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。
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。
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。
1.3.1 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>
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
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)
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。
(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。