摘要 文章對(duì)瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，探討了溫度計(jì)懸掛位置、空氣流量、加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明，溫度計(jì)懸掛位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小；較高的空氣流量加速瀝青老化，導(dǎo)致其變硬變脆；加熱時(shí)間越長(zhǎng)，瀝青的針入度和延度越低，老化程度越高；冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，瀝青質(zhì)量變化趨于穩(wěn)定。建議在試驗(yàn)中嚴(yán)格控制這些因素，以提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

關(guān)鍵詞 瀝青老化；旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)；空氣流量；加熱時(shí)間；冷卻時(shí)間

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）03-0060-03

0 引言

瀝青在自然環(huán)境下由于光、熱、氧氣等因素的長(zhǎng)期作用，物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而使其各項(xiàng)性能逐漸退化的過(guò)程稱為老化。瀝青老化作為道路工程中的一種常見(jiàn)現(xiàn)象，直接影響路面的使用壽命和耐久性。常見(jiàn)的老化機(jī)理包括氧化反應(yīng)、紫外線輻射、熱老化、水分作用和機(jī)械應(yīng)力等，這些因素通過(guò)不同的化學(xué)和物理途徑使瀝青變得更硬、更脆，失去原有的彈性和延展性，最終導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫、變形和車轍等問(wèn)題[1]。

為了模擬和研究瀝青在實(shí)際使用中的老化過(guò)程，試驗(yàn)室通常采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)（Rolling Thin-Film Oven Test， RTFOT），通過(guò)將瀝青樣品薄膜置于旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中（如圖1所示），并在高溫和空氣流動(dòng)的條件下進(jìn)行加熱處理，模擬瀝青在高溫條件下的老化過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)測(cè)量瀝青樣品的質(zhì)量變化、針入度、軟化點(diǎn)和延度等指標(biāo)，評(píng)估其耐熱老化性能。為了提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，該文對(duì)旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)中的不同影響因素進(jìn)行分析，以得出最優(yōu)的試驗(yàn)條件，為瀝青材料的改性和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 瀝青老化試驗(yàn)

1.1 瀝青老化機(jī)理

瀝青老化機(jī)理主要包括以下方面：

（1）氧化反應(yīng)

瀝青中的碳?xì)浠衔锱c空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成羧酸、酮和醇等含氧化合物，增加了瀝青的極性，導(dǎo)致分子間作用力增強(qiáng)，使瀝青變得更硬、更脆。氧化反應(yīng)主要發(fā)生在瀝青表面，但隨著時(shí)間的推移，氧氣會(huì)逐漸滲透到更深層次，導(dǎo)致其整體性能下降。

（2）紫外線（UV）輻射

紫外線輻射會(huì)引發(fā)瀝青中的光氧化反應(yīng)，破壞分子鏈，形成自由基，而自由基會(huì)進(jìn)一步引起瀝青的氧化和交聯(lián)反應(yīng)。在外觀上，紫外線會(huì)使瀝青變色、變脆，表面裂紋增多，并逐漸擴(kuò)展到瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（3）熱老化

在高溫條件下，瀝青中的化學(xué)反應(yīng)速度加快，特別是氧化反應(yīng)和聚合反應(yīng)，導(dǎo)致瀝青的分子鏈斷裂和重新排列。長(zhǎng)期的高溫條件使得瀝青的軟化點(diǎn)升高、延展性和韌性降低，導(dǎo)致路面出現(xiàn)變形、車轍和開(kāi)裂等問(wèn)題。

（4）水分作用

水分滲透到瀝青內(nèi)部會(huì)降低瀝青與集料之間的黏附性，導(dǎo)致瀝青表層剝落、龜裂，水分進(jìn)入裂縫后會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大裂縫和破壞范圍，特別是在寒冷地區(qū)，凍融循環(huán)會(huì)嚴(yán)重?fù)p害瀝青結(jié)構(gòu)。

（5）機(jī)械應(yīng)力

交通荷載和溫度變化引起的應(yīng)力作用，使瀝青逐漸失去彈性和韌性，使瀝青分子鏈斷裂，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)疲勞裂縫、車轍、坑洼等現(xiàn)象，降低其使用壽命和行車舒適性。

綜上所述，瀝青主要是在高溫和氧氣作用下發(fā)生一系列氧化、聚合和裂解的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其硬度、脆性等物理性能發(fā)生改變。根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn)，溫度、氧氣濃度和加熱時(shí)間是影響瀝青老化的主要因素。

1.2 旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)

為了模擬瀝青在熱混合料生產(chǎn)和鋪筑中的老化過(guò)程，試驗(yàn)室通常采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)評(píng)估瀝青的耐熱老化能力。在試驗(yàn)過(guò)程中，瀝青薄膜在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)受熱空氣作用，使其快速老化。通過(guò)稱量并計(jì)算試驗(yàn)前后瀝青樣品的質(zhì)量差，評(píng)估瀝青的質(zhì)量損失。同時(shí)，還可以對(duì)試驗(yàn)后的瀝青樣品進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和延度測(cè)試，分析瀝青的物理性能變化[2]。

1.3 影響因素分析

已有研究表明，旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)的結(jié)果受多種因素影響，如溫度計(jì)的懸掛位置會(huì)影響溫度的準(zhǔn)確性，空氣流量的變化會(huì)影響氧化速率，加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間則直接影響瀝青的老化程度[3]。因此，該文通過(guò)分析這些因素，以提高瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

該文選用某70號(hào)道路石油瀝青樣品，試驗(yàn)設(shè)備包括旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱、精密電子天平、高溫溫度計(jì)和濕式流量計(jì)等，具體型號(hào)參數(shù)如表1所示：

2.2 試驗(yàn)步驟

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的T0610-2011瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)方法，準(zhǔn)備不少于8個(gè)的樣品瓶，每個(gè)瓶?jī)?nèi)稱取35 g±0.5 g的試樣。將樣品瓶放入預(yù)熱至163℃的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中，將轉(zhuǎn)速設(shè)定為15 r/min，空氣流量設(shè)置為4 000 mL/min，持續(xù)加熱85 min。取出樣品瓶后冷卻至室溫，稱重并進(jìn)行針入度和延度等性能測(cè)試。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，該文設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變溫度計(jì)懸掛位置（低于、平齊和高于熱電偶1 cm）、空氣流量（3 000 mL/min和4 000 mL/min）、加熱時(shí)間（75 min和85 min），以及冷卻時(shí)間（40 min、60 min、90 min和120 min）等四個(gè)條件，測(cè)定瀝青的質(zhì)量變化、針入度和延度等數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度計(jì)懸掛位置的影響

將溫度計(jì)的水銀球置于薄膜烘箱中低于熱電偶1 cm，與熱電偶平齊和高于熱電偶1 cm的位置，分別測(cè)量不同位置的顯示溫度、實(shí)際溫度及瀝青的質(zhì)量變化，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，顯示溫度在不同位置的變化較小，僅相差0.1℃，但實(shí)際溫度有所不同，與顯示溫度相差約0.3～0.4℃，表明顯示溫度比較穩(wěn)定，但實(shí)際溫度測(cè)量受熱電偶位置的影響；瀝青老化前后在不同位置測(cè)量的質(zhì)量變化差異為0.009 1%，遠(yuǎn)小于重復(fù)性要求，說(shuō)明質(zhì)量變化測(cè)量具有良好的重復(fù)性；同時(shí)，溫度計(jì)懸掛位置在熱電偶上下1 cm范圍內(nèi)對(duì)瀝青質(zhì)量變化的影響不大。

3.2 空氣流量的影響

僅通過(guò)改變空氣流量分析其對(duì)瀝青老化性能的影響，分別設(shè)置空氣流量為3 000 mL/min和4 000 mL/min，對(duì)試驗(yàn)后瀝青的針入度、延度進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示：

經(jīng)分析可知，質(zhì)量變化的絕對(duì)差值為0.11%，大于重復(fù)性要求的0.04%；10℃延度的絕對(duì)差值為0.9 cm，小于重復(fù)性要求的1.3 cm；15℃延度的絕對(duì)差值為6.7 cm；大于重復(fù)性要求的5.1 cm，說(shuō)明質(zhì)量變化和15℃延度的測(cè)量重復(fù)性不符合要求，而10℃延度的測(cè)量重復(fù)性滿足要求。此外，隨著空氣流量的增加，瀝青的質(zhì)量損失顯著增大，針入度比下降，10℃和15℃的延度減小，說(shuō)明較高的空氣流量加速了瀝青的老化過(guò)程，導(dǎo)致其變硬變脆，延展性降低，可見(jiàn)空氣流量對(duì)瀝青老化性能具有顯著影響。

3.3 加熱時(shí)間的影響

旋轉(zhuǎn)薄膜的加熱時(shí)間也會(huì)影響瀝青的老化程度，因此分別對(duì)瀝青樣品進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為75 min和85 min的加熱，并以質(zhì)量變化、針入度比和延度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示：

經(jīng)分析可知，隨著加熱時(shí)間的增加，兩個(gè)樣品老化后的質(zhì)量略微增加，但絕對(duì)差值均遠(yuǎn)小于重復(fù)性要求的0.04%，表明加熱時(shí)間對(duì)質(zhì)量變化的影響較小。而針入度比、10℃延度和15℃延度隨著加熱時(shí)間的增加逐漸減少，且2#樣品的變化幅度比1#樣品更大，表明加熱時(shí)間對(duì)瀝青的針入度和延度影響較為顯著，且加熱時(shí)間越長(zhǎng)老化程度越高。

3.4 冷卻時(shí)間的影響

瀝青在未完全冷卻的情況下，會(huì)導(dǎo)致其質(zhì)量測(cè)試結(jié)果不同，因此為了分析冷卻時(shí)間對(duì)老化瀝青質(zhì)量的影響。在瀝青樣品老化試驗(yàn)結(jié)束后，分別在40 min、60 min、90 min和120 min的冷卻時(shí)間測(cè)試瀝青的質(zhì)量，結(jié)果如表5所示：

經(jīng)分析可知，所有樣品的質(zhì)量差均小于重復(fù)性要求的0.04%，表明在不同的冷卻時(shí)間內(nèi)，質(zhì)量變化的測(cè)量具有良好的重復(fù)性。此外，在早期的40 min冷卻階段，質(zhì)量變化值較大，隨著冷卻時(shí)間延長(zhǎng)至120 min，質(zhì)量變化值趨于穩(wěn)定，表明老化瀝青的揮發(fā)成分逐漸減少，質(zhì)量趨于穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中，冷卻時(shí)間對(duì)瀝青的老化過(guò)程和質(zhì)量變化存在一定影響，建議冷卻時(shí)間不少于40 min。

此外，冷卻時(shí)間也會(huì)影響瀝青的針入度、延度等指標(biāo)，瀝青在快速冷卻環(huán)境下可能會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)力未能充分釋放，從而影響其延展性和耐久性。因此，在后續(xù)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體條件合理選擇冷卻時(shí)間，同時(shí)注意避免環(huán)境溫度和風(fēng)速等外部條件對(duì)瀝青冷卻效果的影響，必要時(shí)可以采取輔助冷卻措施，如噴灑冷卻水或使用遮陽(yáng)設(shè)備，以保證冷卻過(guò)程的可控性和一致性。

4 結(jié)論與建議

該文通過(guò)研究瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵影響因素，得出以下結(jié)論：

（1）溫度計(jì)懸掛位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小，但需保證懸掛位置的統(tǒng)一性，以減少誤差。

（2）較高的空氣流量加速了瀝青的老化過(guò)程，導(dǎo)致其變硬變脆，延展性降低。建議在實(shí)際試驗(yàn)中根據(jù)具體需求選擇適當(dāng)?shù)目諝饬髁?，以控制老化速率?/p>

（3）隨著加熱時(shí)間的增加，瀝青的針入度和延度逐漸減少，老化程度增加，建議根據(jù)具體試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)合理選擇加熱時(shí)間。

（4）冷卻時(shí)間對(duì)瀝青的老化過(guò)程和質(zhì)量變化存在一定影響，建議冷卻時(shí)間不少于40 min，以確保瀝青質(zhì)量變化測(cè)量的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)注意瀝青材料的選擇，根據(jù)工程所在地的氣候條件和交通負(fù)荷選擇合適的瀝青種類，以確保路面的耐久性和穩(wěn)定性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論，瀝青在高溫條件下易發(fā)生老化，因此在施工過(guò)程中，需特別注意控制鋪設(shè)溫度和冷卻速度。建議在高溫季節(jié)施工時(shí)，采取降溫措施，如噴水或使用遮陽(yáng)設(shè)施，以避免瀝青過(guò)度老化。此外，冷卻時(shí)間對(duì)瀝青性能的影響同樣顯著，在施工過(guò)程中應(yīng)保證足夠的冷卻時(shí)間，至少40 min，避免因冷卻不充分導(dǎo)致的早期損壞。

針對(duì)交通量大、需頻繁維護(hù)和修補(bǔ)的路段，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)和評(píng)估，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際情況制定科學(xué)合理的施工方案，及時(shí)調(diào)整施工工藝。同時(shí)，應(yīng)定期監(jiān)測(cè)和評(píng)估路面的老化程度，根據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，以確保路面的長(zhǎng)期使用性能和安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]葛萬(wàn)噸.瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)影響因素研究[J].石油瀝青， 2023（3）：34-37.

[2]茹楠.基于分子模擬的再生劑對(duì)熱再生瀝青混合料性能影響研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)， 2023.

[3]韓青英.春風(fēng)塔河瀝青抗老化性能研究[J].石油瀝青， 2018（2）：15-18.

收稿日期：2024-07-10

作者簡(jiǎn)介：吳汝耀（1993—），男，本科，工程師，研究方向：水泥穩(wěn)定碎石及瀝青混合料的原材料及配合比設(shè)計(jì)、公路橋梁路基路面現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。