摘要：為研究不同瀝青在新疆高溫抗車轍地區(qū)的老化性能衰減規(guī)律，本文以新疆本地生產(chǎn)的50#瀝青、70#瀝青、SBS改性瀝青為研究對(duì)象，進(jìn)行了短期老化、長(zhǎng)期老化、紫外老化模擬試驗(yàn)，利用瀝青基本性質(zhì)試驗(yàn)、傅里葉變換紅外光譜試驗(yàn)、原子力顯微鏡試驗(yàn)對(duì)比分析了不同瀝青在該地區(qū)的老化性能變化規(guī)律。結(jié)果表明：SBS改性瀝青的官能團(tuán)指數(shù)增長(zhǎng)速率小于50#瀝青、70#瀝青；SBS改性瀝青粗糙度參數(shù)變化幅度小于50#瀝青、70#瀝青；在高溫抗車轍地區(qū)，SBS改性瀝青老化衰減速率小于50#瀝青、70#瀝青，耐老化性能更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：道路工程；熱氧老化；紫外老化；基質(zhì)瀝青；SBS改性瀝青；新疆高溫抗車轍地區(qū)

中圖分類號(hào)：U416.217""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）05-0157-07

Study on Aging Performance of Different Asphalts in High Temperature Anti?rutting Area in Xinjiang

HOU Lulu SONG Liang XIE Xiaodong ZOU Zhou

（1. School of Transportation and Logistics Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi Xinjiang 830091， China; 2. School of Transportation Engineering， Xinjiang University， Urumqi Xinjiang 830049， China;3. Xinjiang Communications Investment Construction Management Co.， Ltd.， Urumqi Xinjiang 830099， China）

Abstract： The 50# asphalt， 70# asphalt and SBS modified asphalt produced locally in Xinjiang were used to investigate the aging performance of different asphalts in high temperature anti?rutting area in Xinjiang. And short?term aging， long?term aging and UV aging simulation tests were carried out. In addition， the basic properties of asphalt， fourier transform infrared spectroscopy and atomic force microscopy tests were used to compare and analyze the aging properties of different asphalts in high temperature anti?rutting area in Xinjiang. The results show that the growth rate of the functional group index of SBS modified asphalt is less than that of 50# and 70# asphalts; the degree of change of roughness parameters of SBS modified asphalt is less than that of 50# and 70# asphalts; the decay rate of SBS modified asphalt is less than that of 50# and 70# asphalts in the high temperature anti?rutting area， and the aging resistance is better.

Key words： road engineering; the thermal?oxygen aging; ultraviolet aging; matrix asphalt; styrene?butadie-ne?styrene modified asphalt; high temperature anti?rutting area in Xinjiang

0 引言

瀝青屬于有機(jī)高分子材料，在熱光氧作用下極易發(fā)生老化，由于交通荷載增加、環(huán)境影響等因素，其路用性能受到影響?！缎陆窞r青路面設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)》根據(jù)氣象學(xué)等概分布的原則，采用氣候分區(qū)的高、低溫指標(biāo)之乘積與氣候分區(qū)的雨量指標(biāo)的比值表示，作為氣候分區(qū)指標(biāo)，將全疆分為水穩(wěn)及凍穩(wěn)區(qū)、低溫抗裂區(qū)、高低溫過渡區(qū)及高溫抗車轍區(qū)[1]。其中，新疆高溫抗車轍地區(qū)干旱、炎熱，尤其是南疆沙漠地區(qū)，瀝青路面表面溫度可達(dá)70℃左右，并且紫外線輻射強(qiáng)烈，故瀝青在高溫高紫外輻照狀態(tài)下的老化效應(yīng)較為顯著，導(dǎo)致瀝青路面極易產(chǎn)生車轍、裂縫等病害。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青老化進(jìn)行了許多探索與研究，如宏觀性能變化方面，從針入度、軟化點(diǎn)、延度、黏度、復(fù)數(shù)模量等多角度對(duì)比分析瀝青老化前后的變化。葉奮等[2]通過短期老化、長(zhǎng)期老化試驗(yàn)和紫外老化試驗(yàn)對(duì)瀝青老化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不管是熱氧老化還是紫外老化，瀝青的宏觀表現(xiàn)均是針入度下降、軟化點(diǎn)提高、延度減小。此外，瀝青的微觀性能變化也是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)，如瀝青四組分、官能團(tuán)、分子量、微觀形貌等在老化前后均表現(xiàn)出不同特征。陳華鑫等[3]研究表明了瀝青質(zhì)、膠質(zhì)對(duì)瀝青的高溫性能有影響，飽和分對(duì)瀝青性質(zhì)的影響較大。崔亞楠等?[4]指出SBS改性瀝青經(jīng)過熱氧老化后羰基和亞砜基的相對(duì)含量增加，丁二烯的相對(duì)含量減少。Zhang等?[5]對(duì)SK?70#瀝青和SK?90#瀝青進(jìn)行了短期老化、長(zhǎng)期老化、紫外老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瀝青微觀表面的粗糙度隨著老化加深而增大。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青老化性能進(jìn)行了大量研究，但是目前仍缺乏針對(duì)新疆高溫抗車轍地區(qū)高溫、高紫外輻射氣候環(huán)境下瀝青老化性能的研究。因此，本文依據(jù)新疆高溫抗車轍地區(qū)實(shí)際氣候狀況，以新疆本地生產(chǎn)的50#、70#瀝青、SBS改性瀝青為研究對(duì)象，探索其短期老化、長(zhǎng)期老化、紫外老化后的性能衰變，對(duì)比三者的老化速率。研究結(jié)果有助于論證不同瀝青在新疆高溫抗車轍地區(qū)工程應(yīng)用的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

本研究選取新疆本地生產(chǎn)的克煉50#瀝青、昆侖70#瀝青、SBS改性瀝青作為研究對(duì)象，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果見表1。

1.2 老化方式

據(jù)新疆高溫抗車轍地區(qū)實(shí)際氣候狀況，采用短期老化、長(zhǎng)期老化、紫外老化三種老化方式進(jìn)行瀝青的老化模擬。其中，短期老化模擬試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)法（Rotating Thin Film Oven Test，RTFOT），模擬瀝青在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、攪拌和攤鋪過程中發(fā)生氧化反應(yīng)造成的老化；長(zhǎng)期老化模擬試驗(yàn)采用壓力老化試驗(yàn)儀（Pressure Aging Vessel，PAV）模擬瀝青在道路使用過程中發(fā)生的氧化老化；紫外老化（Ultraviolet Aging，UV）采用紫外LED燈珠照射瀝青試樣。瀝青試樣經(jīng)RTFOT后，將其置入紫外老化設(shè)備中接受紫外輻照。燈珠距瀝青試樣10cm處的紫外光輻射強(qiáng)度為300mW/cm²，紫外波段為395nm。前期研究成果[6]表明紫外線輻射穿透瀝青膜的厚度約為1～3mm，故本試驗(yàn)通過控制瀝青試樣質(zhì)量的方法實(shí)現(xiàn)瀝青膜厚度為1mm。此外，根據(jù)南疆沙漠地區(qū)路面實(shí)際溫度，將紫外老化模擬試驗(yàn)溫度控制在70℃ 5℃范圍內(nèi)。

本試驗(yàn)選取塔克拉瑪干沙漠地區(qū)作為高溫抗車轍地區(qū)強(qiáng)紫外輻照的代表，其年輻照量[7]約為420MJ/（m·a）。按式（1）可換算得當(dāng)量紫外線強(qiáng)度加速率為111。根據(jù)紫外老化加速率，可得到室內(nèi)與室外紫外光輻射時(shí)間的換算關(guān)系，見式（1）和表2。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 瀝青基本性能試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定三種瀝青老化前后的針入度、軟化點(diǎn)和延度。

1.3.2 傅里葉變換紅外光譜試驗(yàn)

1.3.3 原子力顯微鏡試驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青老化前后的針入度、延度、軟化點(diǎn)

2.2 基于FTIR的低標(biāo)號(hào)瀝青老化特征

2.2.1 瀝青老化前后的紅外光譜特征

對(duì)比未老化和老化之后基質(zhì)瀝青的紅外光譜圖，特征峰所對(duì)應(yīng)的位置和波數(shù)基本不變，但老化瀝青在1"700cm^?1和1"032cm^?1處吸收峰明顯增強(qiáng)。1"700cm^?1處吸收峰明顯增強(qiáng)意味著羰基官能團(tuán)指數(shù)增加，這是由于老化導(dǎo)致瀝青分子中碳碳雙鍵斷裂并與氧結(jié)合，生成大量的醛、酮、酯、羧酸等含氧極性官能團(tuán)，進(jìn)一步重組、改變了瀝青組分，使得瀝青性能發(fā)生變化?[8]。1"030cm^?1處吸收峰增強(qiáng)是由于瀝青分子里硫元素在老化過程中不斷與氧元素結(jié)合發(fā)生吸氧反應(yīng)，進(jìn)而生成亞砜基，老化程度不同，S＝O官能團(tuán)含量也不同[10]。對(duì)比未老化和老化后SBS改性瀝青的紅外光譜圖，可發(fā)現(xiàn)飽和烴和芳香烴特征峰多對(duì)應(yīng)的位置和波數(shù)基本不變。隨著SBS改性瀝青老化程度加深，1"700cm^?1處與1"032cm^?1處吸收峰均出現(xiàn)不同程度增強(qiáng)，而在966cm^?1處的丁二烯吸收峰卻呈現(xiàn)不同程度的衰減。這表明SBS改性瀝青在老化過程中不僅有基質(zhì)瀝青老化，還伴隨著SBS改性劑氧化裂解。

2.2.2 瀝青老化前后的羰基、亞砜基指數(shù)

不同老化條件對(duì)瀝青影響程度有所不同，需要更為準(zhǔn)確的定量分析，故采用官能團(tuán)指數(shù)以進(jìn)行研究評(píng)價(jià)?；|(zhì)瀝青采用羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)，SBS改性瀝青采用羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)及丁二烯指數(shù)，如圖?4所示?；|(zhì)瀝青，在熱氧老化過程中，羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)均逐漸增加，尤其是羰基指數(shù)，增長(zhǎng)速度顯著。從RTFOT至PAV，50#、70#瀝青羰基指數(shù)分別增加了67.3%、84.5%，而亞砜基指數(shù)分別增長(zhǎng)了15.4%、28.1%，可見，基質(zhì)瀝青老化前后亞砜基指數(shù)變化并非特別顯著。究其原因，克煉瀝青中硫原子含量甚微[11]，故在熱氧老化過程中與氧的反應(yīng)更為緩慢。SBS改性瀝青，在熱氧老化階段，隨著老化程度加深，羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)逐漸增加，丁二烯指數(shù)逐漸減少。從RTFOT至PAV，SBS改性瀝青的羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)分別增加了25.83%、59.52%，丁二烯指數(shù)降低了9.08%。綜上，在熱氧老化條件下，基質(zhì)瀝青羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)的增長(zhǎng)速率大于SBS改性瀝青，表明SBS改性劑的摻入抑制了瀝青官能團(tuán)的變化，見圖4。

在紫外老化過程中，基質(zhì)瀝青的羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)變化程度均大于SBS改性瀝青。具體而言，從短期老化至UV3老化，50#、70#瀝青的羰基指數(shù)分別增加了45.1%、66.2%，亞砜基指數(shù)分別增加了2.7%、9.5%，而SBS改性瀝青的羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)分別增加了11.75%、6.01%，丁二烯指數(shù)降低了2.35%。由此可見，紫外老化對(duì)SBS改性瀝青的影響小于其對(duì)基質(zhì)瀝青的影響。此外，熱氧老化階段羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)的變化幅度均大于紫外老化階段兩者變化幅度，這表明紫外老化階段瀝青的氧化反應(yīng)速率低于熱氧階段瀝青的氧化反應(yīng)速率?，F(xiàn)有研究表明[6]紫外光只能使4.5μm深度內(nèi)的瀝青老化，無法作用到下層瀝青，而下層瀝青的老化是由表面老化瀝青擴(kuò)散引起的，此過程會(huì)導(dǎo)致瀝青氧化反應(yīng)速率下降。此外，冉龍飛等[12]的研究表明前期老化導(dǎo)致瀝青膜表層部分產(chǎn)生硬化，阻礙氧氣進(jìn)入下層瀝青，故紫外老化過程中氧化反應(yīng)速率會(huì)降低。

2.3 基于AFM的低標(biāo)號(hào)瀝青老化特征

三種瀝青老化前后的AFM高程圖，如圖5所示?？擅黠@發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的AFM高程圖存在很大不同。在SBS改性瀝青中，可觀察到微觀表面存在較多的“蜂狀”結(jié)構(gòu)，有學(xué)者認(rèn)為是石蠟結(jié)晶導(dǎo)致此結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，另有學(xué)者認(rèn)為是微觀表面瀝青質(zhì)聚集而致[13]。然而在基質(zhì)瀝青中并未發(fā)現(xiàn)顯著的“蜂狀”結(jié)構(gòu)，“蜂狀”結(jié)構(gòu)的形成依賴于瀝青的來源、類型、結(jié)構(gòu)、組成等多種因素。Lu等[14]通過AFM與DSC曲線獲取微觀形貌與焓峰的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)瀝青中“蜂狀”結(jié)構(gòu)與非極性蠟的聚集有關(guān)，當(dāng)蠟濃度極低時(shí)瀝青微觀表面不會(huì)出現(xiàn)“蜂狀”結(jié)?構(gòu)。

如圖5所示，三種瀝青在老化前后發(fā)生了不同程度變化。50#、70#基質(zhì)瀝青在未老化時(shí)，微觀表面存在明暗相間的物質(zhì)，經(jīng)過短期老化之后，“黑色物質(zhì)”變多。研究報(bào)道此“黑色物質(zhì)”為瀝青分子中的重組分，經(jīng)過光氧熱耦合作用，重組分增加[15]。然而，對(duì)比SBS改性瀝青老化前后高程圖，可發(fā)現(xiàn)其微觀表面及“蜂狀”結(jié)構(gòu)變化甚微，這表明SBS改性瀝青受老化影響較小。

為定量表征每種瀝青材料的表面粗糙度變化，采用高度均方根（ ）、高度平均值（ ）極大與極小高度差（ ）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。于基質(zhì)瀝青而言，粗糙度數(shù)值較小，且 、 均在1nm以下，這表明基質(zhì)瀝青表面較為平整。經(jīng)過短期老化后，50#、70#瀝青粗糙度數(shù)值隨之增加，其中 分別較原樣瀝青增加了27.27%、62.08%，70#瀝青變化較為顯著。與之相反的是，SBS改性瀝青的粗糙度數(shù)值相對(duì)較大，這表明其微觀表面凸起、凹陷程度略大。值得注意的是，經(jīng)過短期老化后，SBS改性瀝青粗糙度數(shù)值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。目前，不同學(xué)者針對(duì)瀝青微觀結(jié)構(gòu)的研究得到結(jié)論不一致，如Koyun等[16]研究表明隨著老化的進(jìn)行，瀝青表面糙度逐漸增加；然而，一些學(xué)者?[17?18]提出了表面粗糙度會(huì)隨著老化程度加深而降低的結(jié)論。

3 結(jié)語

通過瀝青基本性質(zhì)試驗(yàn)、FTIR試驗(yàn)、AFM試驗(yàn)對(duì)比分析了三種瀝青（50#瀝青、70#瀝青、SBS改性瀝青）在不同老化方式（RTFOT、PAV、UV）下的老化性能衰減規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）在新疆高溫抗車轍區(qū)，70#瀝青的老化效應(yīng)較為顯著，其氧化反應(yīng)速率大于50#瀝青、SBS改性瀝青。此外，紫外老化對(duì)SBS改性瀝青的影響甚微。

（2）FTIR試驗(yàn)結(jié)果表明，老化過程中SBS改性瀝青官能團(tuán)指數(shù)的增長(zhǎng)幅度小于50#、70#基質(zhì)瀝青，故SBS改性瀝青的老化速率低于基質(zhì)瀝青。

（3）三種瀝青中SBS改性瀝青有明顯的“蜂狀結(jié)構(gòu)”，而在50#、70#瀝青中未觀察到此結(jié)構(gòu)；老化后SBS改性瀝青粗糙度數(shù)值的變化程度小于50#、70#瀝青。綜上，在高溫抗車轍地區(qū)，老化衰減速率由大到小的順序?yàn)?0#瀝青 50#瀝青 SBS改性瀝青，故在該地區(qū)可優(yōu)先考慮使用SBS改性瀝青及50#瀝青，開發(fā)更好的抗老化技術(shù)，以提高其耐受性能。

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