材料老化性能變異性與相態(tài)的反復(fù)變化無相關(guān)性。

圖2 基質(zhì)瀝青DSC譜圖(a)和老化瀝青DSC譜圖(b)Fig.2 DSC spectrum of matrix asphalt(a) and aging asphalt(b)

2.3 應(yīng)力蠕變分析

在 SHARP計(jì)劃早期，常用車轍因子G*/sinδ來評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料高溫抗永久變形能力，在此后試驗(yàn)中人們發(fā)現(xiàn)車轍因子對(duì)基質(zhì)瀝青的高溫性能評(píng)價(jià)效果，但對(duì)改性瀝青以及老化瀝青的評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確。利用應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(SCRRT)能夠更好地評(píng)價(jià)老化瀝青的高溫性能，更好的反映不同老化程度的瀝青的粘彈恢復(fù)能力[9]。

圖3 老化瀝青蠕變與恢復(fù)典型過程Fig.3 Typical creep and recovery process of aging asphalt

如圖3所示，選取蠕變的一個(gè)周期，每個(gè)周期作用力持續(xù)時(shí)間為10 s，其中包括1 s蠕變階段和9 s恢復(fù)階段。使用恢復(fù)率評(píng)價(jià)膠結(jié)料延遲粘彈性響應(yīng)，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縼碓u(píng)價(jià)膠結(jié)料抗永久變形能力。

時(shí)間(t)、切應(yīng)變(γ)、剪應(yīng)力(τ)通過實(shí)驗(yàn)所得，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr，恢復(fù)率γrec通過計(jì)算所得。 每個(gè)蠕變周期結(jié)束時(shí)應(yīng)變值校正：

γ1=γc-γ0

(1)

式中，γ1為每個(gè)蠕變階段結(jié)束時(shí)應(yīng)變校正值，γc為每個(gè)周期蠕變結(jié)束時(shí)應(yīng)變值(結(jié)束時(shí)1 s所對(duì)應(yīng)的值)，γ0為每個(gè)周期蠕變階段初始時(shí)應(yīng)變值(即開始0 s的值)。

每個(gè)周期恢復(fù)率：

γrec=100×(γ1-γ10)/γ1

(2)

式中，γrec為每個(gè)周期恢復(fù)率，γ10為恢復(fù)階段結(jié)束時(shí)應(yīng)變校正(10 s時(shí)對(duì)應(yīng)的值)，其計(jì)算如下：

γ10=γr-γ0

(3)

式中，γr為每個(gè)階段恢復(fù)結(jié)束時(shí)應(yīng)變值(即10 s時(shí)所對(duì)應(yīng)的值)。 將(1)和(3)帶入(2)，可得每個(gè)周期恢復(fù)率：

γrec=100×(γc-γr)/(γc-γ0)

(4)

因此，10個(gè)周期作用下平均恢復(fù)率為：

(5)

不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坑?jì)算公式為：

Jnr=γ10/τ

(6)

平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坑?jì)算公式為：

(7)

參照AASHTO TP 70-07，進(jìn)行20個(gè)周期的蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。

圖4 瀝青老化前后動(dòng)態(tài)蠕變實(shí)驗(yàn)譜圖Fig.4 Experimental spectral diagram of dynamic creep of asphalt before and after aging

由圖4可知，蠕變循環(huán)加載20次，在0.1 kPa應(yīng)力水平作用下，瀝青的應(yīng)變隨著加載時(shí)間的增加而增大；隨著老化程度加深，瀝青的應(yīng)變隨著加載時(shí)間的增加而較??；在10個(gè)周期以內(nèi)時(shí)，老化80 h以及老化40 h的瀝青的應(yīng)變相比基質(zhì)瀝青的應(yīng)變小3～4個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)繼續(xù)加載卸載，老化40 h和80 h的老化瀝青的應(yīng)變從而迅速增加，而基質(zhì)瀝青的則無限增大即不能完全恢復(fù)到未受力的狀態(tài)，可以看出基質(zhì)瀝青已經(jīng)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的蠕變；而老化40 h和80 h的瀝青的應(yīng)力則開始較10個(gè)周期之前顯著變化，主要因?yàn)闉r青在長(zhǎng)時(shí)間的加載卸載作用下，瀝青的“粘彈性”發(fā)揮了主要作用，當(dāng)達(dá)到11個(gè)周期時(shí)，由于之前的加載卸載對(duì)瀝青“做功”產(chǎn)生熱量達(dá)到峰值，使得瀝青的內(nèi)能增加，從而瀝青材料的粘性在后續(xù)加載卸載中發(fā)生主要作用(瀝青受熱，內(nèi)部分子向無序狀態(tài)轉(zhuǎn)移，從而黏流性增加)；而隨著瀝青老化時(shí)間增加，老化程度加深，瀝青中的芳香酚、飽和酚以及膠質(zhì)不穩(wěn)定，慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì)，瀝青中的瀝青質(zhì)增加，瀝青變硬變脆，加載時(shí)瀝青的“脆性物質(zhì)-瀝青質(zhì)”較多，其彈性性能較好，相同應(yīng)力水平作用下，角頻率一致時(shí)，越硬的瀝青其形變較小，因此，老化程度越深，瀝青的應(yīng)變?cè)叫。蠢匣蟮臑r青在應(yīng)力作用下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的加載卸載，仍保持一定的彈性。

通過上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到平均彈性恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，見?。

表2 應(yīng)力蠕變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Evaluation indicators of MSRC

由表2可知，在0.1 kPa作用力加載時(shí)，瀝青的平均恢復(fù)率隨著老化時(shí)間增加而增加；平均不可恢復(fù)柔量隨著老化時(shí)間的增加而降低。主要因?yàn)?，老化程度加深，瀝青中瀝青質(zhì)的含量增加，在60 ℃時(shí)，瀝青大部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)軟化流動(dòng)，而瀝青質(zhì)含量越高的瀝青，其中所未軟化或者軟化未完全的瀝青質(zhì)充當(dāng)“骨架”，當(dāng)卸載后主要依靠“骨架”的作用恢復(fù)“原態(tài)”，因此，老化時(shí)間越長(zhǎng)，瀝青的平均恢復(fù)率越大即瀝青的延遲粘彈性越好，瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭叫?，即瀝青的抗永久變形越好，老化80 h分別較基質(zhì)瀝青的延遲粘彈性和抗永久變形提高1.56倍和1.54倍。這與SHARP中車轍因子評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能相符合，即瀝青老化越嚴(yán)重，其抗老化性能越好。

3 結(jié)論

(1)瀝青老化前后主要在非飽和鍵上發(fā)生化學(xué)取代或者氧化反應(yīng)，且隨著老化時(shí)間增加，氧化作用越明顯，而氧化作用是一個(gè)不能逆轉(zhuǎn)的過程，即瀝青老化后瀝青質(zhì)增加，瀝青變硬變脆這是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的過程。

(2)瀝青老化后的玻璃轉(zhuǎn)變溫度提高，隨著老化時(shí)間增加，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度一直提高，由于瀝青質(zhì)在瀝青中非常穩(wěn)定，當(dāng)瀝青中飽和酚、芳香酚以及瀝青質(zhì)膠質(zhì)等完全轉(zhuǎn)變成瀝青質(zhì)后，瀝青不再發(fā)生化學(xué)上的變化，即瀝青老化終止，玻璃化溫度達(dá)到最大值。

(3)在0.1 kPa作用下，老化80 h的瀝青比基質(zhì)瀝青的抗永久變形和延遲粘彈性均有所提高，即老化時(shí)間越長(zhǎng)，瀝青的抗高溫變形能力越好但相應(yīng)的低溫性能就較差。